芯轴缠绕式光纤传感器绕制设备及绕制方法

1.本发明涉及光纤绕制技术领域，具体地指一种芯轴缠绕式光纤传感器绕制设备及绕制方法。


背景技术：

2.近年来，光纤传感器以抗电磁和原子辐射干扰、质软、重量轻、绝缘、以及良好的化学性能等优异特性备受关注。而此时，如何按照实际应用需求制备出各式各类的光纤传感器便成为了困扰人们的难题。芯轴缠绕式光纤传感器多用于声学振动检测中的高灵敏度检测，以缠绕的方式提高传感器灵敏度，常用于单个振动传感器。目前的芯轴缠绕式光纤传感器均采用人工缠绕方式，随着科学进步，分布式振动传感对于大规模传感器阵列的要求大大提升，目前的人工缠绕方式，其张力一致性、缠绕比等关键参数难以得到精确控制，导致大规模成阵后的传感器一致性较差，以致分布式检测的灵敏度、平坦度、检测精度均难以达到检测需求。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是要提供一种芯轴缠绕式光纤传感器绕制设备及绕制方法，本发明中所提出的缠绕机全程机械控制，较人工缠绕相比，光纤排列均匀，保证芯轴材料上光纤的缠绕质量的同时工作效率显著提升，为光纤成缆工艺中的缠绕过程提供有效的解决方案。
4.为实现此目的，本发明所设计的芯轴缠绕式光纤传感器绕制设备，它包括伺服驱动器、芯轴推进轮、芯轴旋转轮、支架盘、收盘装置、芯轴支架、中空金属套筒、磁粉单轴和连接轴，其中，中空金属套筒通过轴承设置在芯轴支架上，芯轴旋转轮和支架盘同轴固定套接在中空金属套筒上；
5.连接轴的一端与收盘装置同轴固定连接，连接轴的另一端与磁粉单轴同轴固定连接，连接轴通过轴承垂直设置在支架盘上，伺服驱动器用于驱动芯轴旋转轮转动，芯轴旋转轮带动中空金属套筒和支架盘同步转动，中空金属套筒内用于同轴放置芯轴材料棒，伺服驱动器用于驱动芯轴推进轮转动，芯轴推进轮利用与芯轴材料棒之间的摩擦力带动芯轴材料棒相对于中空金属套筒平移；
6.收盘装置跟随支架盘绕中空金属套筒的轴心旋转时，收盘装置上的光纤对平移中的芯轴材料棒进行缠绕，磁粉单轴用于控制连接轴转动的阻力，从而控制收盘装置绕收盘装置轴心旋转的阻力，进而对芯轴材料棒上缠绕光纤张力进行控制。
7.本发明的有益效果：
8.1)本发明基于伺服驱动器的光纤密绕方案，全程机械控制，较人工缠绕相比，光纤排列均匀，保证芯轴材料上光纤的缠绕质量的同时工作效率显著提升，为光纤成缆工艺中的缠绕过程提供有效的解决方案；
9.2)目前光纤成缆的工艺相对复杂，成本较高，而本缠绕机机械结构简单，降低了成
本，具有高可靠性和稳定性；
10.3)通过控制推进速度、缠绕转速可以进行轴向密绕比控制；通过张力监测及控制、收盘速度与收盘器张力控制，可以保证传感器预应力控制。
附图说明
11.图1为本发明的结构示意图；
12.图2为本发明的侧视图；
13.图3为本发明的张力控制部分电控原理图。
14.其中，1—伺服驱动器、2—芯轴推进轮、3—芯轴旋转轮、4—支架盘、5—导电滑环、6—收盘装置、7—芯轴材料棒、8—芯轴支架、9—台架、10—中空金属套筒、11—磁粉单轴、12—连接轴、13—张力控制器、14—光纤。
具体实施方式
15.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
16.如图1～3所示的一种芯轴缠绕式光纤传感器绕制设备，它包括伺服驱动器1、芯轴推进轮2、芯轴旋转轮3、支架盘4、收盘装置6、芯轴支架8、中空金属套筒10、磁粉单轴11和连接轴12，其中，中空金属套筒10通过轴承设置在芯轴支架8上，芯轴支架8固定在台架9上，芯轴旋转轮3和支架盘4同轴固定套接在中空金属套筒10上，芯轴旋转轮3位于芯轴支架8的前侧，支架盘4位于芯轴支架8的后侧，
17.连接轴12的一端与收盘装置6同轴固定连接，连接轴12的另一端与磁粉单轴11同轴固定连接，连接轴12通过轴承垂直设置在支架盘4上，伺服驱动器1用于通过皮带驱动芯轴旋转轮3转动，芯轴旋转轮3带动中空金属套筒10和支架盘4同步转动，中空金属套筒10内用于同轴放置芯轴材料棒7，伺服驱动器1用于通过皮带驱动芯轴推进轮2转动，芯轴推进轮2通过轴承安装在支架的支杆上(图1中省略)，芯轴推进轮2利用与芯轴材料棒7之间的摩擦力带动芯轴材料棒7相对于中空金属套筒10平移，芯轴推进轮2与芯轴旋转轮3垂直布置；
18.收盘装置6跟随支架盘4绕中空金属套筒10的轴心旋转时，收盘装置6上的光纤14对平移中的芯轴材料棒7进行缠绕，磁粉单轴11用于控制连接轴12转动的阻力，从而控制收盘装置6绕收盘装置6轴心旋转的阻力，进而对芯轴材料棒7上缠绕光纤张力进行控制。增加阻力能在旋转运动过程中速度不变的情况下，达到运动平衡状态时，在光纤14上施加更大的拉力，以保证光纤上预应力的控制，保证高可靠性和稳定性。
19.上述技术方案中，它还包括导电滑环5，导电滑环5固定套接在中空金属套筒10上，导电滑环5位于支架盘4与芯轴支架8之间，磁粉单轴11控制信号输入端的信号线通过导电滑环5连接张力控制器13(ktc800a)的控制信号输出端。本发明对张力控制器13的电流参数进行预设，以达到控制收盘装置上光纤14在缠绕过程中所受张力大小的目的。
20.上述技术方案中，所述支架盘4中设有空腔13，磁粉单轴11位于空腔13中。
21.上述技术方案中，所述芯轴材料棒7上光纤的密绕比，即芯轴材料棒7上单位长度所需缠绕光纤的长度，通过以下公式计算：
[0022][0023]
其中，l1为芯轴材料棒7推进长度，l2为光纤缠绕长度，d1为芯轴推进轮2直径，d2为芯轴材料棒7直径，r1为芯轴推进轮2的转速，r2为芯轴旋转轮3转速，c
推进轮
为芯轴推进轮2周长，c
管
为芯轴材料棒7周长。
[0024]
上述技术方案中，对伺服驱动器1进行控制，从而控制芯轴推进轮2的转速和芯轴旋转轮3的转速，进而获取所需光纤密绕比。
[0025]
上述技术方案中，通过调节张力控制器13输出的控制信号的电流参数，使磁粉单轴11控制连接轴12转动的阻力，从而控制收盘装置6绕收盘装置6轴心旋转的阻力，进而实现芯轴材料棒7上缠绕光纤张力的控制。在光纤上施加更大的拉力，以保证光纤上预应力的控制，缠绕后的光纤不会松散，保证高可靠性和稳定性。
[0026]
本发明还可以根据伺服驱动器型号和伺服驱动器的通信协议，编写上位机控制代码，通过网线或usb线相连接以实现缠绕工艺的远程智能控制，实现更人性化的上位机远程控制。
[0027]
上述技术方案中，所述光纤14为弯曲不敏感光栅阵列传感光纤。
[0028]
上述技术方案中，磁粉单轴11为磁粉制动器，磁粉制动器利用电磁感应原理实现对张力进行控制，主要由外定子(磁轭)、线圈、磁粉、内定子(极靴)、转子和转子轴等部分组成。当激磁线圈内没有电流时，外定于、转子、磁粉和内定子之间不会产生电磁力，内走子和转子之间的磁粉呈松散状态，转子轴上则没有制动力矩传递。当线圈中通入电流后，线圈周围即刻产生磁场，磁粉受磁场的作用而被磁化，于是在转子和内定子之间连接成磁链，使内定子与转子之间产生连接力。由于内定子固定不动，所以旋转的转子就被制动。调节激磁电流的大小，即可得到所要求的制动力矩，而制动力矩基本上与激磁电流成正比。此外，磁粉制动器具有良好的机械特性。在一定的激磁电流下，磁粉的连接力与转速的关系不大，而磁粉与工作面之间的摩擦系数也几乎相等。因此，制动力矩与转速几乎无关。体现了转矩控制的稳定性和准确性。
[0029]
一种利用上述设备进行光纤传感器绕制的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
[0030]
步骤1：伺服驱动器1驱动芯轴旋转轮3转动，芯轴旋转轮3带动中空金属套筒10和支架盘4同步转动，伺服驱动器1驱动芯轴推进轮2转动，芯轴推进轮2利用与芯轴材料棒7之间的摩擦力带动芯轴材料棒7相对于中空金属套筒10平移；
[0031]
步骤2：收盘装置6跟随支架盘4绕中空金属套筒10的轴心旋转时，收盘装置6上的光纤14对平移中的芯轴材料棒7进行缠绕，磁粉单轴11控制连接轴12转动的阻力，从而控制收盘装置6绕收盘装置6轴心旋转的阻力，进而对芯轴材料棒7上缠绕光纤张力进行控制。
[0032]
本发明以大规模弯曲不敏感光栅阵列传感光纤作为缠绕对象，对光纤进行密绕处理。该方法中伺服驱动器1所用驱动器为高性能通用交流伺服驱动器。伺服驱动器1为用于调控电机的一种控制器，主要应用于高精度的伺服定位系统。一般通过位置、速度和力矩三种方式使伺服驱动器实现高精度的传动系统定位。首先根据实际密绕环境和光纤密绕需求计算出所需的伺服驱动器参数并进行预设置，然后将待密绕的芯轴材料放入缠绕机进行缠绕测试。缠绕过程中，由前级伺服驱动器控制芯轴推进轮2使芯轴材料棒7以预设的径向速
度稳定地平移。由后级伺服驱动器控制芯轴旋转轮3使耐弯曲光纤以预设的速度在规定区域进行缠绕。根据实际密绕比的需求可以计算出芯轴推进轮2和芯轴旋转轮3的转速之比，故该方法可以完成任意密绕比的光纤缠绕。另外利用张力控制器13可实现缠绕过程中传感光纤上的张力可控。最后通过缠绕测试确定伺服驱动器1的参数设置安全无误后，便可直接按照上述过程对光纤进行大规模、长距离的高精度缠绕。
[0033]
本发明能够按照实际需求完成指定密绕比的光纤缠绕，并通过张力控制器确保光纤在缠绕过程中始终存在恒定的张力。按照这个模型缠绕光纤，既能保证光纤的密绕效果，又降低了人工缠绕的操作难度和时间成本，并且能够根据实际需求控制光纤密绕比和传感器预应力。故该方法能够满足大规模、长距离光纤在密绕成缆方面的重大应用需求。
[0034]
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

技术特征：
1.一种芯轴缠绕式光纤传感器绕制设备，其特征在于：它包括伺服驱动器(1)、芯轴推进轮(2)、芯轴旋转轮(3)、支架盘(4)、收盘装置(6)、芯轴支架(8)、中空金属套筒(10)、磁粉单轴(11)和连接轴(12)，其中，中空金属套筒(10)通过轴承设置在芯轴支架(8)上，芯轴旋转轮(3)和支架盘(4)同轴固定套接在中空金属套筒(10)上；连接轴(12)的一端与收盘装置(6)同轴固定连接，连接轴(12)的另一端与磁粉单轴(11)同轴固定连接，连接轴(12)通过轴承垂直设置在支架盘(4)上，伺服驱动器(1)用于驱动芯轴旋转轮(3)转动，芯轴旋转轮(3)带动中空金属套筒(10)和支架盘(4)同步转动，中空金属套筒(10)内用于同轴放置芯轴材料棒(7)，伺服驱动器(1)用于驱动芯轴推进轮(2)转动，芯轴推进轮(2)利用与芯轴材料棒(7)之间的摩擦力带动芯轴材料棒(7)相对于中空金属套筒(10)平移；收盘装置(6)跟随支架盘(4)绕中空金属套筒(10)的轴心旋转时，收盘装置(6)上的光纤(14)对平移中的芯轴材料棒(7)进行缠绕，磁粉单轴(11)用于控制连接轴(12)转动的阻力，从而控制收盘装置(6)绕收盘装置(6)轴心旋转的阻力，进而对芯轴材料棒(7)上缠绕光纤张力进行控制。2.根据权利要求1所述的芯轴缠绕式光纤传感器绕制设备，其特征在于：它还包括导电滑环(5)，导电滑环(5)固定套接在中空金属套筒(10)上，芯轴旋转轮(3)位于芯轴支架(8)的前侧，支架盘(4)位于芯轴支架(8)的后侧，导电滑环(5)位于支架盘(4)与芯轴支架(8)之间，磁粉单轴(11)控制信号输入端的信号线通过导电滑环(5)连接张力控制器(13)的控制信号输出端。3.根据权利要求1所述的芯轴缠绕式光纤传感器绕制设备，其特征在于：所述支架盘(4)中设有空腔(13)，磁粉单轴(11)位于空腔(13)中。4.根据权利要求1所述的芯轴缠绕式光纤传感器绕制设备，其特征在于：所述芯轴材料棒(7)上光纤的密绕比，即芯轴材料棒(7)上单位长度所需缠绕光纤的长度，通过以下公式计算：其中，l1为芯轴材料棒(7)推进长度，l2为光纤缠绕长度，d1为芯轴推进轮(2)直径，d2为芯轴材料棒(7)直径，r1为芯轴推进轮(2)的转速，r2为芯轴旋转轮(3)转速，c
推进轮
为芯轴推进轮(2)周长，c
管
为芯轴材料棒(7)周长。5.根据权利要求4所述的芯轴缠绕式光纤传感器绕制设备，其特征在于：对伺服驱动器(1)进行控制，从而控制芯轴推进轮(2)的转速和芯轴旋转轮(3)的转速，进而获取所需光纤密绕比。6.根据权利要求2所述的芯轴缠绕式光纤传感器绕制设备，其特征在于：通过调节张力控制器(13)输出的控制信号的电流参数，使磁粉单轴(11)控制连接轴(12)转动的阻力，从而控制收盘装置(6)绕收盘装置(6)轴心旋转的阻力，进而实现芯轴材料棒(7)上缠绕光纤张力的控制。7.根据权利要求1所述的芯轴缠绕式光纤传感器绕制设备，其特征在于：所述光纤(14)
为弯曲不敏感光栅阵列传感光纤。8.一种利用权利要求1所述设备进行光纤传感器绕制的方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：伺服驱动器(1)驱动芯轴旋转轮(3)转动，芯轴旋转轮(3)带动中空金属套筒(10)和支架盘(4)同步转动，伺服驱动器(1)驱动芯轴推进轮(2)转动，芯轴推进轮(2)利用与芯轴材料棒(7)之间的摩擦力带动芯轴材料棒(7)相对于中空金属套筒(10)平移；步骤2：收盘装置(6)跟随支架盘(4)绕中空金属套筒(10)的轴心旋转时，收盘装置(6)上的光纤(14)对平移中的芯轴材料棒(7)进行缠绕，磁粉单轴(11)控制连接轴(12)转动的阻力，从而控制收盘装置(6)绕收盘装置(6)轴心旋转的阻力，进而对芯轴材料棒(7)上缠绕光纤张力进行控制。

技术总结
本发明公开了一种芯轴缠绕式光纤传感器绕制设备，它的伺服驱动器驱动芯轴旋转轮转动，芯轴旋转轮带动中空金属套筒和支架盘同步转动，中空金属套筒内用于同轴放置芯轴材料棒，伺服驱动器驱动芯轴推进轮转动，芯轴推进轮利用与芯轴材料棒之间的摩擦力带动芯轴材料棒相对于中空金属套筒平移；收盘装置跟随支架盘绕中空金属套筒的轴心旋转时，收盘装置上的光纤对平移中的芯轴材料棒进行缠绕，磁粉单轴用于控制连接轴转动的阻力，从而控制收盘装置绕收盘装置轴心旋转的阻力，进而对芯轴材料棒上缠绕光纤张力进行控制。本发明基于伺服驱动器的光纤密绕方案，全程机械控制，较人工缠绕相比，光纤排列均匀。光纤排列均匀。光纤排列均匀。


技术研发人员：李政颖 王喆 王昌佳 桂鑫 徐刚 王一鸣 何思琪
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2022.03.09
技术公布日：2022/5/25