CN102072787A - 温度自补偿光纤光栅拉力传感器 - Google Patents

Abstract

一种温度自补偿的光纤光栅拉力传感器，其构成包括基座，该基座的内空腔的悬臂梁安装台上通过一固定压块翘设一根悬臂梁，在该悬臂梁顶端的对称位置有一钢绳安装孔，在所述的悬臂梁的自由端下方在所述基座的内空腔内通过一个横轴固定一个轴承，一条钢绳自所述的钢绳安装孔绕过所述的轴承后固定在弹簧的一端，该弹簧的另一端固定在延长杆上，该延长杆置于延长杆套筒中并将延长杆的外螺纹端伸出在所述的基座外，一刻有第一光纤光栅和第二光纤光栅的光纤经光纤入口、悬臂梁至光纤出口设置，而且所述的第一光纤光栅和第二光纤光栅沿所述的悬臂梁上的对称位置贴设。本发明可实现静态与动态拉压力的综合测试，同时能够抗电磁干扰并具有温度自补偿功能。

Description

温度自补偿光纤光栅拉力传感器

技术领域

本发明涉及工程量具，特别涉及一种温度自补偿的光纤光栅拉力传感器。

背景技术

目前，各种力传感器例如应变、压电类被广泛应用于力值测量中。力值测量包括静态力测量和动态力测量，静态力测量主要是应用应变式传感器，它可以长时间的对某一静态力值进行监视，但是由于应变片动态响应的局限性，它不适合用于动态力的测量；而压电类力传感器则具有较高的动态频响，因此适合于动态力的测量，但由于电荷量无法长时间存储，故压电类传感器不适合静态力的测量。同时，由于电子传感器自身存在抗雷击性能差、抗电磁干扰性能差、测量距离较近的缺陷，故造成了可靠性差、测量范围小、测量精度不高的问题。

光纤光栅技术起源于上世纪七十年代，九十年代进入我国。目前国内有多家研究机构开始利用此项技术进行参数测试或制作产品。对于航空、航天及石油工业等特殊环境下需要利用到的力传感器，其特点是既要有较高的动态响应和较好的静态力值测量的线性度，也要有防电磁干扰及较好的温漂特性。

发明内容

本发明的目的正是针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种温度自补偿的光纤光栅拉力传感器，其目的是实现静态与动态拉压力的综合测试，同时能够抗电磁干扰并具有温度自补偿功能。

本发明的目的是通过以下措施来实现的：

一种温度自补偿光纤光栅拉力传感器，其特点在于：包括基座，该基座具有一个内空腔，该内空腔的一端设置一个顶面为斜面的悬臂梁安装台，该基座靠所述的悬臂梁安装台的一端的中轴的上方设有光纤入口，在所述的悬臂梁安装台下沿所述的基座的轴线方向设有通孔并设置一个延长杆套筒，在基座的另一端设有光纤出口和基座固定螺孔，在所述的悬臂梁安装台的斜面上通过一固定压块翘设一根悬臂梁，该悬臂梁是二阶厚度等腰三角形悬臂梁，在该悬臂梁的等腰三角形之顶端的对称位置有一钢绳安装孔，在所述的悬臂梁的自由端下方在所述基座的内空腔内通过一个横轴固定一个轴承，一条钢绳自所述的钢绳安装孔绕过所述的轴承后固定在所述的弹簧的一端，该弹簧的另一端固定在延长杆上，该延长杆置于所述的延长杆套筒中并将延长杆的外螺纹端伸出在所述的基座外，一刻有第一光纤光栅和第二光纤光栅的光纤经所述的光纤入口、悬臂梁至所述的光纤出口设置，而且所述的第一光纤光栅和第二光纤光栅沿所述的悬臂梁上的对称位置贴设。

所述的二阶厚度等腰三角形悬臂梁的结构是该悬臂梁的正投影呈等腰三角形，而梁的厚度呈二阶阶梯形分布，即所述的等腰三角形的中垂剖面的厚度分别为h₁和h_r，所述的第一光纤光栅和第二光纤光栅分别贴设在二阶厚度等腰三角形悬臂梁的厚度为h₁和h_r的两部分的对称位置。

还有拉力固定件，该拉力固定件的一端有一个内螺纹孔，以与所述的延长杆的外螺纹端连接，另一端具有拉力连接孔，该拉力连接孔供待测拉力件的连接。

还有外延长杆，该外延长杆的一端具有内螺纹孔，另一端为外螺纹端，该外延长杆内螺纹孔与所述的延长杆的外螺纹端连接匹配，外延长杆外螺纹端与所述的拉力固定件的内螺纹孔相匹配。

所述的悬臂梁与所述的基座的中轴线之间的角度为0°～20°。

本发明的技术效果如下：

本发明通过光纤光栅对悬臂梁的应变测量实现对弹簧受到的拉力的精确测量，通过悬臂梁的设计实现温度自补偿。所述的悬臂梁设计成等腰三角形是为了让光栅的调制不会产生啁啾，而设计成二阶厚度的台阶型是为了实现温度自补偿。

光栅光纤本身具有抗雷击性能好、抗电磁干扰性能强、测量距离较远的优点，因此本发明具有可靠性好、测量范围大、测量精度高的特点。

附图说明

图1是本发明温度自补偿光纤光栅拉力传感器主剖视图；

图2是本发明温度自补偿光纤光栅拉力传感器的俯视图；

图3是本发明配套使用的外延长杆示意图；

图4是本发明配套使用的拉力固定件示意图；

图5是本发明配套使用的固定座示意图；

图6是本发明温度自补偿光纤光栅拉力传感器的二阶阶梯悬臂梁的示意图。

图中：1-基座、2-光纤入口、3-固定螺孔、4-光纤出口、5-固定压块、6-悬臂梁、7-轴、8-轴承、9-延长杆套筒、10-延长杆、11-延长杆外螺纹端、12-光纤、13-钢绳、14-弹簧、15-弹簧出口、16-第一光纤光栅、17-第二光纤光栅、18-悬臂梁安装台、19-钢绳安装孔、21-外延长杆外螺纹端、22-外延长杆内螺纹孔、31-拉力固定件的内螺纹孔、32-拉力连接孔、41-固定座外螺纹端、42-固定座固定孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但不应限制本发明的保护分为。

先请参阅图1和图2，由图可见，本发明温度自补偿光纤光栅拉力传感器，包括基座1，该基座1具有一个内空腔，该内空腔的一端设置一个顶面为斜面的悬臂梁安装台18，该基座1靠所述的悬臂梁安装台18的一端的中轴的上方设有光纤入口2，在所述的悬臂梁安装台下沿所述的基座1的轴线方向设有通孔15并设置一个延长杆套筒9，在基座1的另一端设有光纤出口4和基座固定螺孔3，在所述的悬臂梁安装台18的斜面上通过一固定压块5翘设一根悬臂梁6，该悬臂梁6是二阶厚度等腰三角形悬臂梁，在该悬臂梁6的等腰三角形之顶端的对称位置有一钢绳安装孔19，在所述的悬臂梁6的自由端下方在所述基座1的内空腔内通过一个横轴7固定一个轴承8，一条钢绳13自所述的钢绳安装孔19绕过所述的轴承8后固定在所述的弹簧14的一端，该弹簧14的另一端固定在延长杆10上，该延长杆10置于所述的延长杆套筒9中并将延长杆10的外螺纹端11伸出在所述的基座1外，一刻有第一光纤光栅16和第二光纤光栅17的光纤12经所述的光纤入口2、悬臂梁6至所述的光纤出口4设置，而且所述的第一光纤光栅16和第二光纤光栅17沿所述的悬臂梁6上的对称位置贴设。

所述的二阶厚度等腰三角形悬臂梁的结构是该悬臂梁的正投影呈等腰三角形，而梁的厚度呈二阶阶梯形分布，即所述的等腰三角形的中垂剖面的厚度分别为h₁和h_r，所述的第一光纤光栅16和第二光纤光栅7分别贴设在二阶厚度等腰三角形悬臂梁的厚度为h₁和h_r的两部分的对称位置。

图3是本发明配套使用的外延长杆示意图，该外延长杆的一端具有内螺纹孔22，另一端为外螺纹端21，该外延长杆内螺纹孔22与所述的延长杆10的外螺纹端11连接匹配，外延长杆外螺纹端21与所述的拉力固定件的内螺纹孔31相匹配。

图4是本发明配套使用的拉力固定件示意图，该拉力固定件的一端有一个内螺纹孔31，以与所述的延长杆10的外螺纹端连接，另一端具有拉力连接孔32，该拉力连接孔32供待测拉力件的连接。

所述的悬臂梁与所述的基座的中轴线之间的角度为0°～20°。

同样，本发明也可以配套其他如万向节等配件使用。

图5是本发明配套使用的固定座示意图，固定座的外螺纹端41用来连接光纤光栅拉力传感器内螺纹孔3，固定座的固定孔42供用户固定本发明的固定座，将本发明光纤光栅拉力传感器固定在设置的地方。

请参见图6，图6是本发明温度自补偿光纤光栅拉力传感器的二阶阶梯悬臂梁的示意图。悬臂梁6设计成等腰三角形是为了让光栅的调制不会产生啁啾，而设计成台阶型是为了实现温度自补偿。这两点在下文中有计算说明。

应变通过影响光纤光栅的光栅常数和弹光效应引起波长漂移，而温度则由于热涨和热光效应使得布拉格反射波长发生变化，对于均质、等厚、等腰三角状悬臂梁，轴向应力分布均匀，两者对光纤光栅波长漂移的总贡献可分别表示为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-p_e){\mathrm{\ϵ}}_x+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}$

式中：ε_x为轴向应变，ΔT为温差；p_e为有效弹光系数，α和ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数。

当悬臂梁设计成如图6所示的二阶等腰三角形悬臂梁，图中：界线AB是悬臂梁厚度的分界线，界线AB与悬臂梁固定端的距离为a，与自由端Q距离为b。界线AB的左、右两侧的上表面共面，两侧厚度分别为h₁和h_r。一定长度的第一光纤光栅16和第二光纤光栅17沿轴向刚性粘贴于上表面AB界线两侧，AB界线两侧的光纤光栅的长度相等，以保证测量过程中两侧光栅反射谱峰值接近相等，θ为悬臂梁的二分之一顶角。

若材料的杨氏模量为E，自由端垂直于表面的压力为P，ω(b)是自由端Q点受力P后所产生的角位移，第一光纤光栅16和第二光纤光栅17的波长偏移之差Δλ_Br1可以推导并用下式表达【参见文献：余有龙，谭华耀，廖信义，锺永康，关柏鸥.免受温度影响的光纤光栅位移传感器.光学学报，2000，20(4)：539～542】：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Br}1}=\frac{(1-P_e)(1/h_r^2-1/h_1^2){\mathrm{\λ}}_B}{b^2/h_r^3+2\mathrm{ab}/h_1^3+a^2/h_1^3}\mathrm{\ω}\left(b\right)$

由公式可以看出，任意时刻，第一光纤光栅16和第二光纤光栅17的波长偏移之差Δλ_Br1都和二阶等腰三角形悬臂梁的自由端Q点受力P后所产生的角位移ω(b)成正比，与环境温度无关。不同量程的拉力传感器可以通过更换不同弹性系数的弹簧14和更换不同厚度或材料的悬臂梁6来实现。

本发明因为弹簧14的所承受的拉力与光纤光栅的波长漂移量并不成正比，有一定的函数关系，所以需要在出厂前给用户提供弹簧拉力和光纤光栅波长漂移量的修正函数曲线，修正函数曲线可以通过用标准拉力计与本发明装置连接，对标准拉力计施加一个从0到本发明最大量程的外力，同时本发明装置与光纤光栅解调仪连接，解调测得光纤光栅波长漂移量，将所得到的光纤光栅波长漂移量与施加的外力对应，便可得到弹簧拉力-光纤光栅波长漂移量差的标定曲线。

本发明的工作原理：如图1所示，弹簧14与钢丝绳13相连，在外力作用下弹簧14受到拉力，通过钢丝绳13和轴承8使力作用在悬臂梁6上，悬臂梁6在外力的作用下发生弯曲变形，第一光纤光栅16和第二光纤光栅17受到应变，产生波长变化，通过光纤传至光纤光栅分析仪，得到第一光纤光栅16和第二光纤光栅17的波长偏移之差，按照给出的拉力-光纤光栅波长漂移量差的标定曲线进行插值，从而实现拉力的测量。

经实验表明，本发明温度自补偿光纤光栅拉力传感器可以实现静态与动态拉压力的综合测试，同时具有温度自补偿功能，而且具有抗雷击性能好、抗电磁干扰性能强、测量距离较远、可靠性好、测量范围大、测量精度高的优点，另外还具有不同量程的灵活扩展性。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明的技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种温度自补偿光纤光栅拉力传感器，其特征在于：包括基座(1)，该基座(1)具有一个内空腔，该内空腔的一端设置一个顶面为斜面的悬臂梁安装台(18)，该基座(1)靠所述的悬臂梁安装台(18)的一端的中轴的上方设有光纤入口(2)，在所述的悬臂梁安装台下沿所述的基座(1)的轴线方向设有通孔(15)并设置一个延长杆套筒(9)，在基座(1)的另一端设有光纤出口(4)和基座固定螺孔(3)，在所述的悬臂梁安装台(18)的斜面上通过一固定压块(5)翘设一根悬臂梁(6)，该悬臂梁(6)是二阶厚度等腰三角形悬臂梁，在该悬臂梁(6)的等腰三角形之顶端的对称位置有一钢绳安装孔(19)，在所述的悬臂梁(6)的自由端下方在所述基座(1)的内空腔内通过一个横轴(7)固定一个轴承(8)，一条钢绳(13)自所述的钢绳安装孔(19)绕过所述的轴承(8)后固定在所述的弹簧(14)的一端，该弹簧(14)的另一端固定在延长杆(10)上，该延长杆(10)置于所述的延长杆套筒(9)中并将延长杆(10)的外螺纹端(11)伸出在所述的基座(1)外，一刻有第一光纤光栅(16)和第二光纤光栅(17)的光纤(12)经所述的光纤入口(2)、悬臂梁(6)至所述的光纤出口(4)设置，而且所述的第一光纤光栅(16)和第二光纤光栅(17)沿所述的悬臂梁(6)上的对称位置贴设。

2.根据权利要求1所述的温度自补偿光纤光栅拉力传感器，其特征在于：所述的二阶厚度等腰三角形悬臂梁的结构是该悬臂梁的正投影呈等腰三角形，而梁的厚度呈二阶阶梯形分布，即所述的等腰三角形的中垂剖面的厚度分别为h₁和h_r，所述的第一光纤光栅(16)和第二光纤光栅(17)分别贴设在二阶厚度等腰三角形悬臂梁的厚度为h₁和h_r的两部分的对称位置。

3.根据权利要求1所述的温度自补偿光纤光栅拉力传感器，其特征在于还有拉力固定件，该拉力固定件的一端有一个内螺纹孔(31)，以与所述的延长杆(10)的外螺纹端连接，另一端具有拉力连接孔(32)，该拉力连接孔(32)供待测拉力件的连接。

4.根据权利要求1所述的温度自补偿光纤光栅拉力传感器，其特征在于还有外延长杆，该外延长杆的一端具有内螺纹孔(22)，另一端为外螺纹端(21)，该外延长杆内螺纹孔(22)与所述的延长杆(10)的外螺纹端(11)连接匹配，外延长杆外螺纹端(21)与所述的拉力固定件的内螺纹孔(31)相匹配。

5.根据权利要求1至4任一项所述的温度自补偿的光纤光栅拉力传感器，其特征在于所述的悬臂梁与所述的基座的中轴线之间的角度为0°～20°。

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