光纤光栅扭振传感器及扭振测量方法技术

本发明专利技术涉及一种光纤光栅扭振传感器及扭振测量方法，包括用于与旋转轴配合连接的轴环、两个组合件、四个光纤光栅和用于对四个光纤光栅进行解调的解调仪；轴环采用硬质金属材料且轴环的外圆上设有两个凸台，组合件包括等截面梁以及分别位于截面梁两端的底座和质量块，等截面梁整体为细长状，等截面梁的截面为细长状的矩形，两个组合件的底座分别固定在两个凸台上，两个组合件在一条直线上且过轴环中心，四个光纤光栅分别对称粘贴在两个组合件的等截面梁的正反两面。该传感器利用惯性原理来测量扭转振动角加速度，消除了温度耦合效应和由于等截面梁在外力作用下发生弯曲变形对应变测量的影响，消除了旋转轴轴向振动和横向振动对扭振测量的干扰。

Fiber Bragg Grating Torsional Vibration Sensor and Torsional Vibration Measurement Method

The invention relates to a fiber Bragg grating torsional vibration sensor and a torsional vibration measurement method, including a shaft ring, two assemblies, four fiber Bragg gratings and a demodulator for demodulating four fiber Bragg gratings, which are connected with a rotating shaft; the shaft ring is made of hard metal material and the outer circle of the shaft ring is provided with two convex platforms, and the assemblies include a beam of equal cross section and are located at both ends of the cross section beam respectively. Base and mass block, the whole beam is slender, the cross-section of the beam is slender rectangle, the base of the two assemblies is fixed on two convex platforms, the two assemblies are in a straight line and pass through the center of the axle ring, and the four fiber gratings are symmetrically bonded on both sides of the beam with the same cross-section of the two assemblies. The sensor uses inertia principle to measure angular acceleration of torsional vibration, eliminates the temperature coupling effect and the influence of bending deformation on strain measurement due to the external force of the beam with equal cross-section, and eliminates the interference of axial and transverse vibration of the rotating shaft on torsional vibration measurement.

【技术实现步骤摘要】
光纤光栅扭振传感器及扭振测量方法
本专利技术属于传感器领域，具体涉及一种光纤光栅扭振传感器及扭振测量方法。
技术介绍
目前轴系扭振测量大致有三种方法：1)基于应变片的机械扭振接触式测量法——它有着高灵敏度与较宽的频响范围，但不能消除轴的横向振动的干扰，同时无法测出刚体轴的扭振。2)基于电感式与电容式编码盘的扭振测量法——主要运用一个编码盘并结合传感器，编码盘掠过传感器时在条纹处传感器将会产生脉冲信号，通过采用高速脉冲填充计时的方法进而来计算每个脉冲信号来临的时刻，结合编码盘参数进行运算获得轴系的角频率，进而分析计算，获取扭振信息；此方法要求在旋转轴上有着严格等分机构，并且还会受到所建立的测量基准的影响，若转轴扭振的信号不明显，信号的分析转化将会变得非常地复杂，很难保证测试信号的准确性。3)基于激光多普勒原理的机械扭振测量法——根据不同的光路设计灵活地分为多种不同形式，然而轴截面的圆度误差以及轴系的横向振动都将直接影响测量精度，因此这个方法较难于提高测试精度，并且由于测量装置复杂、昂贵，难以应用。光纤光栅是一种无源滤波器件，在传感器领域可以用来替代实现应变片的功能，光纤光栅在传感器领域越来越受关注，其主要优势在于：抗电磁干扰、耐腐蚀、本质安全、电绝缘、体积小、重量轻、可绕曲、可制作成不同大小和不同形状的传感器、对被测介质影响小、易于粘贴在待测结构表面或植入被测结构体中、测量对象广泛、灵敏度高、测量精度高、便于分布式测量、便于复用和成网、易与现有光通信设备组成遥测网和传感网络。由于光纤光栅的谐振波长对应力应变和温度的变化敏感，所以主要用于温度和应力应变的测量，而光纤光栅对温度与应变存在的交叉敏感效应是其传感测量的固有特性，当温度和应力同时变化时，存在“交叉敏感”效应，现有技术中很多实验都不能很好的解决交叉敏感的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光纤光栅扭振传感器及扭振测量方法，该传感器利用惯性原理来测量扭转振动角加速度，消除了温度耦合效应和由于等截面梁在外力作用下发生弯曲变形对应变测量的影响，消除了旋转轴轴向振动和横向振动对扭振测量的干扰。本专利技术所采用的技术方案是：一种光纤光栅扭振传感器，包括用于与旋转轴配合连接的轴环、两个组合件、四个光纤光栅和用于对四个光纤光栅进行解调的解调仪；轴环采用硬质金属材料且轴环的外圆上设有两个凸台，组合件包括等截面梁以及分别位于截面梁两端的底座和质量块，等截面梁整体为细长状，等截面梁的截面为细长状的矩形，两个组合件的底座分别固定在两个凸台上，两个组合件在一条直线上且过轴环中心，四个光纤光栅分别对称粘贴在两个组合件的等截面梁的正反两面。进一步地，光纤光栅采用环氧树脂AB密封胶封装。进一步地，底座与凸台通过螺钉固定。进一步地，轴环与旋转轴通过键连接。一种基于上述光纤光栅扭振传感器的扭振测量方法，包括步骤：S1、将轴环安装在旋转轴上，将四个光纤光栅依次接入解调仪，在静态下进行加速度标定；S2、使旋转轴旋转，当旋转轴匀速运动时，等截面梁处于平衡状态、不发生形变，当旋转轴加减速时，旋转轴发生扭转振动，质量块对等截面梁产生作用力使其弯曲，等截面梁的弯曲引起四个光纤光栅拉伸或压缩，使得光纤光栅上应变发生改变、波长发生漂移，解调仪将信号采集解调后转换为实时旋转加速度，通过观测实时旋转加速度的往复波动，实现扭振的实时测量。进一步地，通过调整等截面梁的截面尺寸调整整个光纤光栅扭振传感器的灵敏度。本专利技术的有益效果是：该传感器利用惯性原理来测量扭转振动角加速度，结构简单、安装方便，引入光纤光栅作为传感元件，具有抗电磁干扰、体积小、成本低等优点；该传感器采用了成对的光纤光栅在同一等截面梁两面对称分布，有效消除了温度耦合效应和由于等截面梁在外力作用下发生弯曲变形对应变测量的影响，同时也提高了加速度测量精度。该传感器通过等截面梁的特点消除了旋转轴轴向振动和横向振动对扭振测量的干扰。附图说明图1是本专利技术实施例的立体图。图2是本专利技术实施例的力学分析示意图。图3是本专利技术实施例安装在旋转轴上时的立体图。图中：1-质量块；2-等截面梁；3-轴环；4-旋转轴；5-光纤光栅；6-底座；7-凸台。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。如图1所示，一种光纤光栅扭振传感器，包括用于与旋转轴4配合连接的轴环3、两个组合件、四个光纤光栅5和用于对四个光纤光栅5进行解调的解调仪(解调仪与光纤光栅5的尾纤部分连接，光纤光栅5通过光栅滑环接入不同的通道)；轴环3采用硬质金属材料且轴环3的外圆上设有两个凸台7，组合件包括等截面梁2以及分别位于截面梁2两端的底座6和质量块1，等截面梁2整体为细长状，等截面梁2的截面为细长状的矩形，两个组合件的底座6分别固定在两个凸台7上，两个组合件在一条直线上且过轴环3中心，四个光纤光栅5分别对称粘贴在两个组合件的等截面梁2的正反两面。在本实施例中，光纤光栅5采用环氧树脂AB密封胶封装。在本实施例中，底座6与凸台7通过螺钉固定。在本实施例中，轴环3与旋转轴4通过键连接。一种基于上述光纤光栅扭振传感器的扭振测量方法，包括步骤：S1、将轴环3安装在旋转轴4上，将四个光纤光栅5依次接入解调仪，在静态下进行加速度标定(加速度标定相当于传感装置的校零，如果静止时加速度信号不为零，需排查安装误差或者在信号处理时考虑初始误差，达到减小系统误差的目的)；S2、使旋转轴4旋转，当旋转轴4匀速运动时，等截面梁2处于平衡状态、不发生形变，当旋转轴4加减速时，旋转轴4发生扭转振动，质量块1对等截面梁2产生作用力使其弯曲，等截面梁2的弯曲引起四个光纤光栅5拉伸或压缩，使得光纤光栅5上应变发生改变、波长发生漂移，解调仪将信号采集解调后转换为实时旋转加速度，通过观测实时旋转加速度的往复波动，实现扭振的实时测量。通过调整等截面梁2的截面尺寸调整整个光纤光栅扭振传感器的灵敏度。该传感器利用惯性原理来测量扭转振动角加速度，结构简单、安装方便，引入光纤光栅5作为传感元件，具有抗电磁干扰、体积小、成本低等优点；该传感器采用了成对的光纤光栅5在同一等截面梁2两面对称分布，有效消除了温度耦合效应和由于等截面梁2在外力作用下发生弯曲变形对应变测量的影响，同时也提高了加速度测量精度。该传感器通过等截面梁2的特点消除了旋转轴轴向振动和横向振动对扭振测量的干扰。以下为本专利技术的测量原理。如图3所示，将光纤光栅扭振传感器安装在旋转轴4上，当旋转轴4匀速运动时，等截面梁2处于平衡状态、不发生形变，如图2所示，当旋转轴4加减速时，旋转轴4发生扭转振动，质量块1受到圆周方向的惯性力ma、竖向的重力mg、横向振动引起的方向随机的惯性力横向Fr、轴向振动引起的方向随机的轴向惯性力Fa，这些力的综合作用使得等截面梁2沿着X向(水平)弯曲、沿着Y向(竖向)拉伸、沿着轴向(Z向)弯曲。现设：εX、εY、εZ分别为光纤光栅5沿X、Y、Z向的应变；Δε1、Δε2、Δε3、Δε4分别为#1FBG(图2中1号光纤光栅，下同)、#2FBG(图2中2号光纤光栅，下同)、#3FBG(图2中3号光纤光栅，下同)、#4FBG(图2中4号光纤光栅，下同)的应变改变量；ε1、ε2、ε3、ε4分别为#1FBG、#2FBG、#3FBG、#4FBG的应变量；L1是光纤光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤光栅扭振传感器，其特征在于：包括用于与旋转轴配合连接的轴环、两个组合件、四个光纤光栅和用于对四个光纤光栅进行解调的解调仪；轴环采用硬质金属材料且轴环的外圆上设有两个凸台，组合件包括等截面梁以及分别位于截面梁两端的底座和质量块，等截面梁整体为细长状，等截面梁的截面为细长状的矩形，两个组合件的底座分别固定在两个凸台上，两个组合件在一条直线上且过轴环中心，四个光纤光栅分别对称粘贴在两个组合件的等截面梁的正反两面。

【技术特征摘要】
1.一种光纤光栅扭振传感器，其特征在于：包括用于与旋转轴配合连接的轴环、两个组合件、四个光纤光栅和用于对四个光纤光栅进行解调的解调仪；轴环采用硬质金属材料且轴环的外圆上设有两个凸台，组合件包括等截面梁以及分别位于截面梁两端的底座和质量块，等截面梁整体为细长状，等截面梁的截面为细长状的矩形，两个组合件的底座分别固定在两个凸台上，两个组合件在一条直线上且过轴环中心，四个光纤光栅分别对称粘贴在两个组合件的等截面梁的正反两面。2.如权利要求1所述的光纤光栅扭振传感器，其特征在于：光纤光栅采用环氧树脂AB密封胶封装。3.如权利要求1所述的光纤光栅扭振传感器，其特征在于：底座与凸台通过螺钉固定。4.如权利要求1所述的光纤光栅扭振传感器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓刚，邱越峰，蒋佩蓁，王凯，周汇洋，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42