光导纤维转角和扭矩传感器.pdf

本发明光导纤维转角与扭矩传感器属测试领域。
    美国专利4384203所述的《光纤角位置传感器》，主要由导线接引电器、光源、发射光纤束、接收光纤束、光敏元件等组成。发射光纤束与接收光纤束在同一轴线上，两光纤束在耦合处，其端面与纵轴成30°～35°的倾斜端面。发射光纤束传输光源来的光量，接收光纤束传输发射光纤束在倾斜端面处透射后的光量至光敏元件。当两光纤束绕其轴线作相对旋转时，即两光纤束之间有角度变化时，光敏元件所接收的光信号将发生变化，并将变化的光信号变为电信号输出，根据光敏元件输出信号的变化的大小，测出旋转角度的大小。这种《光纤角位置传感器》由于光纤束端面的倾斜角限制在30°～35°之间，灵敏度不高，整个测量系统需要两个引电器，结构较复杂，成本高，使用不方便，且影响精度，况且测量范围小，只有±15°。

    本发明的目的在于制造一种灵敏度高，线性度好，测量范围大，成本低，结构简单，体积小，使用方便的光导纤维转角与扭矩传感器。

    本发明是利用斜角光纤与反射镜面之间的耦合原理制成的，它由光源、组合光纤探头、反射镜面、光敏元件及导线引电器等主要部分组成。所谓斜角光纤是指组合光纤探头（或称分叉光纤探头）的测量端光纤端面抛成与其轴线大于20°小于70°的倾斜面，反射镜面也相应地安装成大于20°小于70°的倾斜面，以便与组合光纤探头作相对旋转而耦合。所谓组合光纤探头是将发送光纤和接收光纤组成一个整体的探头，其中一个分叉的光纤束为发送光纤。另一个分叉地光纤束为接收光纤。发送光纤将光源的光量传送至光纤的输出端，照射到反射镜面上，而接收光纤将反射镜面反射后的光量传送到光敏元件上，当光纤端面与反射镜作相对旋转时，光纤端面与反射镜面之间的距离将发生变化，则进入接收光纤照射在光敏元件上的光通量就随之发生变化，使光敏元件输出的电信号的大小也随之变化。根据光敏元件输出信号的大小，即可确定转角或扭矩的大小。

    由于本发明是利用斜角光纤与反射镜面之间的耦合原理制成的，在光纤测量端，其端面法线与其轴线的夹角可根据用途的要求选择最佳值，以提高灵敏度。另外，由于光纤探头制成斜面，反射镜面也与之对应地安装成斜面，当两个斜面相对旋转于不同角度时，则每根光纤与镜面之间的距离变化较大，故线性度好，测量范围大，况且由于用组合光纤探头，只需一个引电器，故结构较简单，体积小，成本低，使用方便，精度也可相应提高，可达0.1%，分辨率千分之五度。

    本发明的附图有：

    附图1    原理图

    附图2    光导纤维转角传感器结构示意图

    附图3    光导纤维扭矩传感器结构示意图

    附图1中的〔1〕反射镜    〔2〕组合光纤探头

    〔3〕光敏元件    〔4〕光源

    〔5〕导线接引电器

    附图2为本发明的实施例，它由组合光纤探头〔1〕，反射镜面〔2〕，反射杆〔3〕，连接板〔4〕，园筒〔5〕，导向轴〔6〕，限位销〔7〕，连接板〔8〕，弹簧〔9〕，发光管〔10〕，光敏三极管〔11〕等主要部分组成。组合光纤探头〔1〕与发光管〔10〕，光敏三极管〔11〕组成一整体，而组合光纤探头〔1〕通过连接板〔4〕固定在园筒〔5〕上，其中组合光纤探头〔1〕的测量端，其端面法线与其轴线构成45°的倾斜面，反射镜〔2〕与轴线成45°的倾斜角，安装在反射镜〔3〕上，反射杆〔3〕与导向轴〔6〕及连接板〔8〕互为紧配合。并由弹簧〔9〕将导向轴〔6〕压紧在园筒〔5〕的端面上，从而限定了反射镜面的轴向位置。连接板〔8〕上开有限位〔12〕。测量时利用连接板〔8〕的螺孔〔13〕与被测轴端面连接，利用园筒〔5〕的螺孔〔14〕与固定不动的基体连接。当被测体有一转角时，组合光纤探头〔1〕与反射镜面〔2〕作相对旋转，则接收光纤束的光通量发生改变，随之使得光敏管上的光信号发生变化，而达到测量的目的。

    附图3为光导纤维扭矩传感器结构示意图。由图可知，它与转角传感器的结构基本相同，所不同的是它有一个承受扭矩的弹性元件，图中采用四根杆的弯曲来承受扭矩，也可采用各种不同直径的园管作为弹性元件，制成不同量程的扭矩传感器。

    原理实验表明，本发明旋转角在0～180°之间，有一段可拟合成线性，转角测量范围可达±22.5°。实验与理论计算还表明，组合光纤探头的测量端，其端面法线与轴线成45°的倾斜面时，灵敏度最高。