一种基于光纤光栅的双月牙弧轮辐式扭矩传感器.pdf

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1、第36卷第3期世界科技研究与发展V01．36No．32014年6月231—235页WORLDSCI-TECHR&DJun．2014PP．231—235一种基于光纤光栅的双月牙弧轮辐式扭矩传感器樊星赵美蓉黄银国付胜楠(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072)摘要：设计了一种量程为100Nm的轮辐式光纤光栅扭矩传感器。该传感器的弹性元件采用轮辐式，并创新地采用双月牙弧形状的辐条结构，大大提高了弹性元件的应变灵敏度。在有限元仿真的基础上，以变形量最大为目标函数。对弹性元件的几何尺寸进行了优化设计。通过仿真和实验验证

2、，该弹性元件的应变量与光纤光栅反射光中心波长的偏移量成线性关系，这种新型轮辐的应变灵敏度比传统轮辐提高近一倍，为18pm／Nm，重复性误差为±1％。关键词：轮辐式；光纤光栅；扭矩；应变；仿真；双月牙弧形中图分类号：TH823文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1006—6055．2014．03．004ADoubleCrescent-shapedSpokeTypeTorqueSensorBasedonFiberBraggGrating．FANXingZHAOMeirongHUANGYinguoFUShengnan(

3、StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnology&Instruments，TianjinUniversity，Tianjin300072)Abstract：FiberBragggratingtorquesensorwitharangeof100Nmisdesigned．Spokeisusedaselasticelement．Thesensi—tivityoftheelasticelementisgreatlyimprovedbyinnovativeuseofdoublecresce

4、nt—shapedspokesstructure．Inordertomaximumtorsionaldeformation，thegeometriesoftheelasticelementareoptimizeddesignedbyfiniteelement．ThestrainoftheelasticelementandtheoffsetoffiberBragggratingcenterwavelengthshiftateinalinearrelationshipbysimulationandexperimentalverifi

5、cation．Thenewspokesensitivityisnearlydoubleincreasedfromtheoriginalspokes，as18pm／Nm．Re-peatabilityerroris±1％．Keywords：spoke；fiberbragggrating；torque；strain；simulation；doublecrescent—shaped便于光纤光栅的精确粘贴，改进了传统轮辐结构，对1引言新型双月牙弧形轮辐尺寸进行了优化设计，使之与目前，国内外研究的扭矩测量技术形式多光纤光栅有效结合，构建了基

6、于光纤光栅的新型轮样⋯，应用较广泛的是电类、磁类扭矩传感器J，如辐式扭矩传感系统，以便为研究非电的、适合于船用电阻应变片、电容式扭矩传感器。光纤光栅较传统环境的大量程光纤光栅扭矩传感器奠定基础。电、磁类传感器具有许多突出优势：灵敏度高、可靠2轮辐式光纤光栅扭矩测量原理性高、抗电磁干扰能力强等J，特别是在水中或高湿等特殊环境下，可以实现精确测量。轮辐式扭矩传感器的弹性元件是由四根辐条、对于光纤光栅用于扭矩测量，曾有研究报导，即内轮毂、外轮毂构成的，相邻辐条之间的夹角为将光纤光栅替代应变片粘贴在弹性轴上，实现从力90。，每根辐条的两

7、端分别与内轮毂和外轮毂相连信号到光信号的转换。其不足之处在于：弹性轴的接，如图1a所示。圆柱形表面不利于光纤光栅的粘贴J，会严重影响若将光纤光栅对称地粘贴在每根辐条与轮辐轴粘贴质量和精确测量；弹性轴的最大受力(拉应力向平行的上、下表面，当弹性体受到扭矩的作用与压应力)方向与轴心线成45。，粘贴过程中很难保时，辐条的弯曲变形使光纤光栅产生应变(如图证粘贴角度的准确性，极易造成粘贴偏差。1b)，其反射中心波长发生变化，即：为了提高光纤光栅粘贴部位的应变灵敏度，且M=△A)(1)式中，——对弹性体施加的扭矩(Nm)；AAB——光纤光栅

8、中心波长变化量(nm)。2013．10-31收稿。2013—12-05接受通讯作者，E-mail：hyg@edu~．tju．cn；Tel：13752572678光纤光栅中心波长变化量△A与△应变的关WWW．globesci．com第231页研究论文世界科技研究与