新型光纖扭矩測量方法

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1、第33卷第2期光電工程Vo1．33，No．22006年2月Opto—ElectronicEngineeringFeb，2006文章編號：1003—50IX(2006)02一O11l-04新型光纖扭矩測量方法謝平，劉彬，王霄，林洪彬(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北秦皇島066004)摘要：提出了利用光纖微彎損耗測量相對扭轉(zhuǎn)角的原理，并建立了雙向可測纏繞式光纖扭矩測量的理論模型，可以實現(xiàn)扭矩的實時動態(tài)測量。同時，提出了數(shù)字式無線信號傳輸?shù)脑O(shè)計方案，可以解決旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)扭矩測量的信號傳輸問題。實驗表明，在±50。的相對扭轉(zhuǎn)角測量范圍內(nèi)，實現(xiàn)了靈敏度為O．383dB

2、／1。的雙向測量；動態(tài)測試條件下，測量精度在O．5％±0．22％之內(nèi)關(guān)鍵詞：光纖傳感器；扭矩測量；相對扭轉(zhuǎn)角；無線傳輸中圖分類號：TN247文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ANovelfibertorquemeasurementXIEPing，LIUBin，WANGXiao，LINHong-bin(CollegeofElectronicEngineering,YanshanUniversity，Qinhuangdao066004，China)Abstract：Inthispaperweproposedtheprincipleofrelativetorsionalangl

3、emeasurementbasedonmicrobendofopticalfiber,andestablishedthetheoreticalmodelofbidirectionaltwistedtorquemeasurement，whichcouldrealizethetorquereal-timedynamicmeasuring．Atthesametime，wedesignedthewirelesstransmissionschemefordigitalsignaltransmitting，andsolvedthetransmissionprob

4、lemofthetorquemeasurementinrotatingsystems．Experimentindicatesthatthesensitivity0．383dB／1。isrealizedintherangeoftherelativetorsionalanglebetween一50。and+50。．a(chǎn)ndmeasurementaccuracyis0．5％土0．22％indynamictestingcondition．Keywords：Opticalfibersensor；Torquemeasurement；Relativetorsiona

5、lang!e；Wirelesstransmission引言扭矩測試是各種機械產(chǎn)品開發(fā)研究、質(zhì)量檢測、安全和優(yōu)化控制等工作中必不可少的內(nèi)容。扭矩測試的方法多種多樣，有傳統(tǒng)的應(yīng)變片法、各種光學(xué)、光電子學(xué)、磁學(xué)、電磁學(xué)等方法lJJ。但由于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)工作中的振動、空間的粉塵、噪聲等惡劣因素，以及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)特性，對敏感元件的保護、能量和信號的傳輸便成為制約扭矩測量的重要問題。光纖傳感器具有技術(shù)先進、可靠性高、適應(yīng)性強、價格便宜等優(yōu)點。已被廣泛地應(yīng)用于光傳感領(lǐng)域『4】。本文利用光纖微彎原理實現(xiàn)了扭矩測量，光纖微彎器是一種內(nèi)強度調(diào)制器，其結(jié)構(gòu)中光纖的光路是完全密

6、封的，具有高靈敏度、抗電磁干擾、耐腐蝕、防爆及不干擾被測現(xiàn)場等特點，更適合在腐蝕性介質(zhì)及污染等惡劣環(huán)境下進行測量。因此。本文針對扭矩的動態(tài)實時測量問題，基于光纖微彎測量相對扭轉(zhuǎn)角的原理，建立了雙向可測纏繞式光纖扭矩測量的理論模型。另外，提出了利用高頻無線感應(yīng)電源、數(shù)字式無線信號傳輸電路和環(huán)形泄漏縫隙天線陣解決能量和信號的傳輸問題的系統(tǒng)實現(xiàn)方案，給出了新型的扭矩測量方法。收稿日期：2005-01—20，收到修改稿日期：2005-10-10基金項目；河北省科技攻關(guān)項目(02212106D)．河北省教育廳科研項目(2003115，Z2004311)作者簡介

7、：謝平(1972-)，女(漢族)．黑龍江齊齊哈爾人。副教授，博士，主要從事機械叁tI-BI試與分析、光學(xué)儀器設(shè)計等研究。E—mail：pingx@ysueducnl12光電工程第33卷第2期1測量理論多模光纖測扭矩的原理如圖1(a)所示，其剪應(yīng)變分析如圖l(b)所示。本文采用純轉(zhuǎn)動假設(shè)對轉(zhuǎn)軸進行扭轉(zhuǎn)應(yīng)變分析。純轉(zhuǎn)動指彈性轉(zhuǎn)軸在某段內(nèi)受扭矩M作用時，始終滿足“平面假定”，即轉(zhuǎn)軸的截面在形變前后仍為平面，且任意兩個截面之間的長度保持不變圖中為長度為￡，直徑為D的均質(zhì)圓形轉(zhuǎn)軸。長度為，，直徑為d(<

8、上；多模光纖(MMF)則以一定的預(yù)應(yīng)力沿與轉(zhuǎn)軸O0呈角等螺距與金屬絲反向纏繞，光纖環(huán)的兩端用特種膠剛性粘貼，