一种强度解调型灯头扭矩光纤传感器
专利汇可以提供一种强度解调型灯头扭矩光纤传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种强度解调型 灯头 扭矩 光纤 传感器 。传统测量设备精确度不高，不易实现动态在线检测。本发明包括均质圆形 转轴 、金属丝、传感光纤、灯头夹具、引导光纤。均质圆形转轴的任意一端与灯头夹具固定连接并与灯头夹具同轴设置，金属丝与均质圆形转轴的轴向呈θ1紧贴设置在均质圆形转轴表面上，传感光纤与均质圆形转轴的轴向呈θ2均匀绕置在均质圆形转轴表面上；金属丝与传感光纤在均质圆形转轴表面上形成交叉点。本发明采用全光纤结构，可在强 电磁干扰 环境下长期可靠的工作，且本发明具有更高的 精度 和较低的成本。，下面是一种强度解调型灯头扭矩光纤传感器专利的具体信息内容。
1.一种强度解调型灯头扭矩光纤传感器，包括均质圆形转轴、金属丝、传感光纤、灯头夹具、引导光纤，其特征在于：
均质圆形转轴的任意一端与灯头夹具固定连接并与灯头夹具同轴设置，所述的均质圆形转轴的直径为D，长度为L，40mm≤D≤50mm，100mm≤L≤150mm；金属丝斜向紧贴绕置在均质圆形转轴表面上，金属丝与均质圆形转轴的轴向的夹角为θ1，30°≤θ1≤60°，金属丝的直径为d，0.3mm≤d≤0.4mm；传感光纤均匀绕置在均质圆形转轴表面上且与金属丝绕置方向相反，传感光纤与均质圆形转轴的轴向的夹角为θ2，40°≤θ2≤50°，传感光纤绕置圈数为n，5≤n≤10；所述的金属丝与传感光纤在均质圆形转轴表面上形成3～8个交叉点。
技术领域
本发明属于测试技术与光纤传感领域，具体涉及一种强度解调型灯头扭矩光纤传感器。
背景技术
目前使用的灯头抗扭矩力传感器一般为应变式传感器，此类传感器通常采用电阻应变片作为传感元件，存在灵敏度较低、精度不高，在大应变力作用下有较大的非线性；输出信号较微弱、抗干扰能力较差等缺点。伴随着光纤传感技术的广泛应用，新一代灯头扭矩光纤传感器研究成果应运而生。
发明内容
本发明所采用的技术方案如下：
本发明包括均质圆形转轴、金属丝、传感光纤、灯头夹具、引导光纤。均质圆形转轴的任意一端与灯头夹具固定连接并与灯头夹具同轴设置，所述的均质圆形转轴的直径为D，长度为L，40mm≤D≤50mm，100mm≤L≤150mm；金属丝斜向紧贴绕置在均质圆形转轴表面上，金属丝与均质圆形转轴的轴向的夹角为θ1，30°≤θ1≤60°，金属丝的直径为d，0.3mm≤d≤0.4mm；传感光纤均匀绕置在均质圆形转轴表面上且与金属丝绕置方向相反，传感光纤与均质圆形转轴的轴向的夹角为θ2，40°≤θ2≤50°，传感光纤绕置圈数为n，5≤n≤10；所述的金属丝与传感光纤在均质圆形转轴表面上形成3～8个交叉点。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.采用全光纤结构，可在强电磁干扰环境下长期可靠的工作；
2.直接输出光强信号，只需简单的光电转换即可获得灯头扭矩值；测量响应快，解调技术成熟；
3.结构简单，较应变式传感器，具有更高的精度和较低的成本；
4.有利于实现动态在线检测，能促进检测系统的微型化、智能化和网络化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为灯头扭矩测量实施例示意图。
图中：1、均质圆形转轴，2、钢丝，3、多模光纤，4、灯头夹具，5、引导光纤，6、光源，7、探测器，8、灯具。
具体实施方式
如图1所示，一种强度解调型灯头扭矩光纤传感器包括均质圆形转轴1、钢丝2、多模光纤3、灯头夹具4、引导光纤5。均质圆形转轴1为圆形截面、质量均匀分布的转轴。灯头夹具4通过螺母与均质圆形转轴的右端固定连接，用以固定灯头；均质圆形转轴采用有机玻璃(或者可选用铝合金)其直径为45mm，长度为150mm。钢丝(或者可选用磷铜丝)与均质圆形转轴的轴向呈45°用强力胶504粘贴在均质圆形转轴表面上，钢丝(或者可选用磷铜丝)的直径为0.35mm；多模光纤与均质圆形转轴的轴向呈45°与金属丝绕置螺旋方向呈反向绕置在均质圆形转轴表面上，光纤的两端用强力胶504粘贴在均质圆形转轴表面上；多模光纤的绕置圈数为6；钢丝与多模光纤在均质圆形转轴表面上形成6个交叉点。
如图2所示，光源6发出的光经引导光纤5传输到多模光纤3，被探测器7接收。当灯头夹具4未受外力转动时，多模光纤3与钢丝2接触处由于未受到均质圆形转轴1的剪应变所以不会产生微弯。因此探测器7接收到的透射光的强度没有变化。
当灯具8在顺时针力F1带动下转动时，通过灯头夹具4同时带动均质圆形转轴1进行转动。此时在均质圆形转轴1的另一端施加一个反作用力F2来保持均质圆形转轴1相对固定，均质圆形转轴1因各处产生剪应变使多模光纤3与钢丝2接触处产生微弯。灯头施加的扭矩不同，光纤的微弯曲率脉冲峰值、宽度变化不同，由此造成透过多模光纤3的光功率损耗亦不同。这种扭矩的作用使得通过多模光纤的光强受到调制。通过测量多模光纤3微弯后其透射光强度的变化，就可以得到灯头的扭矩值。
本发明的灯头扭矩测量原理为：当绕置在均质转轴上的多模光纤受扭矩作用产生微弯时，以ξ表示多模光纤轴向坐标，则曲率函数Cf(ξ)为：
式中Cf(ξ)表示多模光纤第n个微弯，N为绕置在转轴上的多模光纤总微弯数(即多模光纤与钢丝的交叉点数)；An，ξn分别为曲率脉冲峰值及峰值位置；Wn是曲率值降为峰值的1/e处的脉冲宽度。
对于光纤折射率分布参数α＝2的梯度形光纤(多模光纤的一种)，微弯损耗I为：
I＝3.9J″(Δβ)/δ (2)
式中δ为纤芯与包层的相对折射率差，Δβ为两模式传输常数之差；J″(Δβ)为微弯曲率脉冲函数的功率谱密度；假设多模光纤中相邻微弯间隔大于曲率脉冲宽度，则J″(Δβ))表示为：
式中为曲率脉冲的均方根，为平均曲率脉冲宽度(相关长度)。合并(2)，(3)式，并利用关系式rf为多模光纤的纤芯半径，得到高斯型曲率脉冲对应的微弯损耗IG为：
从统计平均的角度而言，在转轴剪应变γ不大的条件下，的变化微小，的变化对IG大小的影响要强于于是，可以假设与光纤微应变ε成比例，即
式中k为比例因子。符号i＝0对应顺时针方向扭转，i＝1对应逆时针方向扭转。
根据弹性力学原理，在剪应变γ比较小的条件下，多模光纤应变ε与相对扭转角的关系近似表示为：
由于与2/d的量值是相当的，故可认为且N≈l′θ2/s(l′为绕置多模光纤的长度，s为多模光纤的螺距)，合并(4)，(5)和(6)式得相对微弯损耗IG
式(7)是利用光纤微弯损耗进行相对扭转角测量的基本理论模型。式中三个因子分别为
K1＝(12.24l′cosθ1)/(d2sδ)，K2＝(kDsinθ2)/(4L)，
由式(7)得到相对扭转角测量灵敏度的表达式为
式中
式(7)表明，通过测量微弯损耗IG，可得转轴相对扭转角的值。由弹性转轴力学的几何关系得到均质圆形转轴两端施加扭矩之差M：
式中G为均质圆形转轴的剪切弹性模量，IP为均质圆形转轴的截面极惯性矩。这样就可以得到加于均质圆形截面两端的扭矩，即实现了扭矩的测量。
本发明中光纤的光路是完全密封的，具有抗电磁干扰、高灵敏度以及不干扰被测现场等特点，适合在灯具生产车间等恶劣环境下进行测量；相比传统的灯头扭矩传感器，采用多模光纤作为测量元件更易于实现灯头扭矩的动态在线检测，且具有更高的精度和更低的成本。
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