基于光纤光散射感应的扭力传感器
技术领域
本发明涉及扭力传感器技术领域，特别是涉及一种基于光纤光散射感应的扭力传感器。
背景技术
扭矩测试比较成熟的检测手段为应变电测技术。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。这就是基本的扭矩传感器模式。但是在旋转动力传递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递，通常的做法是用导电滑环来完成。由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而，限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命，并且由于接触不可靠引起信号波动，从而造成测量误差大甚至测量不成功。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种基于光纤光散射感应的扭力传感器，以解决现有技术中至少一个问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种基于光纤光散射感应的扭力传感器，所述扭力传感器包括：壳体；轴体，固定连接于所述壳体两端的可活动端体之间；两端的所述可活动端体分别用于固定连接被测旋转轴，以在至少一端的所述被测旋转轴旋转时带动对应端的所述端体旋转，从而将扭力传递到轴体上；所述轴体上规则缠绕有光纤；所述光纤一端为入射端，一端为出射端；所述入射端连接有第一信号转换器，以用于将入射端发射的脉冲光因光散射而反射回所述入射端的光信号转换为第一数字信号；所述出射端连接有第二信号转换器，以用于将入射端发射的脉冲光由所述出射端射出的光信号转换为第二数字信号；换算单元，用于依据所述第一数字信号与第二数字信号得到基于布里渊散射效应的特征值信息，据以从所述换算单元内存储的表征不同特征值信息与扭力值对应关系信息中提取对应的扭力值。
于本申请的一实施例中，当所述轴体因扭力产生形变时，能带动其上缠绕的所述光纤进行一定程度的拉伸或位移，从而使所述光纤产生的光信号中基于布里渊散射效应的特征值信息发生变化。
于本申请的一实施例中，所述基于布里渊散射效应的特征值信息包括：布里渊散射光峰值、及布里渊散射光的频率差。
于本申请的一实施例中，所述表征不同特征值信息与扭力值的对应关系信息是通过在大量的不同扭力环境下，计算不同布里渊散射光峰值、及布里渊散射光的频率差所对应的应变力，并将应变力换算为相应的扭力值，从而得到不同的布里渊散射光峰值、及布里渊散射光的频率差与实际的扭力值的对应关系表。
于本申请的一实施例中，所述布里渊散射光峰值、及布里渊散射光的频率差与实际的扭力值为有线性关系。
于本申请的一实施例中，所述表征不同特征值信息与扭力值的对应关系信息中包含：在零扭力环境下的布里渊散射光峰值、及布里渊散射光的频率差为出厂时的特征值信息。
于本申请的一实施例中，所述入射端、出射端、第一信号转换器、第二信号转换器、及换算单元中至少部分置于所述壳体内；或，所述入射端、出射端、第一信号转换器、第二信号转换器、及换算单元至少部分置于所述壳体外。
于本申请的一实施例中，所述入射端与出射端为多组，以供发射不同频率的脉冲光。
于本申请的一实施例中，所述扭力传感器还包括：通信单元，用于将提取到的扭力值通信传输至仪表设备或外部设备。
于本申请的一实施例中，所述扭力传感器还包括：稳定电源单元，以向所述光纤、第一信号转换器、第二信号转换器、及换算单元供电。
综上所述，本申请的一种基于光纤光散射感应的扭力传感器。本申请通过光线光信号在变化的应力通道(旋转轴)中传输产生的不同散射特征，以归纳出应变力从而换算出具体扭力，可以避免因其信号波动、及其他电磁干扰，减少测量误差，节约传感器造价及体积，极大提高了扭力测量的精度和准确度。
附图说明
图1显示为本申请于一实施例中基于光纤光散射感应的扭力传感器应用的场景示意图。
图2A显示为本申请于一实施例中基于光纤光散射感应的扭力传感器的结构示意图。
图2B显示为本申请于另一实施例中基于光纤光散射感应的扭力传感器的结构示意图。
图3显示为本申请于一实施例中的布里渊散射效应的波形示意图。
图4显示为本申请于一实施例中多组入射端与出射端的扭力传感器的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，虽然图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，但其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在通篇说明书中，当说某部分与另一部分“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部分“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素，排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。
其中提到的第一、第二及第三等术语是为了说明多样的部分、成分、区域、层及/或段而使用的，但并非限定于此。这些术语只用于把某部分、成分、区域、层或段区别于其它部分、成分、区域、层或段。因此，以下叙述的第一部分、成分、区域、层或段在不超出本申请范围的范围内，可以言及到第二部分、成分、区域、层或段。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
针对滑环容易出现的这种情况，本申请去除应变片、及滑环的设计，改为通过光线光信号在变化的应力通道(旋转轴)中传输产生的不同散射特征，以归纳出应变力从而换算出具体扭力。本申请主要涉及利用布里渊散射做应力分析，根据应力图像变化反求扭力的传感技术，此技术的精度和准确度对于现有的扭力测量有极大提升。
如图1所示，展示为本申请于一实施例中基于光纤光散射感应的扭力传感器应用的场景示意图。如图所示，本申请所述基于光纤光散射感应的扭力传感器100的常见的使用场景包括：本申请所述的扭力传感器100两端连接的联轴器200，其中一联轴器200用于连接动力设备300，另一联轴器200用于连接负载设备400。其中，通过动力设备300输出动力以带动被测旋转轴转动，进而通过两个联轴器20与扭力传感器100带动负载设备400运转。其中，所述待测旋转轴可贯穿两个联轴器20与扭力传感器100、及负载设备400的一体旋转轴，可以是分段的旋转轴，并分别通过两个联轴器20与扭力传感器100将分段的旋转轴进行耦合，以实现动力设备300输出的扭力传导至负载设备400。而本申请所述的扭力传感器100则用于检测该过程中传递的扭力值。
如图2A所示，展示为本申请于一实施例中基于光纤光散射感应的扭力传感器的结构示意图。如图所示，所述扭力传感器100包括：壳体110。
轴体120，固定连接于所述壳体110两端的可活动端体之间；两端的所述可活动端体分别用于固定连接被测旋转轴，以在至少一端的所述被测旋转轴旋转时带动对应端的所述端体旋转，从而将扭力传递到轴体120上；
本实施例中，所述轴体120对应为分段式的旋转轴连接，即对应图1中所述电力设备 300300输出的动力传导至负载设备400400的过程中需要多节旋转轴的联动。而在一些实施例中，所述壳体110还可拆卸，所述轴体120与所述被测旋转轴为同一轴体120，同时，该轴体120可贯穿所述壳体110两端的可活动端体。
所述轴体120上规则缠绕有光纤130；所述光纤130一端为入射端，一端为出射端。
本申请所基于的原理是：当所述轴体120因扭力产生形变时，能带动其上缠绕的所述光纤130进行一定程度的拉伸或位移，从而使所述光纤130产生的光信号中基于布里渊散射效应的特征值信息发生变化。
本申请采用光纤130缠绕于轴体120上，通过轴体120的转动，采集旋转轴转动时带来的光信号变化，通过数据对比来反求扭力。在本申请的扭力传感器100中，去掉了应变片以及导电滑环，从而可以避免因导电滑环的磨擦接触，而造成的磨损并发热以及限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命的问题，以及由于接触不可靠引起信号波动，从而造成测量误差大甚至测量不成功的问题。
所述入射端连接有第一信号转换器141，以用于将入射端发射的脉冲光因光散射而反射回所述入射端的光信号转换为第一数字信号；所述出射端连接有第二信号转换器142，以用于将入射端发射的脉冲光由所述出射端射出的光信号转换为第二数字信号。
换算单元，用于依据所述第一数字信号与第二数字信号得到基于布里渊散射效应的特征值信息，据以从所述换算单元内存储的表征不同特征值信息与扭力值对应关系信息中提取对应的扭力值。
于本申请一实施例中，所述基于布里渊散射效应的特征值信息包括：布里渊散射光峰值、及布里渊散射光的频率差。
简单来说，在向光纤130发射一束脉冲光时，该脉冲光会以略低于真空中的光速的速度向前传播，同时向四周发射散射光。散射光的一部分又会沿光纤130返回到入射端，反射回入射端的反射光中，有一种光称做布里渊(Brillouin)散射光。该布里渊(Brillouin)散射光含有两种成份：斯托克斯(Stokes)光和反斯托克斯(Anti tokes)光。其中，Stokes光的强度与应力和振动无关，而Anti-Stokes光的强度则随温度变化。因此，根据斯托克斯光与反斯托克斯光的特性，可通过测试光脉冲返回的时间得到布里渊散射光的峰值，以及频率差(或相位差)。需要说明的是，虽然布里渊散射光是存在于反射回入射光的散射光中，但还需要出射端射出的脉冲光的光信号，以获取光线中一脉冲光的周期或时间，从而整合光信号以得到布里渊散射光的峰值，以及频率差。
如图3所示，展示为布里渊散射效应的波形示意图。如图所示，图中光信号能量最高的是入射光，而仅低于入射光的两个波峰，则为两个布里渊散射的峰值，且两个布里渊散射的峰值(或能量)相等，分别位于能量最高的入射光的两侧，左侧布里渊散射的峰值的前段为斯托克斯信号，其能量要远低于布里渊散射的峰值；而右侧布里渊散射的峰值的后段为返斯托克斯信号，其能量也要远低于布里渊散射的峰值。因此，通过入射光的峰值和斯托克斯信号、及返斯托克斯信号的特点，可以轻易判断出布里渊散射的峰值(或能量)的时间或位置，进而可以得到一脉冲周期下布里渊散射的频率差(或相位差)。
而本申请则主要依据布里渊散射光峰值、及布里渊散射光的频率差来作为布里渊散射效应中特征值信息，然后通过当所述轴体120因扭力产生形变时带动所述光纤130进行一定程度的拉伸或位移，从而使所述光纤130产生的光信号中基于布里渊散射效应的特征值信息发生变化，进而得出相应的扭力值。
于本申请一实施例中，所述布里渊散射光峰值、及布里渊散射光的频率差与实际的扭力值为有线性关系。
于本申请一实施例中，所述表征不同特征值信息与扭力值的对应关系信息是通过在大量的不同扭力环境下，计算不同布里渊散射光峰值、及布里渊散射光的频率差所对应的应变力，并将应变力换算为相应的扭力值，从而得到不同的布里渊散射光峰值、及布里渊散射光的频率差与实际的扭力值的对应关系表。
需要说明的是，本申请通过不同特征值信息与扭力值的对应关系表，来快速的提取所依据所述第一数字信号与第二数字信号得到基于布里渊散射效应的特征值信息多对应的扭力值，其与现场计算相比，可以大大减少计算设备或处理设备的内存需求及计算时间，并且可以大大减少相应设备的体积。对于扭力传感器100来说，其使用的场景的可用空间往往比较狭小，因此，体积越小越优势。
另外需要说明的是，计算布里渊散射光峰值、及布里渊散射光的频率差所对应的应变力，在本领域已有相应的计算方法。因此，本申请的特点并非依赖该方法。仅是针对光纤130不同的缠绕圈数或缠绕密度，以分别计算对应的特征值信息与扭力值对应关系。
例如，本申请所述的换算单元仅存储有预先通过大量测试以计算的到的表征不同特征值信息与扭力值对应关系信息表，然后换算单元仅通过获取的所述第一数字信号与第二数字信号得到基于布里渊散射效应的特征值信息，然后依据特征值信息从对应关系信息表中提取相应的扭力值即可。并且计算布里渊散射光峰值、及布里渊散射光的频率差所对应的应变力属于本领域现有技术，仅针对本扭力传感器100中轴体120上缠绕的光纤130的缠绕圈数或缠绕密度进行相应计算即可。因此，本申请所述的转换单元150并非依赖计算机程序或方法，而是依赖扭力传感器100整体的结构组合。
举例来说，应力量和监测到的布里渊散射是具备线性关系的，具体计算如下：
为体现光和力学耦合的本质，我们从弹性力学方程组和麦克斯韦方程组出发，推导新形式的散射方程组。在推导过程中，假设介质为各向同性的线弹性体，光场采用平面波近似，泵浦光和散射光同为线偏振，且偏振方向一致。弹性力学控制方程组为：
平衡方程(动态)：
几何方程(线性)：
本构方程(各向同性)：σij＝λεkkδij+2Gεij(4)
其中，λ，G为拉梅系数；fi是电致伸缩力，它与施加在介质上的电场的平方的梯度成正比；fi＝-γ(E2)i/2，γ为电致伸缩系数；u表示质点的位移分量，ui，j＝5ui/5xj，xj为坐标分量。
式(2)～(4)构成弹性力学理论的基本方程组，在求解时可采用位移法，即选取位移分量为基本未知量，并用它来表示应力和应变，然后代入平衡方程，整理之后可得到位移形式的运动方程：
在SBS过程中产生的弹性波都是高频振荡的超声波，频率一般为1010～1011Hz，在介质中具有极强的衰减，可以在(5)式中唯象地引入衰减项来表示这一过程，于是有：
式中:η为粘滞系数。
光波作为电磁波在介质中传播应遵守普遍的Maxwell方程组，只考虑不含电荷和电流的情况，经过一定的矢量运算和简化，可得到标量波动方程：
式中:Ei为电场分量；ε和μ0分别为介电常数和真空磁导率；非线性电极化强度PNL
i＝(Δε)Ei，Δε为各种非线性效应(包括非线性光学效应以及热力学效应)使介电常数产生的起伏量。电致伸缩效应导致的非线性电极化强度为：
这样，存在电致伸缩效应的情况下，激光场的传播方程可以写为：
将(6)和(9)式联立起来，就得到光学力学耦合型的SBS方程组：
从式(10)可以看出，通过电致伸缩效应，光学响应和力学响应耦合在一起。该方程组是封闭的，结合一定的边界条件，在理论上完全可以解出各个位移分量，也就是本申请需要的应力量。
于本申请一实施例中，所述表征不同特征值信息与扭力值的对应关系信息中包含：在零扭力环境下的布里渊散射光峰值、及布里渊散射光的频率差为出厂时的特征值信息。通过设定出厂时的特征值信息，可以更快、准确地从不同特征值信息与扭力值的对应关系信息中找到相应的扭力值。
于本申请一实施例中，所述入射端、出射端、第一信号转换器141、第二信号转换器142、及换算单元中至少部分置于所述壳体110内。如图2B所示，展示的为所述入射端、出射端、第一信号转换器141、第二信号转换器142、及换算单元全部置于所述壳体110内的结构示意图，相应的，它们可以设置于相应电力设备300、及负载设备400构成的系统的终端上；
或者，所述入射端、出射端、第一信号转换器141、第二信号转换器142、及换算单元至少部分置于所述壳体110外。如图2A所示，展示为所述入射端、出射端、第一信号转换器141、第二信号转换器142、及换算单元全部置于所述壳体110外的结构示意图。
于本申请一实施例中，所述入射端与出射端为多组，以供发射不同频率的脉冲光。
如图4所示，所述光线的入射端与出射端由多组，而每组入射端与出射端可发生不同频率的脉冲光。从而通过更多频率下的脉冲光下的特征值信息，以使换算得到的扭力值更加准确。
于本申请一实施例中，所述扭力传感器100还包括：通信单元160，用于将提取到的扭力值通信传输至仪表设备或外部设备。将获取的扭力值通过有线或无线通信单元160传输至外部的仪表设别进行显示，或者传输至外部的移动终端、服务器等外部设备以供展示或读取。
于本申请一实施例中，所述扭力传感器100还包括：稳定电源单元，以向所述光纤130、第一信号转换器141、第二信号转换器142、及换算单元供电。
综上所述，本申请提供的一种基于光纤光散射感应的扭力传感器，所述扭力传感器包括：壳体；轴体，固定连接于所述壳体两端的可活动端体之间；两端的所述可活动端体分别用于固定连接被测旋转轴，以在至少一端的所述被测旋转轴旋转时带动对应端的所述端体旋转，从而将扭力传递到轴体上；所述轴体上规则缠绕有光纤；所述光纤一端为入射端，一端为出射端；所述入射端连接有第一信号转换器，以用于将入射端发射的脉冲光因光散射而反射回所述入射端的光信号转换为第一数字信号；所述出射端连接有第二信号转换器，以用于将入射端发射的脉冲光由所述出射端射出的光信号转换为第二数字信号；换算单元，用于依据所述第一数字信号与第二数字信号得到基于布里渊散射效应的特征值信息，据以从所述换算单元内存储的表征不同特征值信息与扭力值对应关系信息中提取对应的扭力值。
本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中包含通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
