基于差動光強原理的光纖角位移傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種基于差動光強原理的光纖角位移傳感器，其中，角位移傳感器包括2根接收光纖束、1根出射光纖束和支架；所述支架頂面為曲面，中間位置設(shè)有通孔；所述通孔的兩側(cè)設(shè)有對稱的2個滑槽；2根所述接收光纖束分別固定在所述滑槽內(nèi)，且所述接收光纖束與所述出射光纖束之間的夾角α為銳角，所述出射光纖束的下端部固定在所述通孔內(nèi)形成探頭，所述出射光纖束的上端與電源相連。
【專利說明】
基于差動光強原理的光纖角位移傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型涉及一種光纖傳感器，尤其涉及一種測量角度的差動光強光纖角位移 傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工程機械的發(fā)展，對工程機械的可靠性和故障診斷也有了更高的要求。軸系 是機械裝備的重要部件，尤其是運用在大型工程機械、大型發(fā)電機組、船舶工業(yè)中等中的傳 動軸
[0003] 具有極為重要的作用，為防止軸系的嚴重的扭轉(zhuǎn)振動可能引起軸系裂紋和斷裂帶 來的危害，對軸系扭振進行實時監(jiān)測已成為工程機械發(fā)展亟待解決的問題。
[0004] 目前測量軸系扭振的方法主要有兩大類:接觸測量和非接觸測量，前者是將傳感 器(應(yīng)變片，加速度計等)安裝在軸上，測量所得的信號經(jīng)過集流環(huán)或者無線電發(fā)訊的方式 傳給儀器。接觸測量法一般都需要在軸上安裝一些傳感器等裝置，因此有時不得不破壞傳 動軸原來的結(jié)構(gòu)，這些在許多情況下是不被允許的，此時非接觸測量法就顯示出了它的優(yōu) 越性。
[0005] 運用非接觸法測量軸系扭振，很多的科研人員做了相關(guān)的研究工作。最早測量扭 振的測量儀器是蓋革扭振測量儀，該方法簡單實用，但因軸的扭振是通過皮帶傳遞到測量 頭架的，皮帶的彈性振動會引起失真，也不能測量頻率很低的扭振。此外還有較為先進的非 接觸式測量的研究，如基于高速CCD攝像技術(shù)的電機軸系扭振測量、基于激光多普勒技術(shù)的 扭振測量等，但由于測量精度有待提高、價格昂貴、安裝困難等問題而造成無法廣泛應(yīng)用。
[0006] 自上世紀70年代光纖傳感器問世以來，30多年的光纖傳感器發(fā)展，研究出各種類 型的光纖傳感器，其具有諸多的優(yōu)點：（1)不受電磁干擾，耐腐蝕；（2)體積小，質(zhì)量輕，可彎 曲；（3)性能可靠，靈敏度高，使用壽命長。其中原理簡單、設(shè)計靈活的當屬反射式光強調(diào)制 型光纖傳感器，應(yīng)用也最為廣泛。設(shè)計此傳感器并運用差動光強原理理論應(yīng)用于測量軸系 扭振的研究在國內(nèi)還很少。可供參閱的技術(shù)資料也急缺。 【實用新型內(nèi)容】
[0007] 本實用新型為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷和不足，提供了一種基于差動光 強原理的光纖角位移傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低、性能穩(wěn)定、測量精度較高。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種基于差動光強原理的光纖角位移傳感 器，包括2根接收光纖束、1根出射光纖束和支架;所述支架頂面為曲面，中間位置設(shè)有通孔； 所述通孔的兩側(cè)設(shè)有對稱的2個滑槽;2根所述接收光纖束分別固定在所述滑槽內(nèi)，且所述 接收光纖束與所述出射光纖束之間的夾角α為銳角，所述出射光纖束的下端部固定在所述 通孔內(nèi)形成探頭，所述出射光纖束的上端與電源相連。
[0009] 進一步，所述接收光纖束與所述出射光纖束之間的夾角α，〇<α< 45°。
[0010] 進一步，所述接收光纖束通過緊固螺釘固定在所述滑槽內(nèi)。
[0011] 進一步，所述接收光纖束包括1根作為軸心的接收光纖、圍繞軸心的內(nèi)圈接收光纖 和外圈接收光纖。
[0012] 進一步，所述內(nèi)圈接收光纖為6根，所述外圈接收光纖為12根。
[0013] 進一步，所述出射光纖束包括1根作為軸心的出射光纖、圍繞軸心的內(nèi)圈接收光纖 和外圈接收光纖。
[0014] 進一步，所述內(nèi)圈接收光纖為6根，所述外圈接收光纖為12根。
[0015] 本實用新型所達到的有益技術(shù)效果:本實用新型提供的一種基于差動光強原理的 光纖角位移傳感器及測量方法，可根據(jù)實際測量需要選擇不同的α和h值，用來調(diào)節(jié)最高靈 敏度，能有效接受差動光強信號，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、測量精度高，更適用于非接觸 式測量角位移且不受環(huán)境的影響。
【附圖說明】
[0016] 圖1本實用新型之角位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2本實用新型之支架結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖3本實用新型之角位移傳感器光強調(diào)制幾何關(guān)系原理示意圖；
[0019] 圖4本實用新型之歸一化特性曲線圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本 實用新型的技術(shù)方案，而不能以此來限制本實用新型的保護范圍。
[0021] 如圖1-2所示，本實用新型提供一種基于差動光強原理的光纖角位移傳感器，包括 2根接收光纖束1，2、1根出射光纖束3和支架4;所述支架4頂面為曲面，中間位置設(shè)有通孔8; 所述通孔8的兩側(cè)設(shè)有對稱的2個滑槽6，7; 2根所述接收光纖束1，2分別固定在所述滑槽6，7 內(nèi)，且所述接收光纖束1，2與所述出射光纖束3之間的夾角α為銳角，所述出射光纖束3的下 端部固定在所述通孔8內(nèi)形成探頭，所述出射光纖束3的上端與電源相連。所述接收光纖束 1，2與所述出射光纖束3之間的夾角 〇,0<以45°。所述接收光纖束1，2通過緊固螺釘5固定 在所述滑槽6,7內(nèi)。
[0022] 所述接收光纖束1，2包括1根作為軸心的接收光纖、圍繞軸心的內(nèi)圈接收光纖和外 圈接收光纖。所述內(nèi)圈接收光纖為6根，所述外圈接收光纖為12根。
[0023] 所述出射光纖束3包括1根作為軸心的出射光纖31、圍繞軸心的內(nèi)圈接收光纖32和 外圈接收光纖33。所述內(nèi)圈接收光纖32為6根，所述外圈接收光纖33為12根。
[0024] 本實用新型的使用方法:首先，將被測物放置于所述傳感器的正下方，測量探頭與 被測物之間的距離h，并分別計算出2根接收光纖束的光纖端面到出射光纖束的虛像距離冗丄 和Z 2，如圖3所示，其中γ為被側(cè)面的角位移，d為右、左接收光纖束的半徑，C為出射光纖束 與被測表面垂直時的出射光纖束虛像端面的中點，C'為被測表面發(fā)生γ角位移時出射光纖 束虛像的中點，E、B分別為右、左接收光纖束端面的中點，A為出射光纖束端面的中點，P為 右、左接收光纖束端面與出射光纖束端面之間的距離，F(xiàn)、D分別為EB與AC'、AC的交點，具體 計算公式為：
[0025]
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] 其中，
其中，d'為右接受光纖束有效光接收直徑;d"為左接受 光纖束有效光接收直徑;S1*右接受光纖束有效光接收光面積;S2為左接受光纖束有效光接 收光面積；
[0030] 然后，分別計算出2根接收光纖束，即右接收光纖束和左接收光纖束的接收光纖強 度Iright- Tw+ Jrf管公忒加下.
[0031]
[0032]
[0033] 其中，r#Pr2分別為右接收光纖束、左接收光纖束的接收光面積的有效半徑，K為修 正系數(shù)，Ko為光波在出射光纖束中的損耗，I ο為光源親合到出射光纖束中的強度;Si和S2分 別為右、左接收光纖束接收光面積，ω (z)為光場分布等效半徑，exp(_niri)和exp(_η2Γ2)分 別為右、左接收光纖束光纖彎折產(chǎn)生的光強附加損耗，
b光纖束端面光 場中位置(r, z)處的光通量密度，P為光在光纖中的反射的系數(shù)，ηι和^2分別為右、左光纖束 光強調(diào)制系數(shù)；
[0034]最后，利用光電轉(zhuǎn)換器對接收光纖強度Iright、Ileft進行倍數(shù)放大，得到右、左接收 光纖束的輸出電壓Uright、Ulrft，具體計算公式如下：
[0035]
[0036]
[0037]其中，1^為接收光纖強度的放大倍數(shù)。
[0038]為了說明本實用新型的技術(shù)效果，采用仿真實驗進行說明，仿真實驗對傳感器參 數(shù)進行設(shè)定P= IOOym，h = 500mum，角位移在±20°范圍內(nèi)變化，對右接收光纖束和左接收光 纖束的接收光纖強度Iright、I lrft進行歸一下處理得到歸一化特性曲線，如圖4所示，從圖中 可以看出，右、左接收光纖束的接收光纖強度I right、Ileft隨角位移的變化呈現(xiàn)較高的線性 度。
[0039]以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改 進和變形也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于差動光強原理的光纖角位移傳感器，其特征在于:包括2根接收光纖束、1根 出射光纖束和支架;所述支架頂面為曲面，中間位置設(shè)有通孔;所述通孔的兩側(cè)設(shè)有對稱的 2個滑槽;2根所述接收光纖束分別固定在所述滑槽內(nèi)，且所述接收光纖束與所述出射光纖 束之間的夾角α為銳角，所述出射光纖束的下端部固定在所述通孔內(nèi)形成探頭，所述出射光 纖束的上端與電源相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于差動光強原理的光纖角位移傳感器，其特征在于:所述接 收光纖束與所述出射光纖束之間的夾角α，0<α < 45°。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于差動光強原理的光纖角位移傳感器，其特征在于:所述接 收光纖束通過緊固螺釘固定在所述滑槽內(nèi)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于差動光強原理的光纖角位移傳感器，其特征在于:所述接 收光纖束包括1根作為軸心的接收光纖、圍繞軸心的內(nèi)圈接收光纖和外圈接收光纖。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于差動光強原理的光纖角位移傳感器，其特征在于:所述內(nèi) 圈接收光纖為6根，所述外圈接收光纖為12根。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于差動光強原理的光纖角位移傳感器，其特征在于:所述出 射光纖束包括1根作為軸心的出射光纖、圍繞軸心的內(nèi)圈接收光纖和外圈接收光纖。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于差動光強原理的光纖角位移傳感器，其特征在于:所述內(nèi) 圈接收光纖為6根，所述外圈接收光纖為12根。
【文檔編號】G01B11/26GK205426088SQ201620210633
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】賈丙輝, 許惠, 夏志鵬, 柯廣云, 張四弟
【申請人】南京工程學院