專利名稱：基于光纖光柵的磁力軸承電磁力傳感裝置及在線測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖光柵電磁力傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別用于電磁力的多點(diǎn)分布式測量和在線檢測。
背景技術(shù)：
磁力軸承是一種高性能機(jī)電一體化產(chǎn)品，主要由軸承定子、轉(zhuǎn)子、位移傳感器、控制系統(tǒng)、 功率放大器等部分組成。磁力軸承利用可控電磁力將轉(zhuǎn)子懸浮在空間，使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有任 何機(jī)械接觸。與傳統(tǒng)軸承(滾動或滑動軸承)相比，它具有無接觸、無磨損、長壽命、高轉(zhuǎn)速、 無需潤滑和密封，低功耗，高精度，支承特性可控可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)控制、 磁懸浮飛輪電池、高速電主軸、低溫透平膨脹機(jī)、離心壓縮機(jī)等軍事和工業(yè)領(lǐng)域。
由于電流控制的磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有本質(zhì)上的開環(huán)不穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)必須根據(jù)轉(zhuǎn)子的偏心 不斷調(diào)節(jié)定子線圈中的電流，在定子與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮和旋轉(zhuǎn)。 同時，由于本質(zhì)上的開環(huán)不穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)子的懸浮位置不斷向中心位置調(diào)節(jié)，不同時刻轉(zhuǎn)子的偏心 使得電磁力呈現(xiàn)不同的空間分布，而磁性材料本身的磁導(dǎo)率、溫度特性、邊緣效應(yīng)、磁耦合等都 使電磁力的空間分布具有強(qiáng)烈的非線性特點(diǎn)，即在磁力軸承運(yùn)行過程中，電磁力的分布在空間中 的每一點(diǎn)都是不同的。因此，磁力軸承的電磁力具有明顯的時變、空間分布和非線性特點(diǎn)，是影 響磁力軸承性能的重要參數(shù)之一 。目前磁力軸承的電磁力測量多采用壓電式拉/壓型力傳感器， 測量時磁力軸承的轉(zhuǎn)子必須與傳感器探頭接觸，傳感器后端的彈簧或彈性膜片在轉(zhuǎn)子偏心的擠壓 (拉伸)下變形，導(dǎo)致傳感器中的壓電元件產(chǎn)生與拉/壓力呈線性關(guān)系的電壓，從而測得拉/壓力 的量值。由于轉(zhuǎn)子必須與拉/壓型力傳感器的探頭接觸，因此拉/壓型力傳感器僅能在離線時進(jìn)行 電磁力的靜態(tài)測量，無法獲得磁懸浮轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的電磁力分布；磁力軸承定子/轉(zhuǎn)子工作 氣隙僅0.3mm左右，普通壓電式拉/壓型力傳感器難以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)布局進(jìn)行電磁力的多點(diǎn)分布式測 量，因此開發(fā)體積小、抗電磁干擾、非接觸的電磁力傳感器是解決磁力軸承電磁力在線測量的關(guān) 鍵問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為克服現(xiàn)有磁力軸承的電磁力測量傳感器的不足，本發(fā)明提供一種基于光纖光 柵的磁力軸承電磁力傳感裝置及在線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光纖光柵對電磁力導(dǎo)致的應(yīng)變的敏感 性，將電磁力的變化轉(zhuǎn)換為傳感裝置中光纖光柵的波長偏移，在線測量磁力軸承的電磁力，揭示 磁力軸承運(yùn)行狀態(tài)下磁力的變化規(guī)律，為研究磁力軸承動態(tài)性能與磁力的關(guān)系，磁力軸承及其他 磁懸浮轉(zhuǎn)子系列產(chǎn)品的研制、開發(fā)和生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。
本發(fā)明的有益效果是該技術(shù)具有抗電磁干擾、穩(wěn)定性好、 一纖多測點(diǎn)(多柵)、易嵌入、高 分辨率、簡單耐用等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:提供一種基于光纖光柵的磁力軸承電磁力傳感裝置及在線測量系 統(tǒng)。其中，基于光纖光柵的磁力軸承電磁力傳感裝置通過光纖光柵波長偏移反映磁力W承電磁力 的變化，實(shí)現(xiàn)電磁力的非接觸在線測量。傳感裝置由L型導(dǎo)磁彈性元件1、光纖光柵2、磁力軸 承定子4和磁力軸承轉(zhuǎn)子5組成。L型導(dǎo)磁彈性元件1的中軸線上刻有一道細(xì)槽3，通過粘貼方
式將光纖光柵2封裝在此細(xì)槽3內(nèi)。安裝方式在磁力軸承定子4磁極底部刻有軸向凹槽，將L 型導(dǎo)磁彈性元件1的前端凸起部分粘接在磁力軸承定子4的磁極凹槽內(nèi)，其余部分懸在磁力軸承 定子4與磁力軸承轉(zhuǎn)子5之間的氣隙中(以下簡稱氣隙)，形成懸臂結(jié)構(gòu)。光纖光柵2位于懸臂 部分的根部。L型導(dǎo)磁彈性元件1的懸臂部分在不同電磁力作用下會朝向磁力軸承定子4或磁力 軸承轉(zhuǎn)子5產(chǎn)生彎曲變形，凸起部分為懸臂部分朝向定子方向的彎曲變形預(yù)留了空間，'保證懸臂 部分不與磁力軸承定子4接觸；凸起部分的厚度小于氣隙厚度，確保懸臂部分朝向轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲 變形時不與磁力軸承轉(zhuǎn)子5產(chǎn)生接觸，即確保非接觸在線測量。
基于光纖光柵的磁力軸承電磁力在線測量系統(tǒng)包括寬譜光源、光傳輸與轉(zhuǎn)換部分、光纖 光柵電磁力傳感裝置、波長解調(diào)模塊、信號采集電路和計(jì)算機(jī)。工作原理是當(dāng)寬譜光源將一定 帶寬的光，通過光傳輸與轉(zhuǎn)換部分入射到光纖光柵電磁力傳感裝置中'光纖光柵電磁力傳感裝置
中的L型導(dǎo)磁彈性元件1受電磁場作用'表面上產(chǎn)生電磁力'該電磁力使L型導(dǎo)磁彈性元件1的懸臂部分產(chǎn)生彎曲變形和軸向應(yīng)變。彎曲變形一方面使懸臂部分產(chǎn)生物理伸長或縮短從而導(dǎo)致光 纖光柵2的周期變化，另一方面由于光彈效應(yīng)，也導(dǎo)致封裝在細(xì)槽內(nèi)光纖光柵2有效折射率的 變化，兩者均使光纖光柵2的波長發(fā)生偏移，波長偏移量與光柵處的軸向應(yīng)變呈線性關(guān)系。因此， 可以通過光纖光柵的波長偏移量反映電磁力引起的彈性元件應(yīng)變的變化，以檢測電磁力的變化。寬譜光源將一定帶寬的光通過光傳輸與轉(zhuǎn)換部分入射到光纖光柵電磁力傳感裝葷中，該裝 置中光纖光柵2由于應(yīng)變發(fā)生波長偏移時，根據(jù)光纖光柵的波長選擇性作用，將需要的光反射回 來，再通過光傳輸與轉(zhuǎn)換部分送入到波長解調(diào)模塊，波長解調(diào)模塊測出光纖光柵的反射波長變化， 將波長數(shù)據(jù)通過信號采集電路送至計(jì)算機(jī)，通過相應(yīng)程序?qū)⒉ㄩL換算成應(yīng)變并推算出電磁力，實(shí) 現(xiàn)電磁力的記錄和顯示。
圖1是基于光纖光柵的磁力軸承電磁力傳感裝置結(jié)構(gòu)圖。圖2是L型導(dǎo)磁彈性元件及鑲嵌光纖光柵 _圖3是基于光纖光柵的磁力軸承電磁力傳感裝置剖面4是基于光纖光柵的磁力軸承電磁力在線測量系統(tǒng)原理框圖。其中附圖1一L型導(dǎo)磁彈性元件、2—光纖光柵、3—L型導(dǎo)磁彈性元件中軸線細(xì)槽、4一磁 力軸承定子、5—磁力軸承轉(zhuǎn)子具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明?；诠饫w光柵的磁力軸承電磁力傳感裝置通過光纖光柵波長偏移反映磁力軸承電磁力的變 化，實(shí)現(xiàn)磁力的非接觸在線測量。傳感裝置由L型導(dǎo)磁彈性元件1、光纖光柵2、磁力軸承定子4 和磁力軸承轉(zhuǎn)子5組成。安裝方式為L型導(dǎo)磁彈性元件1的中軸線上刻有一道細(xì)槽3，通過粘貼 方式將光纖光柵2封裝在此細(xì)槽3內(nèi)。在磁力軸承定子4磁極底部刻有軸向凹槽'將L型導(dǎo)磁彈 性元件1的前端凸起部分粘接在磁力軸承定子4的磁極凹槽內(nèi)'其余部分懸在定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙(以下簡稱氣隙)中，稱為懸臂部分。L型導(dǎo)磁彈性元件1的懸臂部分在不同電磁力 作用下會朝向磁力軸承定子4或磁力軸承轉(zhuǎn)子5產(chǎn)生彎曲變形，L型導(dǎo)磁彈性元件1的凸起部分 為懸臂部分朝向定子方向的彎曲變形預(yù)留了空間，保證懸臂部分不與磁力軸承定子4接觸；L型 導(dǎo)磁彈性元件1的凸起部分的厚度小于氣隙厚度，確保懸臂部分朝向轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲變形時不與磁 力軸承轉(zhuǎn)子5產(chǎn)生接觸，即確保非接觸在線測量?；诠饫w光柵的磁力軸承電磁力在線測量系統(tǒng)包括基于光纖光柵的電磁力傳感裝置、寬譜光 源、光傳輸與轉(zhuǎn)換部分、光纖光柵波長解調(diào)模塊、信號采集電路和計(jì)算機(jī)。當(dāng)磁力軸承運(yùn)行時， 氣隙、線圈電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等發(fā)生變化，導(dǎo)致磁力軸承定子4與磁力軸承轉(zhuǎn)子5之間的電磁場及 電磁力發(fā)生變化。在電磁場作用下，L型導(dǎo)磁彈性元件1的表面上產(chǎn)生電磁力，該電磁力使L型 導(dǎo)磁彈性元件1的懸臂部分產(chǎn)生彎曲變形和軸向應(yīng)變。彎曲變形一方面使懸臂部分產(chǎn)生物理伸K: 或縮短導(dǎo)致光纖光柵2的周期變化，另一方面由于光彈效應(yīng)，也導(dǎo)致封裝在細(xì)槽內(nèi)光纖光柵2有 效折射率的變化，兩者均使光纖光柵2的波長發(fā)生偏移，波長偏移量與光柵處的軸向應(yīng)變呈線性 關(guān)系。寬譜光源將一定帶寬的光通過光傳輸與轉(zhuǎn)換部分入射到光纖光柵2中，當(dāng)光纖光柵2由于 應(yīng)變發(fā)生波長偏移時，根據(jù)光纖光柵的波長選擇性作用，符合條件的光被反射回來，再通過光傳 輸與轉(zhuǎn)換部分送入波長解調(diào)模塊測出光纖光柵的反射波長變化，波長數(shù)據(jù)通過采集電路至計(jì)算 機(jī)，通過相應(yīng)程序?qū)⒉ㄩL換算成應(yīng)變并推算出電磁力，實(shí)現(xiàn)電磁力的記錄和顯示。
權(quán)利要求
1. 基于光纖光柵磁力軸承電磁力傳感裝置，其特征在于該傳感裝置由L型彈性元件(1)、光纖光柵(2)磁力軸承定子(4)和磁力軸承轉(zhuǎn)子(5)組成；安裝方式為L型導(dǎo)磁彈性元件(1)的中軸線上刻有一道細(xì)槽(3)，通過粘貼方式將光纖光柵(2)封裝在此細(xì)槽(3)內(nèi)；在磁力軸承定子(4)磁極底部刻有軸向凹槽，將L型導(dǎo)磁彈性元件(1)的前端凸起部分粘接在磁力軸承定子(4)的磁極凹槽內(nèi)，其余部分懸在磁力軸承定子(4)與磁力軸承轉(zhuǎn)子(5)之間的氣隙中形成懸臂結(jié)構(gòu)；利用傳感裝置中的光柵波長偏移探測電磁力導(dǎo)致的彈性元件的軸向應(yīng)變。
2、 基于光纖光柵的磁力軸承電磁力傳感在線測量系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括寬譜光源、 光傳輸與轉(zhuǎn)換部分、光纖光柵電磁力傳感裝置、波長解調(diào)模塊、信號采集電路和計(jì)算機(jī)；當(dāng) 寬譜光源將一定帶寬的光通過光傳輸與轉(zhuǎn)換部分入射到光纖光柵電磁力傳感裝置中，該裝置中 光纖光柵(2)由于應(yīng)變發(fā)生波長偏移時，根據(jù)光纖光柵的波長選擇性作用，將需要的光被反 射回來，再通過光傳輸與轉(zhuǎn)換部分送入到波長解調(diào)模塊，波長解調(diào)模塊測出光纖光柵的反射波 長變化，將波長數(shù)據(jù)通過信號采集電路送至計(jì)算機(jī)，通過相應(yīng)程序?qū)⒉ㄩL換算成應(yīng)變并推算出 電磁力，實(shí)現(xiàn)電磁力的記錄和顯示。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖光柵磁力軸承電磁力傳感裝置及在線測量系統(tǒng)，屬于光纖光柵電磁力傳感技術(shù)領(lǐng)域，它由L型導(dǎo)磁彈性元件1以及封裝在彈性元件槽內(nèi)的光纖光柵2、磁力軸承定子4、磁力軸承轉(zhuǎn)子5組成。將L型彈性元件凸起部分粘接在磁力軸承定子4磁極底部的凹槽內(nèi)，其余部分懸在氣隙中，形成懸臂結(jié)構(gòu)。測量時寬譜光源將一定帶寬的光通過光傳輸與轉(zhuǎn)換部分入射到光纖光柵電磁力傳感裝置中，該裝置中光纖光柵2由于應(yīng)變發(fā)生波長偏移時，根據(jù)光纖光柵的波長選擇性作用，將需要的光被反射回來，再通過光傳輸與轉(zhuǎn)換部分送入到波長解調(diào)模塊，波長解調(diào)模塊測出光纖光柵的反射波長變化，將波長數(shù)據(jù)通過信號采集電路送至計(jì)算機(jī)，通過相應(yīng)程序?qū)⒉ㄩL換算成應(yīng)變并推算出電磁力，實(shí)現(xiàn)電磁力的記錄和顯示。本發(fā)明適用于電磁力的多點(diǎn)分布式測量。
文檔編號G01D5/353GK101299001SQ20081004750
公開日2008年11月5日 申請日期2008年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月29日
發(fā)明者丁國平, 周次明, 周祖德, 王曉光, 胡業(yè)發(fā), 蔣熙馨 申請人:武漢理工大學(xué)