新型光纤扭矩测量方法

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1、第33卷第2期光电工程Vo1．33，No．22006年2月Opto—ElectronicEngineeringFeb，2006文章编号：1003—50IX(2006)02一O11l-04新型光纤扭矩测量方法谢平，刘彬，王霄，林洪彬(燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛066004)摘要：提出了利用光纤微弯损耗测量相对扭转角的原理，并建立了双向可测缠绕式光纤扭矩测量的理论模型，可以实现扭矩的实时动态测量。同时，提出了数字式无线信号传输的设计方案，可以解决旋转系统扭矩测量的信号传输问题。实验表明，在±50。的相对扭转角测量范围内，实现了灵敏度为O．383dB

2、／1。的双向测量；动态测试条件下，测量精度在O．5％±0．22％之内关键词：光纤传感器；扭矩测量；相对扭转角；无线传输中图分类号：TN247文献标识码：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。．andmeasurementaccuracyis0．5％土0．22％indynamictestingcondition．Keywords：Opticalfibersensor；Torquemeasurement；Relativetorsiona

5、lang!e；Wirelesstransmission引言扭矩测试是各种机械产品开发研究、质量检测、安全和优化控制等工作中必不可少的内容。扭矩测试的方法多种多样，有传统的应变片法、各种光学、光电子学、磁学、电磁学等方法lJJ。但由于旋转机构工作中的振动、空间的粉尘、噪声等恶劣因素，以及旋转机构的旋转特性，对敏感元件的保护、能量和信号的传输便成为制约扭矩测量的重要问题。光纤传感器具有技术先进、可靠性高、适应性强、价格便宜等优点。已被广泛地应用于光传感领域『4】。本文利用光纤微弯原理实现了扭矩测量，光纤微弯器是一种内强度调制器，其结构中光纤的光路是完全密

6、封的，具有高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆及不干扰被测现场等特点，更适合在腐蚀性介质及污染等恶劣环境下进行测量。因此。本文针对扭矩的动态实时测量问题，基于光纤微弯测量相对扭转角的原理，建立了双向可测缠绕式光纤扭矩测量的理论模型。另外，提出了利用高频无线感应电源、数字式无线信号传输电路和环形泄漏缝隙天线阵解决能量和信号的传输问题的系统实现方案，给出了新型的扭矩测量方法。收稿日期：2005-01—20，收到修改稿日期：2005-10-10基金项目；河北省科技攻关项目(02212106D)．河北省教育厅科研项目(2003115，Z2004311)作者简介

7、：谢平(1972-)，女(汉族)．黑龙江齐齐哈尔人。副教授，博士，主要从事机械叁tI-BI试与分析、光学仪器设计等研究。E—mail：pingx@ysueducnl12光电工程第33卷第2期1测量理论多模光纤测扭矩的原理如图1(a)所示，其剪应变分析如图l(b)所示。本文采用纯转动假设对转轴进行扭转应变分析。纯转动指弹性转轴在某段内受扭矩M作用时，始终满足“平面假定”，即转轴的截面在形变前后仍为平面，且任意两个截面之间的长度保持不变图中为长度为￡，直径为D的均质圆形转轴。长度为，，直径为d(<

8、上；多模光纤(MMF)则以一定的预应力沿与转轴O0呈角等螺距与金属丝反向缠绕，光纤环的两端用特种胶刚性粘贴，