基于磁场测量的光纤光栅扭矩传感器研究

作     者：施梦瑶 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴华春

授予年度：2018年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 

主      题：旋转机械 光纤光栅 扭矩传感器 磁场测量 不介入式 

摘      要：扭矩是表征旋转机械传动系统性能的重要参数,因此,扭矩测量已成为旋转机械开发研究、质量验证、控制优化、工况监测及故障诊断中的关键环节。光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)凭借一线多点、抗电磁干扰强、易于分布式测量等优点,已被应用于旋转机械的振动测量。然而,目前FBG测量扭矩是直接粘贴在轴上,通过感知应变获得扭矩。这种介入式测量,一方面需在轴上打磨出光整区域,FBG粘贴及维护困难,另外针对动态扭矩的测量需借助准直器等辅助信号传输。为此,本文尝试采用磁路拾取扭矩信号,再转化为FBG的应变,从而得到扭矩信息。主要研究内容包括:(1)利用磁致伸缩材料的磁敏感性及FBG应变敏感性组成磁场测量元件,建立一个磁场发生装置对其进行测试分析,选取线性工作区间;(2)提出静态、动态扭矩传感器的设计构想,并针对静态扭矩传感器进行结构设计。建立等效磁路模型,从理论上说明加载扭矩与工作气隙内磁感应强度之间存在一个线性关系;(3)借助于有限元方法对所设计的磁路结构建模分析,观察并分析传感器的整体磁场分布及具体的漏磁情况。随后在后处理中构建几何路径,重点研究工作气隙内磁感应强度与加载扭转角的变化关系。同时仿真验证弹性轴的扭转变形分布,进行安全校核。仿真结果表明,所设计的磁路结构能满足扭矩信号拾取的要求;(4)加工基于磁场测量的FBG扭矩传感器实验样机,设计磁场测量及标定实验。利用高斯计测量扭矩加载下工作气隙内的磁感应强度,验证磁路设计的合理性;然后将FBG磁场测量元件嵌入工作气隙内,记录中心波长随加载扭矩的变化关系,验证该新型扭矩传感器的可行性。本文针对目前FBG介入式测量扭矩存在的问题,提出基于磁场测量的FBG扭矩传感器新构想,通过构建磁路拾取扭矩信号,再由FBG进行磁场测量得到扭矩。充分利用磁场在气隙中构建磁路的便捷性,光纤光栅无源多场、便于构建传感网络的优势,为光纤光栅扭矩检测提供新的研究思路。