CN106705877B - 一种基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器，包括弹性应变基片和光纤光栅串，所述弹性应变基片包括横梁、弹性应变单元、固定端、位移放大机构，所述横梁的两端分别通过弹性应变单元与固定端相连，构成温度补偿机构，所述位移放大机构沿横向轴线对称布设在横梁的上下两侧，所述光纤光栅串包括应变测量光栅和温度补偿光栅，所述应变测量光栅位于弹性应变基片的纵向轴线位置，安设在两纵向位移臂上，所述温度补偿光栅的两端位于弹性应变基片的横向轴线位置，安设在横梁上。本发明具有应变灵敏度大、结构简单小巧、可靠性高、易于安装并能有效消除温度漂移的优点，适用于各类机械结构中小量程范围的高精度应变测量。

Description

一种基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器，尤其适用于各类机械结构中应变量的高精度测量。
背景技术
光纤光栅具有体积小、重量轻、防爆、对电绝缘、抗电磁干扰、可靠性高、环境适应性好，且在单根光纤上可以布置多个针对不同参数的测量光栅形成分布式传感器的特点，因此成为光纤传感领域的研究热点之一。光纤光栅应变传感器是利用光栅应变量与布拉格波长间的关系进行应变测量，目前在桥梁、大坝、矿山及电站等大型工程的健康监测和安全预警领域得到了广泛的应用。
近年来，光纤光栅应变传感器向其他应用领域迅速发展，其中包括如机床结构、齿轮箱***、飞机机翼及卫星太阳能板等机械结构的变形监测与运行维护。以上这些机械结构往往设计刚度高、变形量小，相对于大型工程建筑其测量点的应变测量范围窄、应变幅值小，需要传感器具有较大的应变灵敏度。并且一些特殊的复杂机械结构内部空间有限，对传感器的尺寸大小以及安装操作空间有严格要求。
目前，光纤光栅应变传感器的封装主要包括了管式、嵌入式和基片式封装结构。其中管式封装主要适用于建筑中埋入安装，一般尺寸较大，难以安装在机械结构表面进行应变测量。嵌入式封装通过将裸光栅直接嵌入其它有机聚合物粘接剂基体安装到待测表面，但是由于聚合物基体的应变对传递效率造成损失，其应变灵敏度要小于裸光纤光栅。中国发明专利公开号为CN101571380提供的基片式封装方案中，将光纤光栅固定在具有平板弹簧结构的金属基片上，使传感器两端可以承受较大应变(±2500με)，此方案可以实现大量程范围的应变传感，但是没有对光纤光栅的应变灵敏度作出相应改善，难以适用于机械结构中的小应变测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种结构紧凑，测量精度高的基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器。
本发明所采用的技术方案为：一种基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器，其特征在于：包括弹性应变基片和光纤光栅串，所述弹性应变基片具有纵向轴线和横向轴线，且分别沿纵向轴线和横向轴线对称设置，包括横梁、弹性应变单元、固定端、位移放大机构，所述横梁的两端分别通过弹性应变单元与固定端相连，构成温度补偿机构，所述位移放大机构沿横向轴线对称布设在横梁的上下两侧，所述位移放大机构包括一纵向位移臂和两个转动连接臂，所述纵向位移臂的两端分别通过第二柔性铰链对称连接转动连接臂，所述两转动连接臂的外端头分别通过第一柔性铰链与对应的固定端相连，所述第一柔性铰链的中心线和第二柔性铰链的中心线呈一定夹角布设，所述光纤光栅串包括应变测量光栅和温度补偿光栅，所述应变测量光栅位于弹性应变基片的纵向轴线位置，安设在两纵向位移臂上，所述温度补偿光栅的两端位于弹性应变基片的横向轴线位置，安设在横梁上。
按上述技术方案，所述弹性应变单元为O型弹性应变单元。
按上述技术方案，所述应变测量光栅在预应力拉直状态下固定到两纵向位移臂上。
按上述技术方案，所述温度补偿光栅在自由弯曲状态下固定到横梁两端。
按上述技术方案，所述温度补偿光栅和应变测量光栅分别采用玻璃焊料焊接在弹性应变基片上。
按上述技术方案，所述第一柔性铰链的对称中心点和第二柔性铰链的对称中心点的连线与纵向位移臂的横向轴线呈3～10°的夹角设置。
按上述技术方案，所述第一柔性铰链与转动连接臂偏心连接或中心连接，第二柔性铰链与转动连接臂或纵向位移臂偏心连接或中心连接。
按上述技术方案，在固定端上设有安装孔。
按上述技术方案，第一柔性铰链和第二柔性铰链的结构相同，均包括铰链本体，在铰链本体的两侧对称设有弧形凹槽。
本发明所取得的有益效果为：
1、本发明具有一对沿横向轴对称的柔性铰链位移放大机构，将固定端感知到的被测物体的横向变形量通过位移放大机构放大传递到纵向位移臂的位移输出，可将固定在纵向位移臂上应变测量光栅的灵敏度提高十倍，且能同时实现温度补偿，具有应变灵敏度大、结构简单小巧、可靠性高、易于安装并能有效消除温度漂移的优点，适用于各类机械结构中小量程范围的高精度应变测量。
2、应变测量光栅在焊接固定到弹性应变基片之前进行了预张拉，使传感器能够测量待测物体的正负应变。
3、安装在弹性应变基片横梁上的温度补偿光栅呈自由弯曲形状，且基片上的O型弹性应变单元在加载应变后易发生弹性形变，保证了横梁对横向应变不敏感，不会在测量过程中对温度补偿光栅的补偿值产生扰动。
4、本发明光纤光栅应变传感器结构简单，由弹性应变基片和光纤光栅串构成，弹性应变基片可一次装夹加工成型、结构简单、成本低、长期可靠性好。
5、本发明纤光栅应变传感器尺寸小，光纤光栅串可以选择在横向轴或纵向轴上引出，易于实现在结构紧凑、空间狭小的机械结构中的安装。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为本发明的侧视图。
图3为第一柔性铰链和第二柔性铰链的一种布置示意图。
图4为第一柔性铰链和第二柔性铰链的另一种布置示意图。
附图中各部件的标记如下：1、弹性应变基片；2、第一柔性铰链；3、O型弹性应变单元；4、转动连接臂；5、第二柔性铰链；6、纵向位移臂；7、玻璃焊点；8、横梁；9、固定端；10、安装孔；11、应变测量光栅；12、温度补偿光栅；13、光纤光栅串。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2所示，本实施例提供了一种基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器，包括弹性应变基片1和光纤光栅串13，光纤光栅串13上的应变测量光栅11和温度补偿光栅12两端固定在弹性应变基片1上相应位置。
所述弹性应变基片1具有纵向轴线和横向轴线，且分别沿纵向轴线和横向轴线对称设置，包括横梁8、O型弹性应变单元3、固定端9、位移放大机构，所述横梁8的两端分别通过弹性应变单元3与固定端9相连，构成温度补偿机构，所述位移放大机构沿横向轴线对称布设在横梁8的上下两侧，所述位移放大机构包括一纵向位移臂6和两个转动连接臂4，所述纵向位移臂6的两端分别通过第二柔性铰链5对称连接转动连接臂4，所述两转动连接臂4的外端头分别通过第一柔性铰链2与对应的固定端9相连，所述第一柔性铰链2的对称中心点和第二柔性铰链5的对称中心点的连线与纵向位移臂6的横向轴线呈α的夹角布设，其中，α取值为3～10°，优选5°。所述第一柔性铰链2与转动连接臂4偏心连接或中心连接，第二柔性铰链5的两端分别与转动连接臂4和纵向位移臂6偏心连接或中心连接，图3和图4分别示意了两种连接方式(图3中的第一柔性铰链连接在转动连接臂4的中心位置，第二柔性铰链的两端分别连接在转动连接臂和纵向位移臂的中心位置；图4中第一柔性铰链连接在转动连接臂的偏心位置，第二柔性铰链的两端分别连接在纵向位移臂和转动连接臂的偏心位置)。光纤光栅串13包括应变测量光栅11和温度补偿光栅12，所述应变测量光栅11位于弹性应变基片1的纵向轴线位置，应变测量光栅11两端在预应力拉直状态下通过沿横向轴线对称的玻璃焊接点7分别连接到两纵向位移臂6上，所述温度补偿光栅12的两端在自由弯曲状态下通过沿纵向轴对称的玻璃焊接点7分别连接到横梁8两端。
本实施例中，第一柔性铰链2和第二柔性铰链5的结构相同，均包括铰链本体，在铰链本体的两侧对称设有弧形凹槽。
本实施例中，在固定端9上设有安装孔10，使用时通过对安装孔10的焊接或螺栓连接将弹性应变基片的两固定端9固定到待测物体的测量位置上，工作时待测物体产生的横向正应变带动两固定端9间产生背向位移，固定端9的横向位移通过第一柔性铰链2拉动转动连接臂4，并通过第二柔性铰链5传递到纵向位移臂6，使两对称的纵向位移臂6间在纵向上产生十倍于固定端9横向位移量的背向位移；相反的，在待测物体产生横向负应变时带动两固定端9间产生相向位移，使两对称的纵向位移臂6间在纵向上产生十倍于固定端9横向位移量的相向位移。应变测量光栅11在预张拉状态下两端通过玻璃焊点7固定到纵向位移臂6上，可以感测量纵向位移臂6间的背向位移或相向位移，实现对被测物体的正负应变的高灵敏度测量。温度补偿光栅12呈自由弯曲形状通过两端玻璃焊点7固定在横梁8上，对应变测量光栅11在测量过程中由温度引起的波长漂移进行补偿。弹性应变基片1上的一对O型弹性应变单元3在测量过程中易发生弹性形变，保证了横梁8对弹性应变基片1的横向应变不敏感，不会在测量过程中对温度补偿光栅12的补偿值产生扰动。
在本实施例中，弹性应变片1的尺寸为40×12×0.5mm，该传感器的应变灵敏度约为10pm/με，可适用于各种机械结构变形的高精度测量。

Claims (9)

1.一种基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器，其特征在于：包括弹性应变基片和光纤光栅串，所述弹性应变基片具有纵向轴线和横向轴线，且分别沿纵向轴线和横向轴线对称设置，包括横梁、弹性应变单元、固定端、位移放大机构，所述横梁的两端分别通过弹性应变单元与固定端相连，构成温度补偿机构，所述位移放大机构沿横向轴线对称布设在横梁的上下两侧，所述位移放大机构包括一纵向位移臂和两个转动连接臂，所述纵向位移臂的两端分别通过第二柔性铰链对称连接转动连接臂，所述两转动连接臂的外端头分别通过第一柔性铰链与对应的固定端相连，所述第一柔性铰链的对称中心点和第二柔性铰链的对称中心点的连线与纵向位移臂的横向轴线呈一定夹角布设，所述光纤光栅串包括应变测量光栅和温度补偿光栅，所述应变测量光栅位于弹性应变基片的纵向轴线位置，安设在两纵向位移臂上，所述温度补偿光栅的两端位于弹性应变基片的横向轴线位置，安设在横梁上。
2.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于：所述弹性应变单元为O型弹性应变单元。
3.根据权利要求1或2所述的应变传感器，其特征在于：所述应变测量光栅在预应力拉直状态下固定到两纵向位移臂上。
4.根据权利要求1或2所述的应变传感器，其特征在于：所述温度补偿光栅在自由弯曲状态下固定到横梁两端。
5.根据权利要求1或2所述的应变传感器，其特征在于：所述温度补偿光栅和应变测量光栅分别采用玻璃焊料焊接在弹性应变基片上。
6.根据权利要求1或2所述的应变传感器，其特征在于：所述第一柔性铰链的对称中心点和第二柔性铰链的对称中心点的连线与纵向位移臂的横向轴线呈3~10°的夹角设置。
7.根据权利要求6所述的应变传感器，其特征在于：所述第一柔性铰链与转动连接臂偏心连接或中心连接，第二柔性铰链与转动连接臂或纵向位移臂偏心连接或中心连接。
8.根据权利要求1或2所述的应变传感器，其特征在于：在固定端上设有安装孔。
9.根据权利要求1或2所述的应变传感器，其特征在于：第一柔性铰链和第二柔性铰链的结构相同，均包括铰链本体，在铰链本体的两侧对称设有弧形凹槽。
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