基于光纤布拉格光栅的可调量程轮辐式扭矩传感器的研究

发布时间：2020-04-26 07:57

【摘要】：本课题的研究目的是设计一种能测量多种扭力范围的扭矩传感器。在对布拉格光纤光栅的应变特性及传感原理进行深入分析后,设计了一种可调量程轮辐式光纤布拉格光栅扭矩传感器。该扭矩传感器具有量程可调、测量精度较高、测量方式灵活的特性,同时在一定程度上消除了扭力测量实验中温度对光栅波长漂移的影响。本文主要研究内容包括以下几个方面:首先,介绍了现有的不同种类扭矩测量方法,并分析了各自的工作原理及优缺点,并对光纤光栅扭矩传感器的国内外研究现状进行了简要说明;其次,对光纤光栅的传感机理进行了分析,包括其温度和应力特性以及交叉敏感特性,介绍了扭矩测量的基本原理,并将光纤光栅传感原理与扭矩测量原理相结合,初步建立了光纤光栅扭矩传感模型。介绍了几种常见的解决温度应变灵敏度交叉问题的方案,对不同解决方法的工作特点进行了分析,根据实际测量条件选择合适的解决方法;再次,分别建立了轴结构和轮辐结构两种扭矩传感模型,在理论研究的基础上对两种模型分别进行了仿真分析,并根据仿真结果分别对两种结构进行了尺寸和形状的优化。为了在实验室对轮辐式扭矩传感器进行扭矩测量,搭建了扭力测试平台;最后,通过正、反行程扭力测量及温度测量实验得到光纤光栅扭矩传感器的工作性能,根据测量参数对传感器的各项静态参数进行分析计算。
【图文】：

扭矩测量,应变片,工作原理图

光栅已广泛应用在应变、应力、温度等工业测量和健康监测等领域。因此，在劣环境下的扭矩测量中使用光纤光栅传感技术是可行的，进行这方面的实验研于解决在恶劣环境下扭矩的测量是非常有必要的。.2 国内外扭矩传感器国内外对扭矩测量技术的研究可以说是历史悠久，按测量原理分类，扭矩传量可分为电阻应变片式、磁电式、光电式、电容式、无线声表面波式等各种各扭矩传感器。为了便于比较全面的了解扭矩测量技术，下面将对几种扭矩传感行介绍[14-16]。(1)电阻应变片式扭矩传感器当传动轴受到一定量的扭矩时，粘贴在传动轴应变电桥的电阻大小改变，因此会有微小的电压流向与应变电桥相连接的导电，再经放大电路放大到能被外接测试装置感应的电压值。传动轴发生的应变与的大小存在线性关系。其工作原理如图 1-1 所示。

扭矩测量,磁电式,工作原理图

第 1 章绪论实验发现，为了使电阻应变片感受到同方向上的最大应变力，需将 4 个应的应变电桥粘贴在沿传动轴 45°轴向方向上。应变式扭矩测量方法被广泛应用在许多领域。其优点是成本低、结构简单能好、测量灵敏度高；其缺点是抗干扰性能差，而且温度的高低、空气的剂的型号或用量等都会对测量的准确度产生影响。到目前为止，应变式扭亟待解决的关键问题是在旋转状态下进行无线能量供给和无线信号传输[17(2)磁电式扭矩传感器按测量方法分类属于非接触式测量扭矩传感器。使个完全相同的齿形轮盘(相差盘)安装在在被测弹性元件上相距一定距离的离轮盘顶很近的位置安放一个信号采集系统(在磁芯上绕一固定线圈而成，检测器)[18]。如图 1-2 所示，轮盘会随着弹性元件工作一起转动，两个信号会分别收到一路正弦信号。当弹性元件不受扭矩时，两正弦信号完全重合为 0，当给弹性元件施加一定量的扭矩的时候，，相位差与施加的扭矩大小成
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;TN253

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