本發(fā)明涉及扭轉(zhuǎn)振動傳感測量技術(shù)，尤其涉及基于光纖光柵的扭轉(zhuǎn)振動傳感器及扭轉(zhuǎn)振動測量方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的測量扭振的方法一般有兩種，接觸法和非接觸法。接觸法是將多個應(yīng)變片與軸線45°方向貼在軸上作為敏感元件，測量剪應(yīng)變隨時間的變化來反映扭振的變化，該方法具有較高的靈敏度和較寬的頻響范圍，但操作復(fù)雜耗時，信號傳輸難度較大，而且不能測量軸的剛體扭振。非接觸法一般是在軸上安裝齒輪、碼盤等等分結(jié)構(gòu)，利用位移傳感器測量等分結(jié)構(gòu)經(jīng)過測點的時間變化來反映扭振的變化，扭振信號存在于脈沖信號的相位中，要經(jīng)過鑒相器解調(diào)方可獲得。該方法要求軸上有嚴格的等分機構(gòu)，一般旋轉(zhuǎn)軸扭振信號微弱，信號的提取和分析工作十分復(fù)雜，難以保證準(zhǔn)確度。

光纖光柵具有體積小、重量輕、抗電磁干擾能力強、一線多點、無源多場等優(yōu)點，將其應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)機械扭振測量中將會帶來許多優(yōu)勢。目前，各種基于光纖光柵的振動測量的傳感器大量出現(xiàn)，也正說明了其應(yīng)用的潛力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于光纖光柵的扭轉(zhuǎn)振動傳感器及扭轉(zhuǎn)振動測量方法，能夠精確測量扭振角速度。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：一種基于光纖光柵的扭轉(zhuǎn)振動傳感器，其特征在于：它包括：

底座，用于與待測物體固定連接；

轉(zhuǎn)動裝置，用于與底座發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)動軸心與待測物體的轉(zhuǎn)動軸心在同一條直線上；

扭簧，扭簧的兩端分別與底座和轉(zhuǎn)動裝置連接，且扭簧的軸心與轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)動軸心相同；

殼體，套在所述的轉(zhuǎn)動裝置和扭簧之外，與所述的底座固定連接；以及

帶有光柵的光纖，光纖上設(shè)有分別與轉(zhuǎn)動裝置和殼體固定的固定點，固定點使得光柵懸置于殼體和轉(zhuǎn)動裝置之間。

按上述方案，所述的底座上設(shè)有空心軸，所述的扭簧套在空心軸上，所述的轉(zhuǎn)動裝置與空心軸嵌套連接。

按上述方案，所述的轉(zhuǎn)動裝置包括上下固定連接的轉(zhuǎn)動盤和彈簧內(nèi)套，扭簧一端的臂桿與彈簧內(nèi)套固定連接。

按上述方案，所述的彈簧內(nèi)套由第一連接盤和軸套構(gòu)成；第一連接盤上設(shè)有用于與所述的轉(zhuǎn)動盤連接的通孔，以及用于與扭簧固定連接的定位孔；軸套嵌套在所述的空心軸中。

按上述方案，所述的軸套為中空結(jié)構(gòu)。

按上述方案，所述的轉(zhuǎn)動盤由第二連接盤和凸起構(gòu)成；第二連接盤上設(shè)有用于與所述的彈簧內(nèi)套連接的螺紋孔；凸起位于轉(zhuǎn)動盤的中心，且凸起上設(shè)有用于固定光纖的凹槽。

按上述方案，所述的殼體包括中間殼和蓋子；中間殼上設(shè)有用于固定光纖的平臺，平臺與所述的凹槽位于同一平面；蓋子上設(shè)有供光纖引出的引出孔。

按上述方案，所述的凸起為圓柱體，所述的凹槽沿圓柱體的周向開設(shè)；所述的光柵為2個，2個光柵之間的光纖繞在所述的凹槽中并固定，且光纖繞出凹槽時與凹槽表面相切。

一種所述的基于光纖光柵的扭轉(zhuǎn)振動傳感器實現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)振動測量方法，其特征在于：將所述的基于光纖光柵的扭轉(zhuǎn)振動傳感器通過底座固定在待測旋轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)動軸心與待測旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動軸心在同一條直線上；待測旋轉(zhuǎn)軸的扭振角速度通過以下公式獲得：

式中，β為旋轉(zhuǎn)軸的扭振角速度，J為轉(zhuǎn)動盤的轉(zhuǎn)動慣量，D為扭簧中徑，n為扭簧圈數(shù)，E為扭簧材料的彈性模量，d為扭簧簧絲的直徑，r為凸起的半徑，l₀為光纖的有效長度，Δλ為光纖光柵波長漂移量，λ為光纖光柵波長，P_e為光纖的彈光系數(shù)。

按上述方法，所述的光柵為2個，

式中，Δλ₁和Δλ₂分別為2個光柵的波長漂移量。

本發(fā)明的工作原理為：將本發(fā)明裝置通過底座固定在待測旋轉(zhuǎn)軸上，并保證待測旋轉(zhuǎn)軸的軸心與本發(fā)明裝置的軸線重合，當(dāng)待測旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動時，即產(chǎn)生沿軸周向的角速度，轉(zhuǎn)動裝置在慣性力矩的作用下產(chǎn)生大小相等反向的角加速度，由于轉(zhuǎn)動裝置受到扭簧的阻礙力，發(fā)生微小的轉(zhuǎn)動，從而帶動一端固定在轉(zhuǎn)動裝置上的光纖拉伸或壓縮，由此建立起旋轉(zhuǎn)軸扭振角速度與光纖光柵波長漂移量之間的聯(lián)系。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明提供的扭簧、底座、轉(zhuǎn)動盤的組合，利用慣性原理測量扭振信號，與傳統(tǒng)的利用位移傳感器的測量方法不同，具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、性能穩(wěn)定、靈敏度高的優(yōu)點；利用扭簧作為阻尼，提高了傳感器的靈敏度。

2、將光纖繞在圓柱面上并對稱布置兩光柵，既能方便安裝光纖光柵，又能排除偶然因素如溫度、徑向振動對測量的干擾。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施例的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是彈簧內(nèi)套的正視圖。

圖3是彈簧內(nèi)套的剖面圖。

圖4是彈簧內(nèi)套的立體圖。

圖5是轉(zhuǎn)動盤的正視圖。

圖6是轉(zhuǎn)動盤的剖面圖。

圖7是轉(zhuǎn)動盤的立體圖。

圖8是光纖光柵的安裝布置圖。

圖中：1-底座，2-扭簧，3-彈簧內(nèi)套，4-轉(zhuǎn)動盤，5-中間殼，6-蓋子，7-連接螺釘，8-光纖，9-光柵，10-固定點，1-1-空心軸，3-1-第一連接盤，3-2-軸套，3-3-定位孔，3-4-通孔，3-5-空腔，4-1-第二連接盤，4-2-螺紋孔，4-3-凸起，4-4-凹槽，5-1-平臺。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實例和附圖對本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明提供一種基于光纖光柵的扭轉(zhuǎn)振動傳感器，如圖1至圖8所示，它包括：底座1，用于與待測物體固定連接；轉(zhuǎn)動裝置，用于與底座1發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)動軸心與待測物體的轉(zhuǎn)動軸心在同一條直線上；扭簧2，扭簧2的兩端分別與底座1和轉(zhuǎn)動裝置連接，且扭簧2的軸心與轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)動軸心相同；殼體，套在所述的轉(zhuǎn)動裝置和扭簧2之外，與所述的底座1固定連接；以及帶有光柵9的光纖8，光纖8上設(shè)有分別與轉(zhuǎn)動裝置和殼體固定的固定點10，固定點10使得光柵9懸置于殼體和轉(zhuǎn)動裝置之間。

進一步的，所述的底座1上設(shè)有空心軸1-1，所述的扭簧2套在空心軸1-1上，所述的轉(zhuǎn)動裝置與空心軸1-1嵌套連接。

進一步的，所述的轉(zhuǎn)動裝置包括上下固定連接的轉(zhuǎn)動盤4和彈簧內(nèi)套3，扭簧2一端的臂桿與彈簧內(nèi)套3固定連接。

再進一步的，所述的彈簧內(nèi)套3由第一連接盤3-1和軸套3-2構(gòu)成；第一連接盤3-1上設(shè)有用于與所述的轉(zhuǎn)動盤4連接的通孔3-4，以及用于與扭簧2固定連接的定位孔3-3；軸套3-2嵌套在所述的空心軸1-1中。

優(yōu)選的，所述的軸套3-2為中空結(jié)構(gòu)，軸套3-2中間設(shè)有空腔3-5。

再進一步的，所述的轉(zhuǎn)動盤4由第二連接盤4-1和凸起4-3構(gòu)成；第二連接盤4-1上設(shè)有用于與所述的彈簧內(nèi)套3連接的螺紋孔4-2；凸起4-3位于轉(zhuǎn)動盤4的中心，且凸起4-3上設(shè)有用于固定光纖的凹槽4-4。本實施例中，螺紋孔4-2與通孔3-4通過連接螺釘7連接，從而將轉(zhuǎn)動盤4和彈簧內(nèi)套3固定在一起。

進一步細化的，所述的殼體包括中間殼5和蓋子6；中間殼5上設(shè)有用于固定光纖8的平臺5-1，平臺5-1與所述的凹槽4-4位于同一平面；蓋子6上設(shè)有供光纖8引出的引出孔。

進一步細化的，所述的凸起4-3為圓柱體，所述的凹槽4-4沿圓柱體的周向開設(shè)；所述的光柵9為2個，2個光柵9之間的光纖8繞在所述的凹槽4-4中并固定，且光纖8繞出凹槽4-4時與凹槽4-4表面相切。

本實施例中，底座1上的空心軸1-1作為扭簧2的芯軸，其外表面與扭簧2內(nèi)圈留有微小間隙，所述的轉(zhuǎn)動盤4通過連接螺釘7與彈簧內(nèi)套3連接在一起，光纖8沿著凹槽4-4粘貼固定在轉(zhuǎn)動盤4的圓柱形的凸起4-3上，另一粘貼固定端在中間殼5上環(huán)狀的平臺5-1上，光柵9在兩固定端中間懸置，光纖8經(jīng)過蓋子6上的引出孔引出。扭簧2兩端的臂桿與底座1和彈簧內(nèi)套3上的孔的配合為間隙配合，以盡可能保證扭簧2中軸線與空心軸1-1軸線重合，之后用膠粘固定。軸套3-2的外表面與空心軸1-1內(nèi)表面是動配合，兩表面光滑并有微小的間隙，可在保證同軸度要求的同時，微量相對轉(zhuǎn)動不受干擾。2個光柵9之間的光纖8的一部分膠粘固定在凹槽4-4內(nèi)，光纖8繞出凹槽4-4時要與凹槽4-4表面相切。

一種所述的基于光纖光柵的扭轉(zhuǎn)振動傳感器實現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)振動測量方法：將所述的基于光纖光柵的扭轉(zhuǎn)振動傳感器通過底座1固定在待測旋轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)動軸心與待測旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動軸心在同一條直線上；待測旋轉(zhuǎn)軸的扭振角速度通過以下公式獲得：

式中，β為旋轉(zhuǎn)軸的扭振角速度，J為轉(zhuǎn)動盤的轉(zhuǎn)動慣量，D為扭簧中徑，n為扭簧圈數(shù)，E為扭簧材料的彈性模量，d為扭簧簧絲的直徑，r為凸起的半徑，l₀為光纖的有效長度，Δλ為光纖光柵波長漂移量，λ為光纖光柵波長，P_e為光纖的彈光系數(shù)。

優(yōu)選的，所述的光柵為2個，

式中，Δλ₁和Δλ₂分別為2個光柵的波長漂移量。

當(dāng)待測旋轉(zhuǎn)軸有扭轉(zhuǎn)振動時，轉(zhuǎn)動盤4和彈簧內(nèi)套3受到周向的慣性力矩M的作用會繞著中心軸線轉(zhuǎn)動，由于同時會受到與彈簧內(nèi)套3上端相連的扭簧2的阻礙作用，使得發(fā)生微小的轉(zhuǎn)動。

對于扭簧2來說，受到扭轉(zhuǎn)力矩

T＝M＝Jβ (1)，

J為轉(zhuǎn)動盤的轉(zhuǎn)動慣量，β為旋轉(zhuǎn)軸的扭振角速度。

轉(zhuǎn)動盤4的轉(zhuǎn)角即扭簧2的扭轉(zhuǎn)角

D為扭簧中徑，n為扭簧圈數(shù)，E為扭簧材料的彈性模量(Mpa)，I扭簧簧絲截面軸慣性矩，式中d為扭簧簧絲的直徑。

轉(zhuǎn)動盤上的凸起4-3轉(zhuǎn)動，使得兩段光纖光柵分別拉伸和壓縮。

對于光纖光柵來說，拉伸或壓縮長度Δl為

光柵應(yīng)變?yōu)?/p>

r為凸起4-3的半徑，l₀為光纖的有效長度。

根據(jù)光纖光柵波長漂移量Δλ與應(yīng)變ε的關(guān)系式

Δλ＝(1-P_e)λε

可得

將(1)、(2)、(3)聯(lián)立得靈敏度

式中，β為旋轉(zhuǎn)軸的扭振角速度。

本實施例中布置了兩個光柵9，可實現(xiàn)差動測量排除偶然因素如溫度、徑向振動的干擾，即：

Δλ₁和Δλ₂分別為2個光柵的波長漂移量。

結(jié)合上面的式子可得到由光纖光柵波長變化量計算扭振角速度的公式：

以上實施例僅用于說明本發(fā)明的設(shè)計思想和特點，其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，本發(fā)明的保護范圍不限于上述實施例。所以，凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設(shè)計思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。