專利名稱：一種強度解調型燈頭扭矩光纖傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于測試技術與光纖傳感領域，具體涉及一種強度解調型燈頭扭矩光纖傳感器。
背景技術：
國家重視產品安全性能的質量規范，在電子照明行業，燈頭機械強度的安全指標列為國家強制檢測項目；燈頭機械強度性能指標抗扭矩力的檢測，國家標準有明確要求。隨著科技的發展，檢測系統的微型化、智能化、網絡化將成為趨勢，傳統的靜態檢測技術將被新的動態在線檢測技術所替代。
目前使用的燈頭抗扭矩力傳感器一般為應變式傳感器，此類傳感器通常采用電阻應變片作為傳感元件，存在靈敏度較低、精度不高，在大應變力作用下有較大的非線性；輸出信號較微弱、抗干擾能力較差等缺點。伴隨著光纖傳感技術的廣泛應用，新一代燈頭扭矩光纖傳感器研究成果應運而生。
發明內容
本發明的目的是克服傳統測量設備精度不高，不易實現動態在線檢測的缺陷；提供了一種可在強電磁干擾環境下長期可靠工作，結構簡單，且成本較低的強度解調型燈頭扭矩光纖傳感器。
本發明所采用的技術方案如下 本發明包括均質圓形轉軸、金屬絲、傳感光纖、燈頭夾具、引導光纖。均質圓形轉軸的任意一端與燈頭夾具固定連接并與燈頭夾具同軸設置，所述的均質圓形轉軸的直徑為D，長度為L，40mm≤D≤50mm，100mm≤L≤150mm；金屬絲斜向緊貼繞置在均質圓形轉軸表面上，金屬絲與均質圓形轉軸的軸向的夾角為θ1，30°≤θ1≤60°，金屬絲的直徑為d，0.3mm≤d≤0.4mm；傳感光纖均勻繞置在均質圓形轉軸表面上且與金屬絲繞置方向相反，傳感光纖與均質圓形轉軸的軸向的夾角為θ2，40°≤θ2≤50°，傳感光纖繞置圈數為n，5≤n≤10；所述的金屬絲與傳感光纖在均質圓形轉軸表面上形成3～8個交叉點。
本發明與現有技術相比，具有以下優點 1.采用全光纖結構，可在強電磁干擾環境下長期可靠的工作； 2.直接輸出光強信號，只需簡單的光電轉換即可獲得燈頭扭矩值；測量響應快，解調技術成熟； 3.結構簡單，較應變式傳感器，具有更高的精度和較低的成本； 4.有利于實現動態在線檢測，能促進檢測系統的微型化、智能化和網絡化。
圖1為本發明的結構示意圖； 圖2為燈頭扭矩測量實施例示意圖。
圖中1、均質圓形轉軸，2、鋼絲，3、多模光纖，4、燈頭夾具，5、引導光纖，6、光源，7、探測器，8、燈具。
具體實施例方式 以下結合附圖對本發明作進一步描述 如圖1所示，一種強度解調型燈頭扭矩光纖傳感器包括均質圓形轉軸1、鋼絲2、多模光纖3、燈頭夾具4、引導光纖5。均質圓形轉軸1為圓形截面、質量均勻分布的轉軸。燈頭夾具4通過螺母與均質圓形轉軸的右端固定連接，用以固定燈頭；均質圓形轉軸采用有機玻璃(或者可選用鋁合金)其直徑為45mm，長度為150mm。鋼絲(或者可選用磷銅絲)與均質圓形轉軸的軸向呈45°用強力膠504粘貼在均質圓形轉軸表面上，鋼絲(或者可選用磷銅絲)的直徑為0.35mm；多模光纖與均質圓形轉軸的軸向呈45°與金屬絲繞置螺旋方向呈反向繞置在均質圓形轉軸表面上，光纖的兩端用強力膠504粘貼在均質圓形轉軸表面上；多模光纖的繞置圈數為6；鋼絲與多模光纖在均質圓形轉軸表面上形成6個交叉點。
如圖2所示，光源6發出的光經引導光纖5傳輸到多模光纖3，被探測器7接收。當燈頭夾具4未受外力轉動時，多模光纖3與鋼絲2接觸處由于未受到均質圓形轉軸1的剪應變所以不會產生微彎。因此探測器7接收到的透射光的強度沒有變化。
當燈具8在順時針力F1帶動下轉動時，通過燈頭夾具4同時帶動均質圓形轉軸1進行轉動。此時在均質圓形轉軸1的另一端施加一個反作用力F2來保持均質圓形轉軸1相對固定，均質圓形轉軸1因各處產生剪應變使多模光纖3與鋼絲2接觸處產生微彎。燈頭施加的扭矩不同，光纖的微彎曲率脈沖峰值、寬度變化不同，由此造成透過多模光纖3的光功率損耗亦不同。這種扭矩的作用使得通過多模光纖的光強受到調制。通過測量多模光纖3微彎后其透射光強度的變化，就可以得到燈頭的扭矩值。
本發明的燈頭扭矩測量原理為當繞置在均質轉軸上的多模光纖受扭矩作用產生微彎時，以ξ表示多模光纖軸向坐標，則曲率函數Cf(ξ)為 式中Cf(ξ)表示多模光纖第n個微彎，N為繞置在轉軸上的多模光纖總微彎數(即多模光纖與鋼絲的交叉點數)；An，ξn分別為曲率脈沖峰值及峰值位置；Wn是曲率值降為峰值的1/e處的脈沖寬度。
對于光纖折射率分布參數α＝2的梯度形光纖(多模光纖的一種)，微彎損耗I為 I＝3.9J″(Δβ)/δ(2) 式中δ為纖芯與包層的相對折射率差，Δβ為兩模式傳輸常數之差；J″(Δβ)為微彎曲率脈沖函數的功率譜密度；假設多模光纖中相鄰微彎間隔大于曲率脈沖寬度，則J″(Δβ))表示為 式中
為曲率脈沖的均方根，
為平均曲率脈沖寬度(相關長度)。合并(2)，(3)式，并利用關系式
rf為多模光纖的纖芯半徑，得到高斯型曲率脈沖對應的微彎損耗IG為 從統計平均的角度而言，在轉軸剪應變γ不大的條件下，
的變化微小，
的變化對IG大小的影響要強于
于是，可以假設
與光纖微應變ε成比例，即 式中k為比例因子。符號i＝0對應順時針方向扭轉，i＝1對應逆時針方向扭轉。
根據彈性力學原理，在剪應變γ比較小的條件下，多模光纖應變ε與相對扭轉角
的關系近似表示為
由于
與2/d的量值是相當的，故可認為
且N≈l′θ2/s(l′為繞置多模光纖的長度，s為多模光纖的螺距)，合并(4)，(5)和(6)式得相對微彎損耗IG
式(7)是利用光纖微彎損耗進行相對扭轉角測量的基本理論模型。式中三個因子分別為 K1＝(12.24l′cosθ1)/(d2sδ)，K2＝(kDsinθ2)/(4L)， 由式(7)得到相對扭轉角測量靈敏度的表達式為
式中
式(7)表明，通過測量微彎損耗IG，可得轉軸相對扭轉角
的值。由彈性轉軸力學的幾何關系得到均質圓形轉軸兩端施加扭矩之差M
式中G為均質圓形轉軸的剪切彈性模量，IP為均質圓形轉軸的截面極慣性矩。這樣就可以得到加于均質圓形截面兩端的扭矩，即實現了扭矩的測量。
本發明中光纖的光路是完全密封的，具有抗電磁干擾、高靈敏度以及不干擾被測現場等特點，適合在燈具生產車間等惡劣環境下進行測量；相比傳統的燈頭扭矩傳感器，采用多模光纖作為測量元件更易于實現燈頭扭矩的動態在線檢測，且具有更高的精度和更低的成本。
權利要求
1.一種強度解調型燈頭扭矩光纖傳感器，包括均質圓形轉軸、金屬絲、傳感光纖、燈頭夾具、引導光纖，其特征在于
均質圓形轉軸的任意一端與燈頭夾具固定連接并與燈頭夾具同軸設置，所述的均質圓形轉軸的直徑為D，長度為L，40mm≤D≤50mm，100mm≤L≤150mm；金屬絲斜向緊貼繞置在均質圓形轉軸表面上，金屬絲與均質圓形轉軸的軸向的夾角為θ1，30°≤θ1≤60°，金屬絲的直徑為d，0.3mm≤d≤0.4mm；傳感光纖均勻繞置在均質圓形轉軸表面上且與金屬絲繞置方向相反，傳感光纖與均質圓形轉軸的軸向的夾角為θ2，40°≤θ2≤50°，傳感光纖繞置圈數為n，5≤n≤10；所述的金屬絲與傳感光纖在均質圓形轉軸表面上形成3～8個交叉點。
全文摘要
本發明涉及一種強度解調型燈頭扭矩光纖傳感器。傳統測量設備精確度不高，不易實現動態在線檢測。本發明包括均質圓形轉軸、金屬絲、傳感光纖、燈頭夾具、引導光纖。均質圓形轉軸的任意一端與燈頭夾具固定連接并與燈頭夾具同軸設置，金屬絲與均質圓形轉軸的軸向呈θ1緊貼設置在均質圓形轉軸表面上，傳感光纖與均質圓形轉軸的軸向呈θ2均勻繞置在均質圓形轉軸表面上；金屬絲與傳感光纖在均質圓形轉軸表面上形成交叉點。本發明采用全光纖結構，可在強電磁干擾環境下長期可靠的工作，且本發明具有更高的精度和較低的成本。
文檔編號G01L3/00GK101806646SQ20101014015
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者張樹生, 廖劍波, 杜國紅, 馬學條, 劉楊, 董懿 申請人:中國計量學院, 橫店集團得邦照明有限公司