CN103644955A - 差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤，涉及连续流动材料在流动时称重的装置技术领域。包括静态梁、称重托辊、光纤Bragg光栅、等强度悬臂梁、动态梁、皮带输送机纵梁和信号处理装置，所述静态梁固定在两根皮带输送机纵梁之间，等强度悬臂梁的受力端与动态梁固定连接，等强度悬臂梁的固定端固定在输送机纵梁之间的静态梁上，动态梁与称重托辊的固定底座固定，沿等强度悬臂梁的上、下表面中心线各固定一支光纤Bragg光栅，光纤Bragg光栅通过信号线与信号处理装置连接。所述皮带秤可同时对温度和压力进行测量且抗电磁干扰能力强，实现了皮带秤的实时准确测量。

Description

差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤

技术领域

本发明涉及连续流动材料在流动时称重的装置技术领域，尤其涉及一种差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤。

背景技术

电子皮带秤称重桥架安装于输送机架上，当物料经过时，计量托辊检测到皮带机上的物料重量，通过杠杆作用于称重传感器，产生一个正比于皮带载荷的电压信号。在皮带秤上有一个称重传感器装在称重桥架上，工作时，将检测到皮带上的物料重量送入称重仪表，同时由测速传感器皮带输送机的速度信号也送入称重仪表，仪表将速度信号与称重信号进行积分处理，得到瞬时流量及累计量。速度传感器直接连在大直径测速滚筒上，提供一系列脉冲，每个脉冲表示一个皮带运动单元，脉冲的频率正比于皮带速度。称重仪表从称重传感器和速度传感器接收信号，通过积分运算得出一个瞬时流量值和累积重量值，并分别显示出来。

皮带秤主要有机械式和电子式两大类。后来出现了TTS型皮带秤，TTS系列新型电子皮带秤产品采用了模型化计量原理，皮带称多参数信息融合技术弥补了使用“单一传感器”所固有的缺陷，将多台传感器分布在皮带输送机的不同特征点上，从地域角度构成了多传感器信息感知***；利用数据库技术从时域角度定量的反映称重***的状态。TTS型电子皮带秤从皮带秤本身计量性能和皮带秤环境适用性两方面彻底解决了皮带秤精度、稳定性、高成本维护等长期和普遍存在的问题。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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤，所述皮带秤可同时对温度和压力进行测量且抗电磁干扰能力强，实现了皮带秤的实时准确测量。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤，其特征在于：包括静态梁、称重托辊、光纤Bragg光栅、等强度悬臂梁、动态梁、皮带输送机纵梁和信号处理装置，所述静态梁固定在两根皮带输送机纵梁之间，等强度悬臂梁的受力端与动态梁固定连接，等强度悬臂梁的固定端固定在输送机纵梁之间的静态梁上，动态梁与称重托辊的固定底座固定，沿等强度悬臂梁的上、下表面中心线各固定一支光纤Bragg光栅，光纤Bragg光栅通过信号线与信号处理装置连接。

优选的，所述等强度悬臂梁的前后两侧设有平行板簧，平行板簧的一端与静态梁固定连接，平行板簧的另一端与动态梁固定连接，平行板簧、静态梁和动态梁构成框架结构，所述等强度悬臂梁位于所述框架内。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述皮带秤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光栅固定在等强度悬臂梁上，通过把等强度悬臂梁的挠度变化转换成对光纤Bragg光栅的中心波长移位的测量来实现皮带秤的实时称重。利用粘贴于等强度悬臂梁上、下表面的光纤Bragg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。由于光纤Bragg光栅是电绝缘材料，因此具有抗电磁干扰能力强的优点，光纤Bragg光栅传感器适用于电磁干扰情况下的皮带秤称重，可实现准确测量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的拆除皮带的主视结构示意图；

图2是本发明的拆除皮带和称重托辊的俯视结构示意图；

其中：1、静态梁2、称重托辊3、螺栓4、光纤Bragg光栅5、等强度悬臂梁6、动态梁7、平行板簧8、输送机纵梁9、信号处理装置。

具体实施方式

如图1-2所示，一种差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤，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固定相连，等强度悬臂梁5的固定端固定在静态梁1上，沿等强度悬臂梁5的上、下表面各固定一支光纤Bragg光栅4，光纤Bragg光栅4用信号线与信号处理装置9连接。

所述等强度悬臂梁5的上、下表面固定的光纤Bragg光栅4位于中心线位置，等强度悬臂梁5两端采用螺栓连接来分别与静态梁1和动态梁6固定。输送物料时物料对皮带的压力通过称重托辊2传递给动态梁6，动态梁6又将力传递给等强度悬臂梁5，等强度悬臂梁5产生挠度（形变量）变化，从而引起光纤Bragg光栅波长位移变化。

所述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△T，则载荷和温度引起的光纤Bragg光栅4的波长移位量ΔλB为：

△λ_B=(S_ε△ε+S_T△T)λ_B  2）

其中S_ε为应变敏感系数；S_Τ为温度敏感系数；△ε为等强度悬臂梁自由端移位；△T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：

△λ_B1,2=△λ_B1-△λ_B2=2S_ε△ελ_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△ε与等强度悬臂梁自由端所受应力F的关系为：

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

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：

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

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：

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

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。

本实施例采用不锈钢材料制成的等强度悬臂梁。

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的响应灵敏度为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B\mathrm{1,2}}}{M}=\frac{{12S}_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{gL\λ}}_B}{{\mathrm{Eb}}_0{h}^2}---7)$

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。

所述皮带秤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光栅固定在等强度悬臂梁上，通过把等强度悬臂梁的挠度变化转换成对光纤Bragg光栅的中心波长移位的测量来实现皮带秤的实时称重。利用粘贴于等强度悬臂梁上、下表面的光纤Bragg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。由于光纤Bragg光栅是电绝缘材料，因此具有抗电磁干扰能力强的优点，光纤Bragg光栅传感器适用于电磁干扰情况下的皮带秤称重，可实现准确测量。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及其实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用来帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤，其特征在于：包括静态梁（1）、称重托辊（2）、光纤Bragg光栅（4）、等强度悬臂梁（5）、动态梁（6）、皮带输送机纵梁（8）和信号处理装置（9），所述静态梁（1）固定在两根皮带输送机纵梁（8）之间，等强度悬臂梁（5）的受力端与动态梁（6）固定连接，等强度悬臂梁（5）的固定端固定在输送机纵梁（8）之间的静态梁（1）上，动态梁（6）与称重托辊（2）的固定底座固定，沿等强度悬臂梁（5）的上、下表面中心线各固定一支光纤Bragg光栅（4），光纤Bragg光栅（4）通过信号线与信号处理装置（9）连接。

2.根据权利要求1所述的差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤，其特征在于：所述等强度悬臂梁（5）的前后两侧设有平行板簧（7），平行板簧（7）的一端与静态梁（1）固定连接，平行板簧（7）的另一端与动态梁（6）固定连接，平行板簧（7）、静态梁（1）和动态梁（6）构成框架结构，所述等强度悬臂梁（5）位于所述框架内。

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