一种光纤光栅扭矩实时测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术涉及光纤光栅传感领域，具体利用光纤光栅对扭矩进行实时测量的系统及测量方法。一种光纤光栅扭矩实时测量系统，包括：固定端、传感轴、光纤光栅、摩擦轮，传动轴，压力调整弹簧，测试机构，输入轴；传感轴一端与固定端连接，另一端通过摩擦轮与传动轴连接；光纤光栅固定于传感轴上；传动轴的另一端与压力调整弹簧相连，与输入轴传动连接；输入轴与测试机构连接。本发明专利技术的光纤光栅扭矩实时测量系统及测量方法，具有的优点是：测量结果可靠、应用范围广、实施简单、操作方便。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤光栅扭矩实时测量系统及测量方法
本专利技术涉及光纤光栅传感领域，具体利用光纤光栅对扭矩进行实时测量的系统及测量方法。技术背景扭矩测量是电机试验及应用监控中一个重要的参数，尤其在电机效率评价过程中作为一个不可或缺的参数被测量。电机扭矩的准确性直接关系到电机效率的评价，而对电机扭矩实时进行测量关系到电机使用过程中的过载及故障诊断等，通过电机扭矩的实时测量可对电机的运行状态进行动态评估，因此对电机扭矩信息进行实时监控具有广泛的适用价值。现阶段测量电机扭矩的方法主要为应变电桥测技术，通过向应变电桥提供工作电源，测试该弹性轴在扭矩变化中的电信号变化反推得到扭矩值。此方法弊端在于，所测形变受测扭应变片精度限制，测量精度有限制。另外，由于应变电桥需要供电，在对电流敏感的工作环境中，往往会对测量或实际机构工作产生影响。光纤光栅在应变测量领域有着很好的前景，其原因在于光纤光栅可以将微弱的形变转化为明显的波长变化，其形变测量精度可以达到微米量级甚至纳米量级。这样的特性意味着光纤光栅所制成的传感器可以比传统的压电传感器更加精确，应用价值更加广泛。此外，光纤光栅在测量扭矩的过程中不需要供电，排除了电流对测量或实际机构工作产生的影响。然而，光纤光栅在力矩测量上也有需要解决的问题。首先，光纤光栅必须连接在连续的光纤上，因此在进行电机轴连续力矩测量时会产生缠线的问题。此外，由于光纤光栅在力矩测量上的敏感性，细微的形变量都会导致最后测量数据上的误差。实验误差的主要影响因素包括重力对光纤光栅形变的影响，非对称力矩对光纤光栅形变的影响以及光纤光栅粘贴方式对形变的影响。同时，光纤光栅对外界温度变化较为敏感，会产生温度与扭矩测量交叉敏感现象。因此，光纤光栅应用于力矩传感，需要一种可靠的结构来保证动态力矩测量的连续性、准确性和可行性。光纤光栅对外界温度变化较为敏感，消除扭矩传感光栅温度与扭矩交叉敏感现象，是现有技术需要解决的难题。
技术实现思路
为了减小光纤光栅扭矩传感轴测量上的误差干扰，本专利技术提出了一种光纤光栅扭矩实时测量系统，可以消除环境电磁干扰对测量的影响，有效减少重力、非对称力以及光纤光栅粘贴方式导致的测量误差，并可连续测量输入扭矩大小。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：一种光纤光栅扭矩实时测量系统，包括：固定端、传感轴、光纤光栅、摩擦轮，传动轴，压力调整弹簧，测试机构，输入轴；传感轴一端与固定端连接，另一端通过摩擦轮与传动轴连接；光纤光栅固定于传感轴上；传动轴的另一端与压力调整弹簧相连，与输入轴传动连接；输入轴与测试机构连接。进一步的，所述的光纤光栅包括两种具有不同布拉格波长的光纤光栅，一种用于测试扭矩，另一种用于温度补偿，两种光纤光栅上下一组设置在传感轴上。进一步优选的，所述两种光纤光栅相对于传感轴对称地沿45°和-45°方向附着在传感轴表面上，两种光栅的其中一端在传感轴上呈90°夹角并与传感轴中心重合。进一步优选的，两种光纤光栅在传感轴上的数量为一组多个，或多组多个。进一步优选的，每组光纤光栅的尾端通过光纤法兰与高速光纤光栅解调仪相连，所述解调仪的波长解调速度可达到35KHz。进一步的，为了解决重力对光纤光栅测量精度带来的影响，在所述传感轴及传动轴的下方设有支撑滚轮，用于支撑传感轴及传动轴，以避免由于棒材一端固定另一端悬空，致使传感轴悬空侧受重力作用产生变形，从而避免粘接的光纤光栅由于重力变形产生的波长误差。作为本专利技术的一种优选方式，所述传感轴的材料可以是AL6061，Al6063或亚克力等。作为本专利技术的一种优选方式，所述传感轴的形状可以是实心棒材，也可以是均匀的空心棒材。本专利技术的光纤光栅电机扭矩实时测量系统，还包括力矩传感器，所述力矩传感器与输入轴连接，用于初始标定。为了解决本专利技术的技术问题，本专利技术还提供一种光纤光栅扭矩实时测量方法，该方法包括以下步骤：输入轴一端通过测试机构施加扭矩，另一端连接力矩传感器，通过力矩传感器得到实际扭矩值，与对应产生的波长变化进行对比；测试机构改变施加的扭矩值，每次稳定后测量光纤光栅形变后波长，并对比原波长，记录各组光纤光栅差值的平均值；多次测量后，画出波长差值和施加力矩的关系曲线，获得全测量范围的对应关系，完成标定；将传感轴与测试机构连接，传感轴上的光纤光栅通过光纤与高速光纤光栅解调仪连接，并输出光纤光栅的实时波长信息，通过软件对波长信息与扭矩信息的实时转换得到测试机构的实时扭矩信息。与现有技术相比，本专利技术的光纤光栅扭矩实时测量系统及测量方法，具有的优点如下：1、测量结果可靠。本测量系统采用光纤采集和传输信号，可有效抑制工业现场的强电磁干扰，原理上保障测量的准确性。光纤光栅力矩传感方法与结构，可有效减小重力、非对称力以及光纤光栅粘贴方式导致的测量误差；2、实施简单，操作方便。此光纤光栅力矩传感的结构可布置于紧凑小型的传感器中，对环境的要求较小。组装简便，便于维修和重复测量；3、应用范围广。此光纤光栅力矩传感测量系统不局限于电机扭矩实时测量，也可用于其他驱动结构的扭矩测试和峰值扭矩测量，如机器人手臂，重要机械部件等。通过传感轴尺寸结构上的调整可实现不同大小扭矩的测量。此外，也可以在不影响机构正常工作的情况下进行连续实时测量。附图说明图1是一种光纤光栅电机扭矩实时测量系统的结构示意图；图2为专利技术的棒材形变仿真图；图3为实施例中标定步骤中得到的传感轴的扭矩变化曲线；图4为实施例中实时测量电机旋转过程中轴向的扭矩系统实验原理图；图5为实施例中测量得到的电机实时扭矩。图中：1.固定端，2.传感轴，3.扭矩测试光纤光栅，4.温度补偿光纤光栅，5.支撑滑轮，6.摩擦轮，7.传动轴，8.传动轴皮带轮，9.压力调整弹簧，10.皮带，11.测试电机，12.输入轴，13.输入轴带轮，14.力矩传感器。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的一种光纤光栅扭矩实时测量系统及方法作详细的阐述。实施例1一种光纤光栅电机扭矩实时测量系统，如图1所示，主要包括以下结构：固定端1、传感轴2、扭矩测试光纤光栅3、温度补偿光纤光栅4、支撑滑轮5、摩擦轮6、传动轴7、传动轴皮带轮8、压力调整弹簧9、皮带10、测试电机11、输入轴12、输入轴带轮13和力矩传感器14。传感轴2的一端与固定端1固定，另一端通过摩擦轮6与传动轴7连接。扭矩测试光纤光栅3和温度补偿光纤光栅4固定于传感轴2上，彼此垂直分布。传动轴7另一端与压力调整弹簧9相连，传动轴7上安装有皮带轮8，输入轴12上安装有输入轴带轮13，输入轴12与测试电机11连接。传动轴7由输入轴12通过皮带10驱动。传动方式不限于皮带传动，也可以是齿轮传动，蜗轮蜗杆传动或其他有效的传动方式。传动轴7与输入轴12平行但不同轴，不影响输入轴12连接其他机构进行正常工作。传动比例可根据实际需求进行力矩比例放大或力矩比例缩小。力矩传感器14只本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤光栅扭矩实时测量系统，其特征在于，包括：固定端、传感轴、光纤光栅、摩擦轮，传动轴，压力调整弹簧，测试机构，输入轴；传感轴一端与固定端连接，另一端通过摩擦轮与传动轴连接；光纤光栅固定于传感轴上；传动轴的另一端与压力调整弹簧相连，与输入轴传动连接；输入轴与测试机构连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种光纤光栅扭矩实时测量系统，其特征在于，包括：固定端、传感轴、光纤光栅、摩擦轮，传动轴，压力调整弹簧，测试机构，输入轴；传感轴一端与固定端连接，另一端通过摩擦轮与传动轴连接；光纤光栅固定于传感轴上；传动轴的另一端与压力调整弹簧相连，与输入轴传动连接；输入轴与测试机构连接。


2.根据权利要求1所述的光纤光栅扭矩实时测量系统，其特征在于，所述的光纤光栅包括两种具有不同布拉格波长的光纤光栅，一种用于测试扭矩，另一种用于温度补偿，两种光纤光栅上下一组设置在传感轴上。


3.根据权利要求2所述的光纤光栅扭矩实时测量系统，其特征在于，所述两种光纤光栅相对于传感轴对称地沿45°和-45°方向附着在传感轴表面上，两种光栅的其中一端在传感轴上呈90°夹角并与传感轴中心重合。


4.根据权利要求3所述的光纤光栅扭矩实时测量系统，其特征在于，两种光纤光栅在传感轴上的数量为一组多个，或多组多个；每组光纤光栅的尾端通过光纤法兰与高速光纤光栅解调仪相连。


5.根据权利要求1-4任一项所述的光纤光栅扭矩实时测量系统，其特征在于，在所述传感轴及传动轴的下方设有支撑轮，用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘平安，尹伊，王勇，霍明明，
申请(专利权)人：山东省科学院激光研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37