基于差动光强原理的光纤角位移传感器及测量方法技术

本发明专利技术提供一种基于差动光强原理的光纤角位移传感器及测量方法，其中，角位移传感器包括2根接收光纤束、1根出射光纤束和支架；所述支架顶面为曲面，中间位置设有通孔；所述通孔的两侧设有对称的2个滑槽；2根所述接收光纤束分别固定在所述滑槽内，且所述接收光纤束与所述出射光纤束之间的夹角α为锐角，所述出射光纤束的下端部固定在所述通孔内形成探头，所述出射光纤束的上端与电源相连。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种，其中，角位移传感器包括2根接收光纤束、1根出射光纤束和支架；所述支架顶面为曲面，中间位置设有通孔；所述通孔的两侧设有对称的2个滑槽；2根所述接收光纤束分别固定在所述滑槽内，且所述接收光纤束与所述出射光纤束之间的夹角α为锐角，所述出射光纤束的下端部固定在所述通孔内形成探头，所述出射光纤束的上端与电源相连。【专利说明】
本专利技术设及一种光纤传感器，尤其设及一种测量角度的差动光强光纤角位移传感 器。
技术介绍
随着工程机械的发展，对工程机械的可靠性和故障诊断也有了更高的要求。轴系 是机械装备的重要部件，尤其是运用在大型工程机械、大型发电机组、船舶工业中等中的传 动轴 具有极为重要的作用，为防止轴系的严重的扭转振动可能引起轴系裂纹和断裂带 来的危害，对轴系扭振进行实时监测已成为工程机械发展亟待解决的问题。 目前测量轴系扭振的方法主要有两大类:接触测量和非接触测量，前者是将传感 器(应变片，加速度计等)安装在轴上，测量所得的信号经过集流环或者无线电发讯的方式 传给仪器。接触测量法一般都需要在轴上安装一些传感器等装置，因此有时不得不破坏传 动轴原来的结构，运些在许多情况下是不被允许的，此时非接触测量法就显示出了它的优 越性。 运用非接触法测量轴系扭振，很多的科研人员做了相关的研究工作。最早测量扭 振的测量仪器是盖革扭振测量仪，该方法简单实用，但因轴的扭振是通过皮带传递到测量 头架的，皮带的弹性振动会引起失真，也不能测量频率很低的扭振。此外还有较为先进的 非接触式测量的研究，如基于高速CC时暴像技术的电机轴系扭振测量、基于激光多普勒技术 的扭振测量等，但由于测量精度有待提高、价格昂贵、安装困难等问题而造成无法广泛应 用。 自上世纪70年代光纤传感器问世W来，30多年的光纤传感器发展，研究出各种类 型的光纤传感器，其具有诸多的优点：（1)不受电磁干扰，耐腐蚀；（2)体积小，质量轻，可弯 曲；（3)性能可靠，灵敏度高，使用寿命长。其中原理简单、设计灵活的当属反射式光强调制 型光纤传感器，应用也最为广泛。设计此传感器并运用差动光强原理理论应用于测量轴系 扭振的研究在国内还很少。可供参阅的技术资料也急缺。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种基于差动光强原 理的光纤角位移传感器及测量方法，该传感器结构简单、使用成本低、性能稳定、测量精度 较高。[000引为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于差动光强原理的光纤角位移传感器， 包括2根接收光纤束、1根出射光纤束和支架;所述支架顶面为曲面，中间位置设有通孔;所 述通孔的两侧设有对称的2个滑槽;2根所述接收光纤束分别固定在所述滑槽内，且所述接 收光纤束与所述出射光纤束之间的夹角α为锐角，所述出射光纤束的下端部固定在所述通 孔内形成探头，所述出射光纤束的上端与电源相连。 进一步，所述接收光纤束与所述出射光纤束之间的夹角α，〇<α含45°。 进一步，所述接收光纤束通过紧固螺钉固定在所述滑槽内。 进一步，所述接收光纤束包括1根作为轴屯、的接收光纤、围绕轴屯、的内圈接收光纤 和外圈接收光纤。 进一步，所述内圈接收光纤为6根，所述外圈接收光纤为12根。 进一步，所述出射光纤束包括1根作为轴屯、的出射光纤、围绕轴屯、的内圈接收光纤 和外圈接收光纤。 进一步，所述内圈接收光纤为6根，所述外圈接收光纤为12根。 基于差动光强原理的光纤角位移传感器的测量方法，包括W下步骤： 步骤一，将被测物放置于所述传感器的正下方，测量探头与被测物之间的距离h， 并分别计算出2根接收光纤束的光纤端面到出射光纤束的虚像距离Zi和Z2; 步骤二，分别计算出2根接收光纤束，即右接收光纤束和左接收光纤束的接收光纤 强度Iright、Ileft，计算公式如下： 其中，ri和η分别为右接收光纤束、左接收光纤束的接收光面积的有效半径，K为修 正系数，Κο为光波在出射光纤束中的损耗，1〇为光源禪合到出射光纤束中的强度;Si和S2分 别为右、左接收光纤束接收光面积，ω (Z)为光场分布等效半径，exp(-ru；ri)和e邱(-τ?2Γ2)分 别为右、左接收光纤束光纤弯折产生的光强附加损耗为光纤束端面光 场中位置(r，z)处的光通量密度，Ρ为光在光纤中的反射的系数，m和112分别为右、左光纤束 光强调制系数； 步骤Ξ，利用光电转换器对接收光纤强度Iright、Ileft进行倍数放大，得到右、左接 收光纤束的输出电压Uright、Uleft，具体计算公式如下： 其中，k。为接收光纤强度的放大倍数。 本专利技术所达到的有益技术效果:本专利技术提供的一种基于差动光强原理的光纤角位 移传感器及测量方法，可根据实际测量需要选择不同的α和h值，用来调节最高灵敏度，能有 效接受差动光强信号，同时具有结构简单、成本低、测量精度高，更适用于非接触式测量角 位移且不受环境的影响。【附图说明】 图1本专利技术之角位移传感器结构示意图； 图2本专利技术之支架结构示意图； 图3本专利技术之角位移传感器光强调制几何关系原理示意图； 图4本专利技术之归一化特性曲线图。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术作进一步描述。W下实施例仅用于更加清楚地说明本发 明的技术方案，而不能W此来限制本专利技术的保护范围。 如图1-2所示，本专利技术提供一种基于差动光强原理的光纤角位移传感器，包括2根 接收光纤束1，2、1根出射光纤束3和支架4;所述支架4顶面为曲面，中间位置设有通孔8;所 述通孔8的两侧设有对称的2个滑槽6，7; 2根所述接收光纤束1，2分别固定在所述滑槽6，7 内，且所述接收光纤束1，2与所述出射光纤束3之间的夹角α为锐角，所述出射光纤束3的下 端部固定在所述通孔8内形成探头，所述出射光纤束3的上端与电源相连。所述接收光纤束 1，2与所述出射光纤束3之间的夹角〇,0<〇含45°。所述接收光纤束1，2通过紧固螺钉5固定 在所述滑槽6,7内。 所述接收光纤束1，2包括1根作为轴屯、的接收光纤、围绕轴屯、的内圈接收光纤和外 圈接收光纤。所述内圈接收光纤为6根，所述外圈接收光纤为12根。 所述出射光纤束3包括1根作为轴屯、的出射光纤31、围绕轴屯、的内圈接收光纤32和 外圈接收光纤33。所述内圈接收光纤32为6根，所述外圈接收光纤33为12根。 基于差动光强原理的光纤角位移传感器的测量方法，包括W下步骤： 步骤一，将被测物放置于所述传感器的正下方，测量探头与被测物之间的距离h， 并分别计算出2根接收光纤束的光纤端面到出射光纤束的虚像距离Zi和Z2,如图3所示，即反 射面倾与入射光纤束光有夹角时的几何关系，其中γ为被侧面的角位移，d为右、左接收光 纤束的半径，C为出射光纤束与被测表面垂直时的出射光纤束虚像端面的中点，C'为被测表 面发生丫角位移时出射光纤束虚像的中点，E、B分别为右、左接收光纤束端面的中点，A为出 射光纤束端面的中点，P为右、左接收光纤束端面与出射光纤束端面之间的距离，F、D分别为 邸与AC'、AC的交点，具体计算公式为：其中，Z,Z：!二巧；其中，d'为右接受光纤束有效光接收直径;d"为左接受 光纤束有效光接收直径;Si为右接受光纤束有效光接收光面积;S2为左接受光纤束有效光接 收光面积；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于差动光强原理的光纤角位移传感器，其特征在于：包括2根接收光纤束、1根出射光纤束和支架；所述支架顶面为曲面，中间位置设有通孔；所述通孔的两侧设有对称的2个滑槽；2根所述接收光纤束分别固定在所述滑槽内，且所述接收光纤束与所述出射光纤束之间的夹角α为锐角，所述出射光纤束的下端部固定在所述通孔内形成探头，所述出射光纤束的上端与电源相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贾丙辉，许惠，夏志鹏，柯广云，张四弟，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32