一种高速旋转轴扭矩测量系统

技术领域

本发明属于扭矩测量领域，具体涉及一种高速旋转轴扭矩测量系统。

背景技术

伴随着现代科学技术的不断发展，扭矩测量技术应用范围越来越广泛。与其它的力学测量相比，扭矩测量较复杂，但是它是旋转动力机械的重要工作参数，各机械设备的扭矩测量数据，不仅可以作为其他物理现象的机理，而且还能够有效地为被测零件提供科学数据。

在航空航天领域，高转速工况下的扭矩测量是必不可少的。需要高转速扭矩测量的典型航空航天应用包括航空发动机辅机（交流发电机、起动机等）、压缩机和涡轮机轴试验、直升机传动试验等，齿轮、轴承、燃油泵和密封件等标准部件都需要进行扭矩测量，其中高速齿轮箱测量转速达到30,000RPM。

但是在转轴高速旋转的情况下，目前常用的电阻应变片扭矩测量法由于采用电刷式集流环供电,容易出现电刷接触不良，甚至脱落的现象，造成信号误差大；磁弹性式、磁电式等扭矩测量方法，由于高转速带来的强振动，会出现测量失灵的问题。此外，航空发动机等的测量环境为恶劣环境，往往伴随高温高压等极端条件，传统电磁式扭矩传感器极易损坏。作为现有技术，CN115266087A公开了一种测量转轴扭矩、转角、转速以及无线数据传输装置，CN205861101U公开了一种测量轴向力和扭矩的复合传感器。但这些现有技术都存在上述的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速旋转轴扭矩测量系统，能够在高转速工况下进行高可靠性、高灵敏度的扭矩测量。

本发明的一个方面提供一种高速旋转轴扭矩测量系统，包括：被测旋转轴、光纤传感测量部件、光开关模块、光纤旋转连接器、解调仪和上位机；

所述光纤传感测量部件为多组光纤传感器，所述多组光纤传感器粘贴在所述被测旋转轴的表面的不同点位上，分别用于测量所述被测旋转轴的不同点位的应变，并将所述应变转换为反射光信号，同一组光纤传感器位于同一根第一光纤上，以串联的方式相互连接，不同组的光纤传感器以并行的方式通过多根第一光纤接入所述光开关模块；

所述光开关模块的一端设置有多个输入信道，所述多个输入信道用于并行接入所述多组光纤传感器，所述光开关模块用于切换导通所述多个输入信道中的一个输入信道，所述光开关模块的另一端设置有输出信道，与所述光纤旋转连接器连接，所述输入信道和所述输出信道能够支持光信号的双向传输；

所述光纤旋转连接器用于连接所述光开关模块与所述解调仪，以实现光纤信号的双向传输，所述光纤旋转连接器包括转子端和定子端，所述光纤旋转连接器的转子端通过第二光纤与所述光开关模块的输出信道连接，所述旋转连接器的定子端通过第三光纤与所述解调仪连接；

所述解调仪用于产生光信号，接收并解调所述光纤传感测量部件的反射光信号，所述上位机与所述解调仪连接，所述上位机用于将所述解调仪解调出的反射光信号转换为扭矩值，所述解调仪产生的光信号经所述光纤旋转连接器进入所述光开关模块，所述光开关模块切换导通所述多个输入信道中的一个输入信道，使光信号进入相应的一组光纤传感器，该相应的一组光纤传感器将反射光信号返回所述解调仪，所述解调仪对反射光信号进行解调，所述上位机根据所述解调仪解调出的反射光信号计算得出对应的扭矩值。

优选地，每一组光纤传感器为串联于同一根单模光纤上的4支光纤光栅应变传感器，该4支光纤光栅应变传感器沿所述被测旋转轴的圆周表面均匀等间隔粘贴，其中2支传感器与所述被测旋转轴的中心轴线夹角为45°，另外2支传感器与所述被测旋转轴的中心轴线夹角为135°。

优选地，通过如下公式计算所述被测旋转轴的扭矩值

其中，t为时间，

优选地，所述高速旋转轴扭矩测量系统还包括拨销，用于连接所述被测旋转轴与所述光纤旋转连接器，所述被测旋转轴的尾部通过所述拨销与所述光纤旋转连接器的转子端连接，所述光开关模块固定在所述拨销内部，所述光纤旋转连接器的转子端与所述光开关模块和所述光纤传感测量部件一起随所述被测旋转轴旋转。

优选地，所述拨销上留有供所述第一光纤和所述第二光纤穿过的开孔，所述第一光纤和所述第二光纤分别通过所述开孔与所述光开关模块的输入信道和所述光纤旋转连接器的转子端连接。

优选地，所述光开关模块包括供电和信号控制模块和高速光开关，所述供电和信号控制模块用于为所述高速光开关供电，并且用于驱动所述高速光开关切换导通所述多个输入信道。

优选地，所述光开关模块还包括信道标记光栅，用于区分所述多个输入信道中不同输入信道的数据。

优选地，所述高速旋转轴扭矩测量系统还包括保护壳体，所述保护壳体通过自锁紧装置与所述被测旋转轴固定连接，用于保护粘贴于所述被测旋转轴表面的所述光纤传感测量部件以及所述第一光纤，所述保护壳体与所述被测旋转轴的连接处穿孔，以方便所述第一光纤穿过。

优选地，所述光纤旋转连接器为同轴式高速光纤旋转连接器。

优选地，所述光纤传感测量部件中的光纤传感器可以是F-P光纤传感器或光纤光栅传感器。

根据本发明上述方面的高速旋转轴扭矩测量系统，能够在高转速工况下进行高可靠性、高灵敏度的扭矩测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1是本发明一种实施方式的高速旋转轴扭矩测量系统的结构示意图。

图2是本发明一种实施方式的光纤传感测量部件的布局示意图。

图3是本发明一种实施方式的光开关模块的结构示意图。

图4是本发明一种实施方式的旋转连接器结构的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施方式提供一种高速旋转轴扭矩测量系统，可适用于航空发动机的高速旋转扭矩测量，所述高速旋转轴例如是交流发电机、起动机、压缩机、涡轮机等的转轴。图1是本发明一种实施方式的高速旋转轴扭矩测量系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施方式的高速旋转轴扭矩测量系统包括被测旋转轴1、光纤传感测量部件2、光开关模块3、光纤旋转连接器4、解调仪5、上位机6。

光纤传感测量部件2为多组光纤传感器，形成多通道并行的光纤传感测量组，所述多组光纤传感器粘贴在被测旋转轴1的表面的不同点位上，分别用于测量被测旋转轴1表面的不同点位的应变（扭转应变），并将所述应变转换为反射光信号，即，每一组光纤传感器能够进行一个点位的扭矩测量。同一组光纤传感器位于同一根第一光纤上，以串联的方式相互连接，不同组的光纤传感器以并行的方式通过多根第一光纤21接入光开关模块3。

所述多组光纤传感器以全桥、半桥或带温度补偿的方式粘贴于被测旋转轴1的表面。在一个实施例中，每一组光纤传感器包含4支光纤光栅应变传感器，以串联的方式相互连接并位于一根单模光纤上。每一组光纤传感器以全桥式应变测量的布局方式粘贴于被测旋转轴表面某一测量点位的圆周线上，对被测旋转轴1表面产生的扭转应变进行测量。

图2是本发明一种实施方式的光纤传感测量部件的布局示意图。如图2所示，在一个实施例中，如下进行全桥式粘贴布局：每一组光纤传感器包含4支光纤光栅应变传感器（R1、R2、R3、R4），沿被测旋转轴圆周表面均匀等间隔粘贴（每隔90°一支），其中传感器R1、R3与被测旋转轴中心轴线夹角为45°，传感器R2、R4与被测旋转轴中心轴线夹角为135°，4支光纤光栅应变传感器位于同一支单模光纤（第一光纤21）上，采用波分复用的方式进行应变感测，然后通过解调仪5解算得到4支光纤光栅应变传感器的实时中心波长数值，并通过上位机6将中心波长值换算为测量扭矩数值。

在另外的实施例中，光纤传感测量部件2中的光纤传感器可以是F-P光纤传感器（光纤法珀传感器）或光纤光栅传感器，可将F-P光纤传感器与光纤光栅传感器串联或并联使用。

光开关模块3用于高速切换导通光纤传感测量部件2的多组光纤传感器中的一组光纤传感器的光信号。图3是本发明一种实施方式的光开关模块的结构示意图。如图3所示，光开关模块3的一端设置有多个输入信道（CH1-CHn），该多个输入信道构成输入信道阵列10，用于并行接入多根第一光纤21（光纤传感测量部件2的多组光纤传感器），另一端设置有输出信道12，与光纤旋转连接器4连接。光纤传感测量部件2的每一组光纤传感器形成一个测量通道，多个测量通道分别通过第一光纤以并行方式依次接入输入信道阵列10，并经同一输出信道12传输光信号，输入信道阵列10和输出信道12均可支持光信号双向传输。

在一个实施例中，光开关模块3包括供电和信号控制模块9和高速光开关11。供电和信号控制模块9用于为高速光开关11供电，以及用于控制高速光开关11切换导通输入信道阵列10和输出信道12。513为信道标记光栅，信号输入阵列10的每一路均串联一只具有独特波长的信道标记光栅13，在解调仪5进行光纤传感测量部件2的反射光信号处理时，可以区分光纤传感器测量部件2中不同光纤传感测量组的反射信号数据。

光开关模块3的信道通断控制方法如下：供电和信号控制模块9给定一定频率的驱动信号，驱动高速光开关11以给定信号频率依次切换导通输入信道阵列10与输出信道12，每次切换导通一个输入信道与输出信道，在超高速信道切换条件下，可实现多通道准连续式测量。

光纤旋转连接器4用于连接光开关模块3（作为本发明实施方式的高速旋转轴扭矩测量系统的旋转部分）与解调仪5（作为本发明实施方式的高速旋转轴扭矩测量系统的非旋转部分），以实现光纤信号的双向传输。图4是本发明一种实施方式的旋转连接器结构的示意图。如图4所示，光纤旋转连接器4包括转子端14与定子端15。转子端14通过第二光纤22与光开关模块3的输出信道连接，定子端15通过第三光纤23与解调仪5连接。优选地，光纤旋转连接器4为同轴式高速光纤旋转连接器。

解调仪5用于产生宽带光信号，接收并解调光纤传感测量部件2的反射光信号。上位机6与解调仪5连接，用于将解调仪5解调出的反射光信号转换为扭矩值。具体地，解调仪5产生的光信号经光纤旋转连接器4进入光开关模块5，光开关模块5切换接通输入信道阵列10中的一个输入信道，使光信号进入相应的一组光纤传感器，该相应的一组光纤传感器将反射光信号返回解调仪5，解调仪5对反射光信号进行解调，上位机6根据解调仪5解调出的反射光信号计算得出对应的扭矩值。

在一个实施例中，本发明实施方式的高速旋转轴扭矩测量系统还可以包括拨销7，用于连接被测旋转轴1与光纤旋转连接器4，被测旋转轴1的尾部通过拨销7与光纤旋转连接器4的转子端14连接，光开关模块3固定在拨销7内部，并且通过拨销7与光纤旋转连接器4的转子端14连接，光纤旋转连接器4的转子端14与光开关模块3和光纤传感测量部件2一起随被测旋转轴1旋转。拨销7可以与被测旋转轴1键合连接，并同步同轴旋转。转子端14可以与拨销7键合连接，随被测旋转轴1同轴同步旋转。从而，被测旋转轴1与光纤旋转连接器4可同轴旋转，光信号双向传输损耗极小。定子端15于外部固定，不随轴旋转。拨销7用于连接被测旋转轴1与光纤旋转连接器4的转子端14，保持被测旋转轴1与光纤旋转连接器4同轴同步旋转。拨销7上留有供第一光纤21和第二光纤22穿过的开孔，第一光纤21和第二光纤22分别通过所述开孔与光开关模块3的输入信道阵列10和光纤旋转连接器4的转子端14连接。

在一个实施例中，本发明实施方式的高速旋转轴扭矩测量系统还可以包括保护壳体8，保护壳体8通过自锁紧装置与被测旋转轴1两侧法兰固定连接，保持同步旋转，用于保护粘贴于被测旋转轴1表面的光纤传感测量部件2以及第一光纤21，保护壳体8与被测旋转轴1的连接处穿孔，以方便第一光纤21穿过。

在本发明实施方式的高速旋转轴扭矩测量系统中，光纤的引线方式可以为：光纤传感测量部件2的并行引出的第一光纤经被测旋转轴1的开孔穿出，通过拨销7的开孔后，依次接入光开关模块3的输入信道阵列10，光开关模块3的输出信道12引出的第二光纤22接入光纤旋转连接器4的转子端14，第一光纤21和第二光纤22可随轴同步旋转；光纤旋转连接器4的定子端15引出的第三光纤23接入光纤光栅解调仪5，第三光纤23不旋转。光纤光栅解调仪5与上位机6连接，用于处理光纤传感测量部件2的测量信号，并由上位机6解算转换为被测旋转轴1的扭矩值。本发明中所用到的光纤，包含光纤传感器所在光纤及传输光纤（第一～第三光纤等），均为同种单模光纤，结构尺寸、光学参数、材料参数均相同。

本发明实施方式的高速旋转轴扭矩测量系统的工作原理描述如下：解调仪5发出宽带光信号，经光纤旋转连接器4后，进入光开关模块3的输出信道12，经输入信道阵列10（CH1-CHn）中由高速光开关11控制此时导通的某一输入信道，进入光纤传感测量部件2的对应信道的光纤传感测量组；解调仪5发出的宽带光信号经过光纤传感器后，光纤传感器将反射特定波长的窄带光信号，由于光纤传感器感测到待测旋转轴的表面应变，反射窄带光将产生相应的波长变化，反射窄带光信号经原传输路径路返回解调仪5，由解调仪5解调得到光纤传感器的波长变化量，并由上位机6经过软件分析计算得出对应测量点位的实时扭矩数值。光开关模块3以设定频率高速依次切换导通一个输入信道与输出信道，可实现多测量点位准连续式测量，其中不同光纤传感器组的返回数据，依据输入信道阵列10（CH1-CHn）入口连接的信号标记光栅13的特定波长反射光信号进行区分，每一个信道均对应一个不重复的独特波长信号，通过解调仪5解算得到。

在本发明实施方式的高速旋转轴扭矩测量系统的上述实施例中，上位机6可如下计算扭矩值：

外部电动机转动对被测旋转轴1施加扭矩M时，使直径为D、长度为L的被测旋转轴1受扭产生应变τ，即产生扭转形变，当被测旋转轴1受到的剪切应力不超过材料的承受极限时，在轴表面最大剪切应变

其中

4支不同中心波长的光纤光栅应变传感器（R1、R2、R3、R4）组成差动全桥式测量结构，在线性应变条件下，则4支光纤光栅应变传感器的中心波长与应变和温度变化的动态关系可以表示为：

其中，

为温度变化值，/>

4支光纤光栅应变传感器中心波长不同而造成的温度灵敏度差异非常小，可以认为近似相等。在线性应变条件下，相邻2支粘贴角度差为90°的光纤光栅应变传感器的中心波长应变响应的差分方程为：

令：

得到：

从而可以得到：

其中，t为时间，

根据本发明上述实施方式的高速旋转轴扭矩测量系统，利用多组光纤传感器并行测量并与高速光开关技术结合，可在旋转部件的多点位进行扭矩测量，系统可扩展性好，可容纳传感器数量多，高速光开关通道切换可保证旋转部件的准实时测量；利用同轴高速光纤旋转连接器的旋转信号传输方式可靠性高，损耗极小，寿命长，可承受大于30,000rpm的转速条件。与传统的电磁式扭矩传感器相比，本发明的基于光纤传感技术的高速旋转轴扭矩测量系统具有体积小、抗电磁干扰性能好、灵敏度高、电绝缘性能好、抗辐射、寿命长、可靠性高、低损耗等优点，可在腐蚀、高温、高压等恶劣环境中使用，并可利用波分复用、时分复用等技术实现大面积分布式测量。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。