CN101776473A - 差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤，属于光电子测量技术领域。本装置的动态梁与称重托辊的固定底座连成一体，等强度悬臂梁的受力端与动态梁固定相连，等强度悬臂梁的固定端固定在静态梁上，沿等强度悬臂梁的上、下表面各粘贴一支光纤Bragg光栅，光纤Bragg光栅用信号线与信号处理装置连接。本发明实现了皮带秤的实时精准称重，可对温度和压力的同时测量，抗电磁干扰能力强。

Description

差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤

技术领域

本发明涉及一种差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤，属于光电子测量技术领域。

背景技术

皮带秤是皮带输送机输送固体散状物料过程中对物料进行连续称量的一种计量设备，悬浮型皮带秤已广泛应用于电力、煤炭、冶金、矿山、港口、化工、建材等行业的物料计量。由于悬浮型皮带秤的换能元件大多采用电阻应变片，测量精度受到电磁干扰的影响(方原柏，《电子皮带秤》，北京：冶金工业出版社，2007年)。

光纤Bragg光栅监测到的信息通过光信号传播，具有抗电磁干扰能力(EMI)和在易燃易爆场合的本征安全性，因此采用光纤Bragg光栅作为悬浮型皮带秤中称重传感器的换能元件，可克服电磁干扰，适用于易燃易爆等工业环境。但是，迄今为止在市场实际使用的皮带秤装置中，或者在专利文献中还未发现将光纤Bragg光栅与皮带秤结合的相应技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤，实现了皮带秤的实时精确称重，可对温度和压力的同时测量，抗电磁干扰能力强。

实现本发明的上述目的所采取的技术方案是：动态梁与称重托辊的固定底座连成一体，等强度悬臂梁的受力端与动态梁固定相连，等强度悬臂梁的固定端固定在静态梁上，沿等强度悬臂梁的上、下表面各粘贴一支光纤Bragg光栅，光纤Bragg光栅用信号线与信号处理装置连接。

所述的等强度悬臂梁的上、下表面粘贴的光纤Bragg光栅位于中心线位置，等强度悬臂梁两端采用螺丝连接来分别与静态梁和动态梁固定。

输送物料时物料对皮带的压力通过称重托辊传递给动态梁，动态梁又将力传递给等强度悬臂梁，等强度悬臂梁产生挠度(形变量)变化，从而引起光纤Bragg光栅波长位移变化。

本发明在等强度悬臂梁上、下两面都粘贴光纤Bragg光栅，温度变化引起两支光纤Bragg光栅的位移变化是相同的，而应力引起两光纤Bragg光栅的位移变化是大小相同方向相反的，从而采用差动温度补偿方法来解决了光纤Bragg光栅在应变测量时由于短时间内的温度变化引起的应变、温度交叉敏感问题。

差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤测量物料质量的原理是：物料输送时物料对皮带的压力通过称重托辊传递给动态梁，动态梁再将压力传递给等强度悬臂梁，根据力传递可知，物料输送时物料质量M与等强度悬臂梁自由端所受力F的关系为：

F＝Mg                                      (1)

其中g为重力加速度。

皮带秤载荷引起等强度悬臂梁5自由端移位，光纤Bragg光栅4随等强度悬臂梁5形变，若测量过程中温度变化了ΔT，则载荷和温度引起的光纤Bragg光栅4的波长移位量Δλ_B为：

Δλ_B＝(S_εΔε+S_TΔT)λ_B                  (2)

其中S_ε为应变敏感系数；S_T为温度敏感系数；Δε为等强度悬臂梁自由端移位；ΔT为温度变化量；λ_B为中心波长。

将等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅的波长移位相减，消除环境温度的影响：

Δλ_B1，2＝Δλ_B1-Δλ_B2＝2S_εΔελ_B      (3)

其中Δλ_B1，2为等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅的波长移位差值；Δλ_B1和Δλ_B2分别为等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅的波长移位。

等强度悬臂梁自由端移位Δε与等强度悬臂梁自由端所受应力F的关系为：

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{6\·F\·L}{E\·b_0\·h^2}---\left(4\right)$

其中L、h分别为等强度悬臂梁的长度和厚度；E为等强度悬臂梁材料的杨氏模量；b₀为等强度悬臂梁固定端的宽度。

将式(4)代入式(3)，则光纤Bragg光栅的Bragg波长移位与等强度悬臂梁自由端所受应力F的关系为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_{B\mathrm{1,2}}=\frac{12S_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{FL}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{Eb}}_0{h}^2}---\left(5\right)$

将式(1)代入式(5)，则光纤Bragg光栅的Bragg波长移位与物料输送时物料质量M的关系为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_{B\mathrm{1,2}}=\frac{12S_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{MgL}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{Eb}}_0{h}^2}---\left(6\right)$

式(6)表明了物料输送时物料质量M与光纤Bragg光栅波长移位之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅波长移位就可以计算出物料输送时物料的质量。

本发明的有益效果是：

1.实现了皮带秤的实时称重：本发明将等强度悬臂梁的固定端和自由端分别固定在静态梁和动态梁上，光纤Bragg光栅粘贴在等强度悬臂梁上，通过把等强度悬臂梁的挠度转换成对光纤Bragg光栅的中心波长移位的测量来实现皮带秤的实时称重。

2.利用粘贴于等强度悬臂梁上、下表面的传感光栅对温度和压力响应的差异性，可实现对温度和压力的同时测量。

3.抗干扰能力强：由于光纤Bragg光栅是电绝缘材料，因此具有抗电磁干扰能力(EMI)，光纤Bragg光栅传感器适用于电磁干扰情况下的皮带秤称重。

附图说明

图1为本发明的拆除皮带的结构示意图。

图2为本发明的俯视结构视示意图。

图中各标号依次表示：静态梁1，称重托辊2，螺丝3，光纤Bragg光栅4，等强度悬臂梁5，动态梁6，平行板簧7，皮带输送机纵梁8，信号处理装置9。

具体实施方式

本实施例基于德国申克公司的BEP型皮带秤，并采用不锈钢材料制成的等强度悬臂梁。动态梁6与称重托辊2的固定底座连成一体，等强度悬臂梁5的受力端与动态梁6用螺丝3固定，等强度悬臂梁5的固定端用螺丝3固定在静态梁1上，沿等强度悬臂梁的上、下表面中心线位置各粘贴一支光纤Bragg光栅4，光纤Bragg光栅4用信号线与信号处理装置9连接。

1、等强度悬臂梁，尺寸参数为：L＝250mm，h＝5mm，b₀＝200mm；

2、等强度悬臂梁，材料参数为：45#钢的Young’s模量为E＝200GPa；

3、光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长λ_B＝1550.000nm，应变敏感系数S_ε＝0.78；

4、重力加速度为：g＝9.8N/Kg；

5、按附图2配置实验；

6、用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长；

7、根据式(6)，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位对物料输送时物料质量M的响应灵敏度为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B\mathrm{1,2}}}{M}=\frac{12S_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{gL}{\mathrm{\λ}}_B}{E{b}_0{h}^2}---\left(7\right)$

将已知量代入式(7)，理论计算表明，该皮带秤中的光纤Bragg光栅称重传感器的灵敏度为35.54pm/Kg。因此，当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm时，该传感器的分辨率为0.028Kg。对比分析结果表明，该种差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤具有高测量分辨率，测量误差小，重复性好等优点。

Claims (2)

1.一种差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤，其特征是：动态梁与称重托辊的固定底座连成一体，等强度悬臂梁的受力端与动态梁固定相连，等强度悬臂梁的固定端固定在静态梁上，沿等强度悬臂梁的上、下表面各粘贴一支光纤Bragg光栅，光纤Bragg光栅用信号线与信号处理装置连接。

2.按权利要求1所述的差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤，其特征是：等强度悬臂梁的上、下表面粘贴的光纤Bragg光栅位于中心线位置，等强度悬臂梁两端采用螺丝连接来分别与静态梁和动态梁固定。

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