本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸式光纖光柵角量傳感器。

背景技術(shù)：

隨著光纖光柵制作工藝的不斷提高和成熟，世界各國對光纖光柵的應(yīng)用研究迅速開展起來。伴隨著光纖光柵的優(yōu)良特性的逐步展現(xiàn)，其在傳感和通信領(lǐng)域得到了廣泛研究和應(yīng)用?？梢哉f光纖光柵技術(shù)是繼摻雜光纖放大器技術(shù)之后，光纖領(lǐng)域的又一重大突破。光纖光柵傳感器作為新型光纖傳感器，除具有重量輕，抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫等光纖傳感器的特點外，還具有許多獨特的優(yōu)點。

光纖光柵是自參考型傳感器，可以實現(xiàn)絕對測量(在對光纖光柵進行定標后)，不必如基于條紋計數(shù)的干涉型傳感器那樣要求初始當量標定；相比光纖傳感器具有更強的抗干擾能力：光纖光柵傳感系統(tǒng)從本質(zhì)上排除了各種光強起伏引起的干擾，例如，光源功率的起伏、光纖微彎效應(yīng)引起的隨機起伏、耦合損耗等；能制成各種結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小的傳感器探頭，適合于各種場合，便于埋入復(fù)合材料構(gòu)件及大型建筑物內(nèi)部，對結(jié)構(gòu)的完整性、安全性、結(jié)構(gòu)損傷狀況等進行實時監(jiān)測，構(gòu)建智能材料結(jié)構(gòu)；傳輸頻帶較寬。通常系統(tǒng)的調(diào)制帶寬為載波頻率的百分之幾，光波的頻率較傳統(tǒng)的位于光纖傳感和光纖通訊目前發(fā)展很好，因為它有很多重要的優(yōu)點，如高靈敏度，抗電磁干擾，能復(fù)用和組網(wǎng)以及波長絕對編碼等。

利用光纖光柵(Fiber Bragg Grating)波長偏移的特性由于外界施加應(yīng)變，已經(jīng)制造了多種基于光纖光柵的傳感器。然而，光纖光柵的旋轉(zhuǎn)角度傳感器仍然在文獻報道罕見。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種非接觸式光纖光柵角量傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)大范圍測量角量。

為了解決旋轉(zhuǎn)物體角量問題，本發(fā)明提出一種非接觸式光纖光柵角量傳感器，包括磁柵尺、轉(zhuǎn)盤和磁頭探測單元，其特征在于，所述的磁頭探測單元由塑料外殼、緩震泡沫、錄磁磁頭、環(huán)氧樹脂、金屬套管、錐型管、光纖光柵和光纖連接器組成；所述的磁柵尺均勻分布轉(zhuǎn)盤一周；所述的光纖光柵順次穿過錐型管、金屬套管、塑料外殼和緩震泡沫的中心與錄磁磁頭連接；所述的錄磁磁頭與緩震泡沫連接并位于緩震泡沫正上方；所述的塑料外殼為環(huán)形結(jié)構(gòu)，置于緩震泡沫外圍；所述錄磁磁頭位于塑料外殼的中心位置。

優(yōu)選的，所述的錄磁磁頭是永磁體，永磁體不易失磁，也不易被磁化而且極性不會發(fā)生變化。

優(yōu)選的，所述的錄磁磁頭優(yōu)選為雙磁頭，雙磁頭相位差為90°，雙磁頭方便識別磁柵尺的移動方向。

優(yōu)選的，所述的錐型管、金屬套管和塑料外殼順次通過環(huán)氧樹脂固定連接；所述的緩震泡沫與錄磁磁頭通過環(huán)氧樹脂固定連接；環(huán)氧樹脂固化方便，附著力強，化學性強、耐化學腐蝕同時具有良好的絕緣性和耐油性；

優(yōu)選的，所述的錐型管、金屬套管和塑料外殼的幾何中心位置設(shè)有通孔，通孔直徑0.25mm-3mm。

優(yōu)選的，所述的光纖光柵與光纖連接器固定連接。

所述的磁柵尺的形狀為圓形、橢圓形或多邊形；所述的轉(zhuǎn)盤形狀為圓形、橢圓形、長方形或正方形；優(yōu)選的，所述的磁柵尺為圓形磁柵尺，所述的轉(zhuǎn)盤為圓形轉(zhuǎn)盤。

優(yōu)選的，本發(fā)明的測試方法通過下式計算旋轉(zhuǎn)物體的角量：

Δλ_B＝υ*(F₀sinθ-mg)

其中：μ＝0或1

μ＝0或1(為0代表正弦，為1代表余弦)，F(xiàn)₀為磁頭與磁柵尺之間的最大作用力幅值，R為磁柵尺半徑，λ_m為磁柵周期，C為彈性模量，A為光纖光柵截面積，pe為有效彈光常數(shù)，λ_B為光纖光柵反射波長；

當磁柵尺旋轉(zhuǎn)時，對磁柵尺與磁頭間的作用力的最大值F₀進行計數(shù)，得到旋轉(zhuǎn)物體的角量。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明一種非接觸式光纖光柵角量傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)大范圍測量角速度、角加速度；與現(xiàn)有技術(shù)相比測量范圍大，精度高，測量裝置安裝方便簡單。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點將通過本發(fā)明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示出本發(fā)明一種非接觸式光纖光柵角量傳感器的傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2a示出本發(fā)明錄磁磁頭立體圖；

圖2b示出本發(fā)明錄磁磁頭向視圖；

圖3示意性示出本發(fā)明一種非接觸式光纖光柵角量傳感器工作連接圖；

圖4示出本發(fā)明雙磁頭主視圖結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5a示出本發(fā)明工作時直流電機旋轉(zhuǎn)角度與光纖光柵中心波長關(guān)系圖；

圖5b示出本發(fā)明工作時不同驅(qū)動電壓與光纖光柵中心波長關(guān)系圖。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

實施例1

如圖1所示為本發(fā)明的傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中磁柵尺102、轉(zhuǎn)盤101、磁頭探測單元103。

其中，本實施例的磁柵尺102為圓形磁柵尺，轉(zhuǎn)盤101為圓形轉(zhuǎn)盤。

圖2a所示為磁頭探測單元103的立體圖；圖2b所示為磁頭探測單元103的向視圖。所述的磁頭探測單元103包括塑料外殼201、緩震泡沫202、錄磁磁頭203、環(huán)氧樹脂204、金屬套管205、錐型管206、光纖光柵207和光纖連接器208。

其中，磁柵尺102均勻分布在轉(zhuǎn)盤101一周，磁柵尺102個數(shù)一般6-18個，根據(jù)需要而定。

本實施例錄磁磁頭203為永磁體。

其中，選用光纖光柵傳感器，波長在800nm-2000nm范圍內(nèi)，將光纖光柵207安裝至永磁體表面幾何中心位置，然后光纖光柵傳感器用環(huán)氧樹脂保護封裝；安裝緩震泡沫，光纖光柵207穿過緩震泡沫202幾何中心，緩震泡沫202中心通孔直徑與光纖光柵207的直徑匹配，一般設(shè)計通孔直徑為0.25mm-3mm，優(yōu)選的通孔直徑為0.25mm；塑料外殼201、金屬套管205和錐型管206通過環(huán)氧樹脂固定連接，所述的塑料外殼201置于金屬套管205正前方，包圍緩震泡沫202；所述錐型管206置于金屬套管205正后方；光纖光柵207順次穿過塑料外殼201、金屬套管205和錐型管206，塑料外殼201、金屬套管205和錐型管206的幾何中心通孔直徑尺寸與光纖光柵207直徑匹配，一般設(shè)計通孔直徑為0.25mm-3mm，優(yōu)選的通孔直徑為0.25mm；光纖光柵207與光纖連接器208固定連接，優(yōu)選的光纖連接器208是光纖跳線APC。

塑料外殼201限制錄磁磁頭203的橫向自由度，錄磁磁頭203與圓形磁性柵尺在磁力作用下相互吸引或排斥時，錄磁磁頭203僅在垂直于圓形磁性柵尺方向移動；塑料外殼201，金屬套管205和錐型管206限制光纖光柵207橫向自由度，光纖光柵207只承受軸向力。

本發(fā)明的工作原理是：

光纖光柵的基本傳感原理是寬帶光入射進入光纖，只有特定波長的光由光柵反射回來,反射波長值通常用λ_B表示，與光柵周期Λ和反向耦合有效折射率n_eff有關(guān)，耦合模式理論可得，滿足相位匹配條件的Bragg光柵的中心波長用式(1)表示:

λ_B＝2n_eff*Λ (1)

所有引起光纖光柵波長移位的因素中，最直接的是應(yīng)力和應(yīng)變參量，在引起光纖光柵中心波長移位可由式(2)統(tǒng)一描述:

Δλ_B＝2n_effΔΛ+2Δn_effΛ (2)

式中，ΔΛ為光纖本身存在應(yīng)力作用下的彈性形變；Δn_eff為光纖的彈光效應(yīng)。

不同的外界應(yīng)力狀態(tài)將導(dǎo)致ΔΛ和Δn_eff的不同變化。一般情況下，由于光纖光柵屬于各向同性的柱體結(jié)構(gòu)，所以施加其上的應(yīng)力可以在柱坐標系下分解為σ_r,σ_θ,和σ_z三個方向，只有σ_z作用的情況稱為軸向應(yīng)力的作用；只有σ_r和σ_θ的情況稱為橫向應(yīng)力作用，三者同時存在稱為體應(yīng)力作用。

Hooke定理的一般形式可以由式(3)表示，其均勻軸向應(yīng)力是指對光纖光柵進行縱向拉伸或壓縮，此時的光纖光柵的軸向應(yīng)變引起波長移位的縱向應(yīng)變靈敏度的傳感模型為式(4)，光纖光柵只承受軸向力，且在彈性范圍內(nèi)。

式中σ為應(yīng)力張量；C為彈性模量；ε為應(yīng)變張量；A為光纖光柵截面積；F為光纖光柵所受拉力；P_e為有效彈光常數(shù)，純?nèi)廴谑?shù)的P_e為0.216，ε_B為光纖光柵受軸向力產(chǎn)生的應(yīng)變。

將光纖光柵207垂直固定在錄磁磁頭203中心，塑料外殼201限制錄磁磁頭203橫向自由度，錄磁磁頭203只有軸向應(yīng)力的作用。錄磁磁頭吸引物體或排斥物體所施的力即是磁力，而磁力的大小與磁體本身有著密不可分的關(guān)系。錄磁磁頭優(yōu)選雙磁頭結(jié)構(gòu)，可以識別磁柵的移動方向。

圖4為本發(fā)明錄磁磁頭主視圖結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，所述的錄磁磁頭410為雙磁頭結(jié)構(gòu)；所述的塑料外殼420作為擋板，限制錄磁磁頭橫向自由度；所述的錐形管430固定光纖光柵。

所述的雙磁頭410彼此間距(n±1/4)λ_m(n為正整數(shù)，且(n±1/4)λ_m≤磁尺總長度)，雙磁頭與磁柵尺作用力用式(5)描述:

式中，F(xiàn)₀為磁頭與磁柵尺之間的最大作用力幅值，其值由錄磁磁頭本身性質(zhì)和磁頭與磁柵尺之間的距離決定；λ_m為磁柵周期；X為磁頭在磁性標尺上的位移量?？芍p磁頭之間相位相差900。

結(jié)合式(3)、(4)、(5)及磁頭受力平衡可以推出光纖光柵中心波長移位量Δλ_m與磁頭在磁性標尺上的位移量X之間的關(guān)系為：

式中，角量與波長移位量Δλ_B是未知量；μ的值為0或1(為0代表正弦，為1代表余弦)；m是磁頭的質(zhì)量；g是引力常數(shù)。

由于位移量x與角量θ關(guān)系為：

式中，R為磁柵尺半徑。

則光纖光柵中心波長移位量ΔλB與磁頭在磁性標尺上角量θ關(guān)系為：

Δλ_B＝υ*(F₀sinθ-mg) (8)

其中μ＝0或1。

由式(8)可知為光纖光柵中心波長變化量與角量之間有確定的關(guān)系，增加磁頭-磁柵尺之間的作用力最大幅值、減小磁頭質(zhì)量可以提高測量精度，磁頭的質(zhì)量直接影響了光纖光柵測量角量的靈敏度，小質(zhì)量的磁頭減弱了磁頭-磁柵尺之間的作用力，所以需要選擇合適的磁頭來提高測量靈敏度。

靈敏度的變化頻率與磁柵尺周期成反比，與柵尺半徑成正比。由式(8)可知，當圓磁柵尺旋轉(zhuǎn)時，可以對磁柵尺與磁頭力的作用力最大值進行計數(shù)，從而得到旋轉(zhuǎn)物體的角速度。

本發(fā)明一種非接觸式光纖光柵角量傳感器測試試驗。

試驗裝置包括電子測速儀310，發(fā)光紙311，直流電機312，電源313，磁柵盤314，磁頭探測單元315，寬帶光源316，環(huán)形器317，解調(diào)儀318以及個人電腦319。

其中，發(fā)光紙311固定在直流電機312右端，電子測速儀310正對于發(fā)光紙311中心位置；磁柵盤314固定在直流電機312左端，磁頭探測單元315正對于磁柵盤314的一個圓形磁性柵尺；環(huán)形器317為三端口環(huán)形器，寬帶光源316與環(huán)形器317的端口1通過連接跳線連接；解調(diào)儀318通過連接跳線與環(huán)形器317端口3連接；磁頭探測單元315通過連接跳線與環(huán)形器317端口2連接；個人電腦319通過串口與解調(diào)儀的端口連接。

本實施例中，電子測速儀310記錄直流電機312的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角；八個磁柵尺和轉(zhuǎn)盤組成的磁柵盤314固定在直流電機312的左端，磁頭對準其中一個磁柵位置，寬帶光源316(例如ASE光源)發(fā)出的寬譜光經(jīng)過環(huán)形器317入射到磁頭探測單元315的光纖光柵中，光纖光柵受與磁柵作用力產(chǎn)生形變，解調(diào)儀318(Ibsen解調(diào)儀)對反射譜解調(diào)尋峰，通過個人電腦319(上位機軟件)將中心波長值解調(diào)為光纖光柵傳感器的應(yīng)變。

本實施例中，錄磁磁頭采用永磁體，其中磁鐵的特征參數(shù)是：釤鈷為2:17，矯頑力幾何形狀為扁圓柱，直徑為8mm，厚度為2mm；8個永磁鐵圓心所在轉(zhuǎn)盤直徑D＝110mm，相鄰永磁鐵夾角45°且磁極性相反；光纖光柵采用低溫環(huán)氧樹脂固化24小時，用光譜儀AQ6370D(分辨率0.02nm)采集固化后穩(wěn)定中心波長值為1567.280nm；穩(wěn)壓源直流電機312供電，所述直流電機參數(shù)：直條雙軸減速馬達、減速比為1:48、工作電壓不低于6v且空載轉(zhuǎn)速不超過200rpm(Revolutions Per Minute)，所述直流電機312通過電壓旋轉(zhuǎn)按鈕調(diào)節(jié)電壓可以得到不同的直流電機轉(zhuǎn)速；設(shè)置解調(diào)儀318采樣數(shù)率為1000Hz，實時記錄0v-6v(間隔1v)電壓值下的傳感器單元中心波長隨時間的變化值。

其中，磁柵尺不僅限于是圓形磁柵尺，還可以是橢圓形或多邊形磁柵尺。轉(zhuǎn)盤不僅限于是圓形轉(zhuǎn)盤，還可以是橢圓形、長方形或正方形轉(zhuǎn)盤，優(yōu)選為圓形轉(zhuǎn)盤。

測試試驗結(jié)論：

假設(shè)錄磁磁頭面向磁柵盤極性為S極，根據(jù)極間的作用規(guī)律可知，同名磁極相互排斥，異名磁極相互異性，磁柵盤上S極性相鄰的N極永磁體決定了傳感磁頭受力的大小，進而決定光纖光柵在距離確定的位置中心波長紅移的最大量。根據(jù)電機旋轉(zhuǎn)角度與傳感單元中心波長關(guān)系圖圖5a得出，電機旋轉(zhuǎn)方向是與S極性相鄰的單個N極相同，由于永磁體的數(shù)量不同與FBG封裝擋板的設(shè)置，修正受力理論模型：

Δλ_B＝υ*(F₀∑(sinθ)-mg)

(nπ≤θ≤2nπ,n為正整數(shù)) (9)

典型中心波長為1550nm的石英光纖光柵，理論分析的應(yīng)變靈敏度為1.2pm/με。

本發(fā)明一種非接觸式光纖光柵角量傳感器工作時直流供電電機電壓不同，轉(zhuǎn)速會不同，在電機供電電壓為3V時，光纖光柵角量傳感器的中心波長與旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系曲線如下圖5a所示。

本發(fā)明一種非接觸式光纖光柵角量傳感器工作時穩(wěn)壓電源輸出不同電壓控制直流電機帶動圓形磁柵尺旋轉(zhuǎn)，得出光纖光柵角量傳感器在不同電壓下的中心波長變化值如圖5b所示。

不同驅(qū)動電壓光纖光柵傳感中心波長隨時間的周期性變化，電壓越大，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)角速度越大，中心波長隨時間變化周期越短。

由于電壓不同，電機旋轉(zhuǎn)角速度不同，對在同一電壓下對中心波長隨時間變化進行傅里葉變換，得出旋轉(zhuǎn)角速度，同時記錄智能數(shù)字轉(zhuǎn)數(shù)表數(shù)顯的角速度。數(shù)字轉(zhuǎn)速表測得角速度與光纖光柵錄磁磁頭測得比值1.02，在轉(zhuǎn)速超過20rpm，線性度可達0.998。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實踐，本發(fā)明的其他實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。