CN107576429A - 一种基于光纤光栅的扭矩传感器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤光栅的扭矩传感器装置，包括光纤光栅以及同轴心的输入轴、扭杆和输出轴，扭杆的两端通过花键分别与输入轴和输出轴连接，输入轴一端设有关于轴心对称的部分环状凸起，输出轴一端外圆表面设有凹槽，光纤呈直线张紧且与输出轴相切，光纤两端固定在部分环状凸起上、中间固定在凹槽上，三个光纤固定点之间均布有两个悬置的光栅，尾纤紧贴并沿着输入轴的表面引出、再接到旋转连接器上。该装置将相对扭转角转化为光纤的拉伸或压缩的变形量，通过测量光纤光栅的波长漂移量即可获得扭矩的大小，测量简单易行，具有抗电磁干扰和温度补偿的功能，灵敏度都具高，信号稳定。
Description
技术领域
本发明属于扭矩测量领域，具体涉及一种基于光纤光栅的扭矩传感器装置。
背景技术
目前，对于旋转轴的扭矩测量主要有应变片式、光电式、磁电式、磁弹性式等几种方法。应变片式的传感器是将应变桥路直接粘贴在轴上测量轴的扭转变形换算得到扭矩，通过有线或无线传输获得扭矩信号；光电式传感器将光电元件安装在轴上，当轴受力时，引起光电元件接收的光强发生改变，光电元件(如光栅，光电三极管的组合)把从光源处得到的光强度变化转换成输出脉冲电流的变化来达到扭矩的目的；磁电式则是依据电磁感应原理，通过装置将轴的扭转变形转化为衔铁的微位移，进而引起次级感应线圈的感生电动势，由此可获得扭矩信号；磁弹性式是利用铁磁物质的压磁效应来测量的，某些铁磁物质在外界机械力的作用下，内部产生应力，从而引起磁导率的变化，通过带线圈的磁头与铁磁材料的传动轴构成磁路来测量轴的磁阻变化，进而获得扭矩变化的信号。
对于传统的应变片测量方法，应变片粘贴在轴的表面，当轴扭转变形时，传递到应变片各处的应变并不相等，会使得测量信号波动和不稳定，在实际中，由于要排除轴上零件的重力等横向力使轴产生的弯曲应变，在轴上对称粘贴多个应变片实现差分，无疑会进一步增加信号的不稳定性，光电式测量法对光电元件的精密度要求比较高，而磁电式和磁弹性式测量法则容易受到电磁干扰，影响测量的稳定性和准确性，磁弹性式测量法只能适用于铁磁材料的旋转轴。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光纤光栅的扭矩传感器装置，该装置将相对扭转角转化为光纤的拉伸或压缩的变形量，通过测量光纤光栅的波长漂移量即可获得扭矩的大小，测量简单易行，具有抗电磁干扰和温度补偿的功能，灵敏度都具高，信号稳定。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于光纤光栅的扭矩传感器装置，包括光纤光栅以及同轴心的输入轴、扭杆和输出轴，扭杆的两端通过花键分别与输入轴和输出轴连接，输入轴一端设有关于轴心对称的部分环状凸起，输出轴一端外圆表面设有凹槽，光纤呈直线张紧且与输出轴相切，光纤两端固定在部分环状凸起上、中间固定在凹槽上，三个光纤固定点之间均布有两个悬置的光栅，尾纤紧贴并沿着输入轴的表面引出、再接到旋转连接器上。
进一步地，扭杆中间的主体部分的横截面为等直径圆。
进一步地，部分环状凸起的光纤固定面与输出轴的外圆表面相切。
进一步地，输入轴与转动***的动力端相连接，输出轴与转动***的负载端相连接。
本发明的有益效果是：
通过输入轴输入扭矩，再由输出轴输出，扭杆在扭矩的作用下发生扭转变形，扭杆的两端的相对扭转角和扭矩的大小存在一定的关系，将光纤光栅粘贴固定在输入轴和输出轴上，将其相对扭转角转化为光纤的拉伸或压缩的变形量，通过测量光纤光栅的波长漂移量即可获得扭矩的大小，测量简单易行，具有抗电磁干扰和温度补偿的功能，输出轴末端直径和双光栅测量对测量的灵敏度都具有放大作用，使得装置的总体灵敏度很高，悬置的光栅受到是单一的应变，可以避免粘贴应变片式测量方法所容易出现的啁啾现象和信号不稳定现象。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例外部示意图。
图3是图2的A-A剖面示意图。
图4是本发明实施例中扭杆的扭转变形原理图。
图中：1-输入轴；2-扭杆；3-输出轴；4-尾纤；5-光纤光栅；6-胶。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。
如图1至图3所示，一种基于光纤光栅5的扭矩传感器装置，包括光纤光栅5以及同轴心的输入轴1、扭杆2和输出轴3，扭杆2的两端通过花键分别与输入轴1和输出轴3连接，输入轴1一端设有关于轴心对称的部分环状凸起，输出轴3一端外圆表面设有凹槽，光纤呈直线张紧且与输出轴3相切，光纤两端通过胶6固定在部分环状凸起上、中间通过胶6固定在凹槽上，三个光纤固定点之间均布有两个悬置的光栅，尾纤4紧贴并沿着输入轴1的表面引出、再接到旋转连接器上。
通过输入轴1输入扭矩，再由输出轴3输出，扭杆2在扭矩的作用下发生扭转变形，扭杆2的两端的相对扭转角和扭矩的大小存在一定的关系，将光纤光栅5粘贴固定在输入轴1和输出轴3上，将其相对扭转角转化为光纤的拉伸或压缩的变形量，通过测量光纤光栅5的波长漂移量即可获得扭矩的大小，测量简单易行，具有抗电磁干扰和温度补偿的功能，输出轴3末端直径和双光栅测量对测量的灵敏度都具有放大作用，使得装置的总体灵敏度很高，悬置的光栅受到是单一的应变，可以避免粘贴应变片式测量方法所容易出现的啁啾现象和信号不稳定现象。
如图1和图3所示，在本实施例中，扭杆2中间的主体部分的横截面为等直径圆(扭杆2为纯扭轴或承受弯矩不大的轴)。
在本实施例中，部分环状凸起的光纤固定面与输出轴3的外圆表面相切。输入轴1与转动***的动力端相连接，输出轴3与转动***的负载端相连接。
本发明的测量原理如下：
当输入端和输出端有扭矩T时，扭杆2在扭矩的作用下发生扭转变形，参见图4所示，扭杆2两端的相对扭转角θ为：
其中，L为扭杆2的有效长度，G为扭杆2材料的切变模量，Ip为扭杆2圆形横截面对圆心的极惯性矩，且D为扭杆2的圆形横截面的直径。
则#1FBG(一号光栅，下同)和#2FBG(二号光栅，下同)所在的光纤段分别拉伸或压缩Δl为：
Δl＝Rθ (2)
其中，R为输出轴3端部的半径。
#1FBG和#2FBG应变分别别增加或减小改变量Δε为：
其中，l0为输入轴1部分环状凸起上光纤固定点和输出轴3上光纤固定点之间的光纤的长度。
#1FBG和#2FBG的初始应变均为ε0，扭杆2发生扭转变形后，#1FBG的应变ε1和#2FBG的应变ε2分别为：
根据光纤光栅5的波长漂移量公式：
其中，λ为光纤光栅的中心波长、Δλ为光纤光栅的波长漂移量、Pe为光纤的弹光系数、αf为光纤的热膨胀系数、ξf为光纤的热光系数、Δt为温度改变量，可得：
两式相减可得：
结合(1)(2)(3)(7)可得：
通过(8)式可以根据波长漂移量对扭矩进行实时检测。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于光纤光栅的扭矩传感器装置，其特征在于：包括光纤光栅以及同轴心的输入轴、扭杆和输出轴，扭杆的两端通过花键分别与输入轴和输出轴连接，输入轴一端设有关于轴心对称的部分环状凸起，输出轴一端外圆表面设有凹槽，光纤呈直线张紧且与输出轴相切，光纤两端固定在部分环状凸起上、中间固定在凹槽上，三个光纤固定点之间均布有两个悬置的光栅，尾纤紧贴并沿着输入轴的表面引出、再接到旋转连接器上。
2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的扭矩传感器装置，其特征在于：扭杆中间的主体部分的横截面为等直径圆。
3.如权利要求1所述的基于光纤光栅的扭矩传感器装置，其特征在于：部分环状凸起的光纤固定面与输出轴的外圆表面相切。
4.如权利要求1所述的基于光纤光栅的扭矩传感器装置，其特征在于：输入轴与转动***的动力端相连接，输出轴与转动***的负载端相连接。
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| CN201710711036.4A CN107576429A (zh) | 2017-08-14 | 2017-08-14 | 一种基于光纤光栅的扭矩传感器装置 |
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Publications (1)
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| CN107576429A true CN107576429A (zh) | 2018-01-12 |
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|---|---|
| CN (1) | CN107576429A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110057480A (zh) * | 2019-05-21 | 2019-07-26 | 衢州学院 | 一种叉型共轭结构的光纤光栅扭矩传感器及其安装方法 |
| CN110954291A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-04-03 | 中国科学院力学研究所 | 一种装配式高精度光纤光栅摩阻天平 |
| CN114295268A (zh) * | 2022-01-04 | 2022-04-08 | 中国船舶重工集团公司第七0四研究所 | 一种适用于强电磁环境的光纤光栅旋转扭矩测量*** |
| CN116817797A (zh) * | 2023-07-01 | 2023-09-29 | 中国矿业大学 | 一种光纤光栅曲率传感器的扭转补偿***和补偿方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101191751A (zh) * | 2007-12-13 | 2008-06-04 | 北京理工大学 | 一种扭矩光纤传感器 |
| CN102162816A (zh) * | 2010-12-10 | 2011-08-24 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 一种扭转式光纤加速度传感器 |
| CN104330046A (zh) * | 2014-11-13 | 2015-02-04 | 中国船舶重工集团公司第七0四研究所 | 适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构 |
| CN105698695A (zh) * | 2016-03-25 | 2016-06-22 | 武汉理工大学 | 基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置及方法 |
| WO2016096375A1 (de) * | 2014-12-18 | 2016-06-23 | Robert Bosch Gmbh | Vorrichtung umfassend einen injektor und einen sensor |
| CN105784219A (zh) * | 2015-12-17 | 2016-07-20 | 北京希卓信息技术有限公司 | 一种扭矩传感器及其测试*** |
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2017
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101191751A (zh) * | 2007-12-13 | 2008-06-04 | 北京理工大学 | 一种扭矩光纤传感器 |
| CN102162816A (zh) * | 2010-12-10 | 2011-08-24 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 一种扭转式光纤加速度传感器 |
| CN104330046A (zh) * | 2014-11-13 | 2015-02-04 | 中国船舶重工集团公司第七0四研究所 | 适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构 |
| WO2016096375A1 (de) * | 2014-12-18 | 2016-06-23 | Robert Bosch Gmbh | Vorrichtung umfassend einen injektor und einen sensor |
| CN105784219A (zh) * | 2015-12-17 | 2016-07-20 | 北京希卓信息技术有限公司 | 一种扭矩传感器及其测试*** |
| CN105698695A (zh) * | 2016-03-25 | 2016-06-22 | 武汉理工大学 | 基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置及方法 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110057480A (zh) * | 2019-05-21 | 2019-07-26 | 衢州学院 | 一种叉型共轭结构的光纤光栅扭矩传感器及其安装方法 |
| CN110057480B (zh) * | 2019-05-21 | 2024-02-06 | 衢州学院 | 一种叉型共轭结构的光纤光栅扭矩传感器及其安装方法 |
| CN110954291A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-04-03 | 中国科学院力学研究所 | 一种装配式高精度光纤光栅摩阻天平 |
| CN114295268A (zh) * | 2022-01-04 | 2022-04-08 | 中国船舶重工集团公司第七0四研究所 | 一种适用于强电磁环境的光纤光栅旋转扭矩测量*** |
| CN114295268B (zh) * | 2022-01-04 | 2024-06-04 | 中国船舶重工集团公司第七0四研究所 | 一种适用于强电磁环境的光纤光栅旋转扭矩测量*** |
| CN116817797A (zh) * | 2023-07-01 | 2023-09-29 | 中国矿业大学 | 一种光纤光栅曲率传感器的扭转补偿***和补偿方法 |
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