基于保偏光纤萨格纳克环的光纤扭矩传感系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供基于保偏光纤萨格纳克环的光纤扭矩传感系统，属于扭矩测量设备领域，包括宽带光源、光谱分析仪、耦合器、旋钮夹具装置、传感装置和光纤夹具装置；传感装置的一端与耦合器的第二端口连接；传感装置的另一端与耦合器的第四端口连接；传感装置与耦合器的第二端口和第四端口的连接处分别固定有旋钮夹具装置和光纤夹具装置；宽带光源的输出端与耦合器的第一端口连接；光谱分析仪的输入端与耦合器的第三端口连接；解决的是现有的扭矩测量系统精度不高、结构复杂、成本较高等问题。
【专利说明】
基于保偏光纤萨格纳克环的光纤扭矩传感系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及扭矩测量设备领域，具体来说是涉及基于保偏光纤萨格纳克环的光纤扭矩传感系统。
【背景技术】
[0002]扭矩是使物体发生转动的一种特殊力矩，是在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数。扭矩测试的方法多种多样，传统的方法有应变片法和各种光学、光电子学、磁学、电磁学等方法。但传统的测量方法易受到外部因素的影响，如粉尘、磁场变化等。光纤传感器具有技术先进、可靠性高、适应性强、价格便宜等优点，已被广泛地应用于光传感领域。
[0003]为了精确地测量出扭矩且满足不同用途的需求，关于如何定量测量扭矩的各式各样方法相继被提出来，而基于光纤材料的扭矩测量研究也取得了一定的成果。主要有组合式扭梁传感结构、基于光纤微弯损耗测量旋转轴扭矩、轮辐式光纤光栅扭矩传感器等方案。组合式扭梁传感结构主要是将一定长度的布拉格光纤光栅沿轴向呈一定角度刚性粘贴于界线的表面，实现了免受温度影响的光纤光栅扭转传感测量，但布拉格光纤光栅内实现的是纤芯正反向模式的耦合，会受到由后向反射引起的光源震荡的影响;基于光纤微弯损耗测量旋转轴扭矩能够在腐蚀性介质及污染等恶劣环境下进行测量，抗干扰及耐腐蚀性较强，但其测量系统比较复杂，不适合工程推广;轮辐式光纤光栅扭矩传感器创新地将双月牙弧形状的辐条结构用于扭矩测量方面，但实验结构复杂，光纤光栅较难粘贴，粘贴的方向和位置也较难确定，极易产生粘贴偏差。因此需要研究出一种实验结构简单、操作简便、测量精度高、成本较为低廉的扭矩检测系统。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型需要解决的是现有的扭矩测量系统精度不高、结构复杂、成本较高等问题，提供基于保偏光纤萨格纳克环的光纤扭矩传感系统。
[0005]本实用新型通过以下技术方案解决上述问题:
[0006]基于保偏光纤萨格纳克环的光纤扭矩传感系统，包括宽带光源、光谱分析仪、親合器、旋钮夹具装置、传感装置和光纤夹具装置;传感装置的一端与耦合器的第二端口连接；传感装置的另一端与耦合器的第四端口连接;传感装置与耦合器的第二端口和第四端口的连接处分别固定有旋钮夹具装置和光纤夹具装置;宽带光源的输出端与耦合器的第一端口连接;光谱分析仪的输入端与耦合器的第三端口连接。
[0007]为了能更好测量物体旋转的角度，上述方案中，优选的是传感装置包括两段单模光纤、两段保偏光纤和一段多模光纤;连接方式为单模光纤-保偏光纤-多模光纤-保偏光纤-单模光纤。
[0008]进一步的，上述方案中，优选的是单模光纤的长度为5-15cm，多模光纤与保偏光纤的长度为3-7cm0
[0009]上述方案中，优选的是旋钮夹具装置包括旋钮转盘、第一夹具支座和第一热缩管；第一热缩管固定在传感装置与耦合器第二端口的连接处;旋钮转盘固定在第一热缩管上；第一夹具支座悬挂在旋钮转盘正下方;第一热缩管可以对光纤起到保护的作用，防止在旋转过程中接口处出现损坏，旋钮转盘方便用户进行旋转。
[0010]上述方案中，优选的光纤夹具装置包括光纤固定夹、第二夹具支座和第二热缩管；第二热缩管固定在传感装置与耦合器第四端口的连接处;光纤固定夹固定在第二热缩管上;第二夹具支座悬挂在光纤固定夹的正下方;光纤固定夹主要把光纤的一端固定在其他的物体上，使光纤的一端不发生转动。
[0011 ]上述方案中，优选的耦合器为定向耦合器，定向耦合器具有两个输入口和两个输出口，可以很好满足用户需要。
[0012]本实用新型的优点与效果是:
[0013]1、本实用新型将通过传感装置的光信号耦合入耦合器中，增强了模间干涉信号的消光比和相干信噪比，提高了扭矩测量系统的测量精度；
[0014]2、本实用新型使用宽带光源、光谱分析仪、耦合器和传感装置构成的扭矩测量系统，结构比较简单；
[0015]3、通过单模光纤、多模光纤、保偏光纤熔接而成的传感器，结构简单，成本低廉，操作简便，具有很强的实用性。
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型的总体装置结构图。
[0017]图中标号说明:1宽带光源；2光谱分析仪;3耦合器;3.1第一端口；3.2第二端口；3.3第三端口； 3.4第四端口； 4旋钮夹具装置;4.1旋钮转盘;4.2第一夹具支座;4.3第一热缩管;5传感装置;5.1单模光纤;5.2保偏光纤;5.3多模光纤;6光纤夹具装置;6.1光纤固定夹；6.2第二夹具支座;6.3第二热缩管。
【具体实施方式】
[0018]以下结合实施例对本实用新型作进一步说明。
[0019]基于保偏光纤萨格纳克环的光纤扭矩传感系统，如图1所示，主要包括宽带光源1、光谱分析仪2、耦合器3、旋钮夹具装置4、传感装置5和光纤夹具装置6。宽带光源I使用浩源光电的型号为HY-ASE-C-G-13-B-FA的宽带光源，它具有价格便宜，使用寿命长的优点，也可以根据用户需要进行调节光源的功率，可以更好满足人们的需要。光谱分析仪2使用型号为为OSA或AQ6370C的光谱分析仪，可以清楚的在屏幕上进行分析呈现干涉光谱的波形图；各器件之间的连接要保持一定的畅通性，优选专业的连接头，进而减少激光在传播时产生损耗，增强传感系统的传感效果。
[0020]传感装置5包括两段单模光纤5.1、两段保偏光纤5.2和一段多模光纤5.3 ；连接方式为单模光纤-保偏光纤-多模光纤-保偏光纤-单模光纤;单模光纤5.1的长度为5-15cm，模光纤5.1的纤芯直径为8-10um，包层直径125um;多模光纤5.3与保偏光纤5.2的长度为3-7cm，保偏光纤5.2的纤芯直径为9-11.5um，包层直径125um。光纤之间熔接时在熔纤机上选用熔接模式均为MM-MM模式，在熔接光纤时保证熔接头的平整与清洁，增强传感系统的耐用性与实用性。[0021 ]单模光纤5.1只能传输一种模式的光，它的模间色散较小，可实现长距离传输;多模光纤5.3可同时传输多种模式的光，在光纤传感中可利用其激发多种模式的特性，实现互不干扰且同时传输;保偏光纤5.2由于其传输过程偏振态稳定，损耗较低，提高了相干信噪比，可以实现对物理量的高精度测量。
[0022]光从入射端单模光纤5.1经保偏光纤5.2射入到多模光纤5.3中，激发出多模光纤5.3纤芯中的基模和众多高阶模。这些基模和高阶模传输到多模光纤与保偏光纤5.2的熔接处时，满足一定条件的模式会发生干涉，进而使得能量重新分配，并在透射谱上产生干涉峰和干涉谷对应的特征波长。
[0023]旋钮夹具装置4包括旋钮转盘4.1、第一夹具支座4.2和第一热缩管4.3;第一热缩管4.3固定在传感装置5与耦合器3第二端口 3.2的连接处;旋钮转盘4.1固定在第一热缩管4.3上;第一夹具支座4.2悬挂在旋钮转盘4.1正下方，第一热缩管4.3可以对光纤起到保护的作用，防止在旋转过程中接口处出现损坏，旋钮转盘方便用户进行旋转。
[0024]光纤夹具装置6包括光纤固定夹6.1、第二夹具支座6.2和第二热缩管6.3;第二热缩管6.3固定在传感装置5与耦合器3第四端口3.4的连接处;光纤固定夹6.1固定在第二热缩管6.3上;第二夹具支座6.2悬挂在光纤固定夹6.1的正下方，光纤固定夹6.1主要把光纤夹具装置6—端进行固定，使在旋转过程中，光纤夹具装置6可以产生转角。
[0025]耦合器3为3db定向耦合器，包括第一端口(3.1)、第二端口(3.2)、第三端口(3.3)和第四端口(3.4)，可以很好满足用户的需求。
[0026]宽带光源(I)发出光信号进入耦合器均等地分成两路沿相反方向的光学路径环传播，当对传感部分施以扭矩时，相向传播的光路信号的互异性被打破，导致两束光的相位移不同，从而产生相位差，这些方向相反的信号重新输入耦合器并形成干涉，通过光谱测量装置可呈现干涉光谱的波形图。
[0027]本方案的工作过程:
[0028]在测试其它物体扭矩时，按图1所示装置连接，把需要测量的物体与传感装置5固定连接，用户旋转旋钮转盘4.1使传感装置5和被测物体旋转不同角度，扭转角度后会改变光纤折射率，折射率的改变将直接影响到传感器输出光信号，光谱仪2检测传感装置5旋转不同角度时输出光信号的相对变化，即可获取待测的扭矩。
[0029]以上已对本实用新型创造的较佳实施例进行了具体说明，但本实用新型并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型创造精神的前提下还可以作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请的范围内。
【主权项】
1.基于保偏光纤萨格纳克环的光纤扭矩传感系统，其特征在于:包括宽带光源(I)、光谱分析仪(2)、耦合器(3)、旋钮夹具装置(4)、传感装置(5)和光纤夹具装置(6);传感装置(5)的一端与耦合器(3)的第二端口(3.2)连接;传感装置(5)的另一端与耦合器(3)的第四端口(3.4)连接;传感装置(5)与耦合器(3)的第二端口(3.2)和第四端口(3.4)的连接处分别固定有旋钮夹具装置(4)和光纤夹具装置(6);宽带光源(I)的输出端与耦合器(3)的第一端口( 3.1)连接;光谱分析仪(2)的输入端与耦合器(3)的第三端口( 3.3)连接。2.根据权利要求1所述的基于保偏光纤萨格纳克环的光纤扭矩传感系统，其特征在于:所述传感装置(5)包括两段单模光纤(5.1)、两段保偏光纤(5.2)和一段多模光纤(5.3);连接方式为单模光纤-保偏光纤-多模光纤-保偏光纤-单模光纤。3.根据权利要求2所述的基于保偏光纤萨格纳克环的光纤扭矩传感系统，其特征在于:所述单模光纤(5.1)的长度为5-15011，多模光纤(5.3)与保偏光纤(5.2)的长度为3-701104.根据权利要求1所述的基于保偏光纤萨格纳克环的光纤扭矩传感系统，其特征在于:所述旋钮夹具装置(4)包括旋钮转盘(4.1)、第一夹具支座(4.2)和第一热缩管(4.3);第一热缩管(4.3)固定在传感装置(5)与耦合器(3)第二端口(3.2)的连接处;旋钮转盘(4.1)固定在第一热缩管(4.3)上;第一夹具支座(4.2)悬挂在旋钮转盘(4.1)正下方。5.根据权利要求1所述的基于保偏光纤萨格纳克环的光纤扭矩传感系统，其特征在于:所述光纤夹具装置(6)包括光纤固定夹(6.1)、第二夹具支座(6.2)和第二热缩管(6.3);第二热缩管(6.3)固定在传感装置(5)与耦合器(3)第四端口(3.4)的连接处；光纤固定夹(6.1)固定在第二热缩管(6.3)上;第二夹具支座(6.2)悬挂在光纤固定夹(6.1)的正下方。6.根据权利要求1所述的基于保偏光纤萨格纳克环的光纤扭矩传感系统，其特征在于:所述耦合器(3)为定向耦合器。
【文档编号】G01L3/04GK205642682SQ201620316963
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】唐旭雯, 潘香君, 梁喜注, 吴安琪, 林茜文, 胡君辉, 阳丽
【申请人】广西师范大学