CN106863015A - 一种光纤光栅微位移传感器及带有该传感器的机床立柱 - Google Patents

一种光纤光栅微位移传感器及带有该传感器的机床立柱 Download PDF

Info

Publication number
CN106863015A
CN106863015A CN201710103234.2A CN201710103234A CN106863015A CN 106863015 A CN106863015 A CN 106863015A CN 201710103234 A CN201710103234 A CN 201710103234A CN 106863015 A CN106863015 A CN 106863015A
Authority
CN
China
Prior art keywords
base plate
fiber
optical fiber
fixed station
ring body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710103234.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106863015B (zh
Inventor
李瑞亚
谭跃刚
周祖德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University of Technology WUT
Original Assignee
Wuhan University of Technology WUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University of Technology WUT filed Critical Wuhan University of Technology WUT
Priority to CN201710103234.2A priority Critical patent/CN106863015B/zh
Publication of CN106863015A publication Critical patent/CN106863015A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106863015B publication Critical patent/CN106863015B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/24—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves
    • B23Q17/2452—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves for measuring features or for detecting a condition of machine parts, tools or workpieces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/01—Frames, beds, pillars or like members; Arrangement of ways
    • B23Q1/015—Frames, beds, pillars
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及一种光纤光栅微位移传感器，包括底板、两个侧板、光纤固定台、插销、环体、单模光纤、光纤光栅和顶针；两个侧板分别固定设置在底板的两侧，且与底板垂直设置，底板的一端伸出侧板外，并连接光纤固定台；插销垂直且转动连接在底板上，插销的上端固定设有环体，环体上靠近光纤固定台的一端设有连杆；单模光纤的中部环绕环体远离光纤固定台的一侧设置；本发明还涉及带有该传感器的机床立柱。本发明的有益效果是：本发明的一种光纤光栅微位移传感器及带有该传感器的机床立柱，结构简单，工作可靠，能满足恶劣的工程应用环境，且易于进行系列化大批量生产，且能测量微米级和纳米级位移，并能连续长期监测，具有较好的温度补偿效果。

Description

一种光纤光栅微位移传感器及带有该传感器的机床立柱
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤光栅微位移传感器及带有该传感器的机床立柱。
背景技术
在科学研究与工程实践中，位移测量技术的应用非常广泛，现有的可进行连续监测的位移测量技术主要包括电容式或电感式等电类位移测量技术、激光位移传感器和激光干涉仪等激光位移测量技术，这些传感器的位移测量精度都可以达到微米级，在科学研究与工程实践中发挥着重要作用。但是电类位移测量技术的环境适应性较差，特别是在强电磁辐射环境中，其测试精度和信噪比会大大降低。激光位移测量传感器价格昂贵，且对环境的洁净度要求高，无法在粉尘等环境中实现位移的高精度测量。
光纤光栅是一种新型光纤传感无源器件，具有体积小、重量轻、精度高、耐腐蚀、防爆、对电绝缘、抗电磁干扰、环境适应性好等优点，且可实现多点多参数的分布式测量和长期远程状态监测，因此在许多工程技术领域得到越来越广泛的应用。目前，有大量的科研工作人员和工程技术人员研发出了不同形式的光纤光栅位移传感器。英国Smart Fiber公司研发的SmartBridge光纤光栅位移传感器的位移测量精度仅为0.05mm(https://www.smartfibres.com/FBG-sensors)；美国MOI(Micron optics)公司研发的OS5100型光纤光栅位移传感器的位移测量精度为0.03mm(http://www.micronoptics.com/)；在光纤光栅解调仪的解调精度为±1pm的前提下，Changyu Shen等人研发了两种悬臂梁型光纤光栅位移传感器，测量精度分别为±20微米和±4微米(文献“Novel temperature-insensitivefiber Bragg grating sensor for displacement measurement”，源自期刊“Sensors andActuators A：Physical”第170卷，2011年；文献“A Displacement Sensor Based on aTemperature-Insensitive Double Trapezoidal Structure With Fiber BraggGrating”，源自期刊“IEEE sensors journal”第12卷第5期，2012年)；Sitong Tao等人则设计了一种薄壁环形光纤光栅温度传感器，测量精度达到±2微米(文献“Temperature-insensitive fiber Bragg grating displacement sensor based on a thin-wallring”，源自期刊“Optics Communications”第372卷，2016年)。
专利号为ZL200910026385.8的发明专利，公布了一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，通过弹簧拉伸或压缩两只光纤光栅(细金属管封装)，采用了中间弹性体，其灵敏度和测试精度被降低；专利号为ZL201010127525.3的发明专利，公布了一种超精密光纤光栅位移传感器，是以平行片簧为导轨的筒状光纤光栅位移传感器，可以实现微米级以及纳米级位移的测量，但是无温度补偿措施，且结构复杂，长期可靠性存在问题。因此，设计一种结构简单，工作可靠，温度自补偿的高精度光纤光栅微位移传感器，以满足恶劣工程应用环境中微小位移的长期可靠监测是亟待解决的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单，工作可靠，能满足恶劣的工程应用环境，且易于进行系列化大批量生产的光纤光栅微位移传感器及带有该传感器的机床立柱。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种光纤光栅微位移传感器，包括底板、两个侧板、光纤固定台、插销、环体、单模光纤、光纤光栅和顶针；
两个侧板分别固定设置在底板的两侧，且与底板垂直设置，底板的一端伸出侧板外，并连接光纤固定台，光纤固定台与底板的一端垂直连接；
插销垂直且转动连接在底板上，插销与底板转动连接，插销的一端固定设有环体，环体上靠近光纤固定台的一端设有连杆，连杆与底板平行设置，连杆的一端与环体固定连接，连杆的另一端向光纤固定台延伸，且设有顶针，顶针的一端与连杆的另一端垂直固定连接，另一端向侧板方向延伸，并伸出侧板外；
单模光纤的中部环绕环体远离光纤固定台的一侧设置，并与环体固定连接，其两端向光纤固定台延伸，并与光纤固定台固定连接，单模光纤的两侧分别设有光纤光栅，单模光纤与底板平行设置。
本发明的有益效果是：本发明的一种光纤光栅微位移传感器，结构简单，工作可靠，能满足恶劣的工程应用环境，且易于进行系列化大批量生产，且能测量微米级和纳米级位移，并能连续长期监测，具有较好的温度补偿效果。
进一步：两个光纤光栅以环体为中心对称设置。
上述进一步方案的有益效果是：检测准确。
进一步：底板为长方形，插销设置在底板长度方向的中心线上。
上述进一步方案的有益效果是：传感器测量精密。
进一步：连杆靠近光纤固定台一端的两侧分别设有弹簧，弹簧与底板平行设置，弹簧的一端与连杆固定连接，另一端与对应的侧板固定连接。
上述进一步方案的有益效果是：两个弹簧的拉伸或者压缩形变相同，检测准确。
进一步：单模光纤的两端通过粘接剂与光纤固定台固定连接；单模光纤的中部通过粘接剂与环体固定连接。
上述进一步方案的有益效果是：结构简单，连接稳定。
进一步：底板上设有方便安装传感器的螺栓孔。
上述进一步方案的有益效果是：方便安装传感器。
进一步：顶针的另一端设有硬质测头。
上述进一步方案的有益效果是：检测可靠。
进一步：一种带有该传感器的机床立柱，包括机床立柱本体、光纤光栅微位移传感器和碳纤维管；机床立柱本体竖直设置，光纤光栅微位移传感器固定设置在机床立柱本体侧面的上端，且光纤光栅微位移传感器中的顶针竖直朝下设置，机床立柱本体的侧面下端设有竖直向上设置的碳纤维管，碳纤维管的下端与机床立柱本体固定连接，上端与顶针固定连接。
上述进一步方案的有益效果是：用于在线测量机床立柱本体在内外热源作用下的微小热伸长量，对机床在竖直方向上的热误差进行实时补偿，提高机床的加工精度。
附图说明
图1为本发明的传感器的结构示意图；
图2为本发明的传感器***图的结构示意图；
图3为本发明的机床立柱的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、底板，2、侧板，3、光纤固定台，4、插销，5、环体，6、单模光纤，7、顶针，8、连杆，9、光纤光栅，10、弹簧，11、粘接剂，12、硬质测头，13、机床立柱本体，14、碳纤维管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图3所示，一种光纤光栅微位移传感器，包括底板1、两个侧板2、光纤固定台3、插销4、环体5、单模光纤6、光纤光栅9和顶针7；
两个侧板2分别固定设置在底板1的两侧，且与底板1垂直设置，底板1的一端伸出侧板2外，并连接光纤固定台3，光纤固定台3与底板1的一端垂直连接；
插销4垂直且转动连接在底板1上，插销4的上端固定设有环体5，环体5上靠近光纤固定台3的一端设有连杆8，连杆8与底板1平行设置，连杆8的一端与环体5固定连接，连杆8的另一端向光纤固定台3延伸，且设有顶针7，顶针7的一端与连杆8的另一端垂直固定连接，另一端向侧板2方向延伸，并伸出侧板2外；
单模光纤6的中部环绕环体5远离光纤固定台3的一侧设置，并与环体5固定连接，其两端向光纤固定台3延伸，并与光纤固定台3固定连接，单模光纤6的两侧分别设有光纤光栅9，单模光纤6与底板1平行设置。
本发明的一种光纤光栅微位移传感器，结构简单，工作可靠，能满足恶劣的工程应用环境，且易于进行系列化大批量生产，且能测量微米级和纳米级位移，并能连续长期监测，具有较好的温度补偿效果。
两个光纤光栅9以环体5为中心对称设置；检测准确。
底板1为长方形，插销4设置在底板1长度方向的中心线上；传感器测量精密。
连杆8靠近光纤固定台3一端的两侧分别设有弹簧10，弹簧10与底板1平行设置，弹簧10的一端与连杆8固定连接，另一端与对应的侧板2固定连接；两个弹簧10的拉伸或者压缩形变相同，检测准确。
单模光纤6的两端通过粘接剂11与光纤固定台3固定连接；单模光纤6的中部通过粘接剂11与环体5固定连接；结构简单，连接稳定。
底板1上设有方便安装传感器的螺栓孔；方便安装传感器。
顶针7的另一端设有硬质测头12；检测可靠。
一种带有该传感器的机床立柱，包括机床立柱本体13、光纤光栅微位移传感器和碳纤维管14；机床立柱本体13竖直设置，光纤光栅微位移传感器固定设置在机床立柱本体13侧面的上端，且光纤光栅微位移传感器中的顶针7竖直朝下设置，机床立柱本体13的侧面下端设有竖直向上设置的碳纤维管14，碳纤维管14的下端与机床立柱本体13固定连接，上端与顶针7固定连接；用于在线测量机床立柱本体13在内外热源作用下的微小热伸长量，对机床在竖直方向上的热误差进行实时补偿，提高加床的加工精度。
本发明的原理为，连杆8和环体5组成杠杆机构，环体5的半径为r，连杆8形成的有效旋转半径为R，两个光纤光栅9各自的两端固定距离均为L,当顶针7产生微位移d时，则其中一个光纤光栅9产生应变ε1＝rd/RL，另一个光纤光栅9产生大小相同，正负相反的压缩应变ε2＝-rd/RL。若环境温度的变化量为ΔT,则所示的其中一个光纤光栅9和另一个光纤光栅9的中心波长漂移Δλ1和Δλ2分别可以表示为：
上式中,λ1和λ2分别为其中一个光纤光栅9和另一个光纤光栅9的中心波长初始值，αf、ξf和Pe分别代表单模光纤6的热膨胀系数、热光系数和有效弾光系数，一般取值分别为0.5x10-6/℃、7.5x10-6/℃和0.22。将ε1＝rd/RL和ε2＝-rd/RL分别代入上式，则可以得到：
因此，通过差分求解可排除环境温度变化ΔT的影响，获得微位移量d的准确大小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤光栅微位移传感器，其特征在于：包括底板(1)、两个侧板(2)、光纤固定台(3)、插销(4)、环体(5)、单模光纤(6)、光纤光栅(9)和顶针(7)；
两个所述侧板(2)分别固定设置在所述底板(1)的两侧，且与所述底板(1)垂直设置，所述底板(1)的一端伸出所述侧板(2)外，并连接光纤固定台(3)，所述光纤固定台(3)与所述底板(1)的一端垂直连接；
所述插销(4)垂直且转动连接在所述底板(1)上，所述插销(4)的上端固定设有环体(5)，所述环体(5)上靠近所述光纤固定台(3)的一侧设有连杆(8)，所述连杆(8)与所述底板(1)平行设置，所述连杆(8)的一端与所述环体(5)固定连接，所述连杆(8)的另一端向所述光纤固定台(3)延伸，且设有顶针(7)，所述顶针(7)的一端与所述连杆(8)的另一端垂直固定连接，另一端向所述侧板(2)方向延伸，并伸出所述侧板(2)外；
所述单模光纤(6)的中部环绕所述环体(5)远离所述光纤固定台(3)的一侧设置，并与所述环体(5)固定连接，其两端向所述光纤固定台(3)延伸，并与所述光纤固定台(3)固定连接，所述单模光纤(6)的两侧分别设有光纤光栅(9)，所述单模光纤(6)与所述底板(1)平行设置。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅微位移传感器，其特征在于：两个所述光纤光栅(9)以所述环体(5)为中心对称设置。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅微位移传感器，其特征在于：所述底板(1)为长方形，所述插销(4)设置在所述底板(1)长度方向的中心线上。
4.根据权利要求3所述的一种光纤光栅微位移传感器，其特征在于：所述连杆(8)靠近所述光纤固定台(3)一端的两侧分别设有弹簧(10)，所述弹簧(10)与所述底板(1)平行设置，所述弹簧(10)的一端与所述连杆(8)固定连接，另一端与对应的所述侧板(2)固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅微位移传感器，其特征在于：所述单模光纤(6)的两端通过粘接剂(11)与所述光纤固定台(3)固定连接；所述单模光纤(6)的中部通过所述粘接剂(11)与所述环体(5)固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅微位移传感器，其特征在于：所述底板(1)上设有方便安装所述传感器的螺栓孔。
7.根据权利要求1所述的一种光纤光栅微位移传感器，其特征在于：所述顶针(7)的另一端设有硬质测头(12)。
8.一种带有该传感器的机床立柱，其特征在于：包括机床立柱本体(13)、权利要求1至7任一项所述的一种光纤光栅微位移传感器和碳纤维管(14)；所述机床立柱本体(13)竖直设置，所述光纤光栅微位移传感器固定设置在所述机床立柱本体(13)侧面的上端，且所述光纤光栅微位移传感器中的所述顶针(7)竖直朝下设置，所述机床立柱本体(13)的侧面下端设有竖直向上设置的碳纤维管(14)，所述碳纤维管(14)的下端与所述机床立柱本体(13)固定连接，上端与所述顶针(7)固定连接。
CN201710103234.2A 2017-02-24 2017-02-24 一种光纤光栅微位移传感器及带有该传感器的机床立柱 Active CN106863015B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710103234.2A CN106863015B (zh) 2017-02-24 2017-02-24 一种光纤光栅微位移传感器及带有该传感器的机床立柱

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710103234.2A CN106863015B (zh) 2017-02-24 2017-02-24 一种光纤光栅微位移传感器及带有该传感器的机床立柱

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106863015A true CN106863015A (zh) 2017-06-20
CN106863015B CN106863015B (zh) 2018-11-23

Family

ID=59168802

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710103234.2A Active CN106863015B (zh) 2017-02-24 2017-02-24 一种光纤光栅微位移传感器及带有该传感器的机床立柱

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106863015B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108844482A (zh) * 2018-08-23 2018-11-20 北京通为科技有限公司 光纤光栅传感器的校准平台
CN109916282A (zh) * 2019-04-01 2019-06-21 南京智慧基础设施技术研究院有限公司 一种基于光纤传感的结构变形装置及其检测方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1558183A (zh) * 2004-02-13 2004-12-29 武汉理工大学 非接触数字磁条、光栅条读出式位移传感器
CN2938025Y (zh) * 2006-06-26 2007-08-22 哈尔滨工业大学 光纤光栅位移计
CN101290214A (zh) * 2008-05-23 2008-10-22 宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司 一种光纤光栅位移传感器
CN101788268A (zh) * 2010-03-17 2010-07-28 合肥工业大学 超精密光纤光栅位移传感器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1558183A (zh) * 2004-02-13 2004-12-29 武汉理工大学 非接触数字磁条、光栅条读出式位移传感器
CN2938025Y (zh) * 2006-06-26 2007-08-22 哈尔滨工业大学 光纤光栅位移计
CN101290214A (zh) * 2008-05-23 2008-10-22 宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司 一种光纤光栅位移传感器
CN101788268A (zh) * 2010-03-17 2010-07-28 合肥工业大学 超精密光纤光栅位移传感器

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108844482A (zh) * 2018-08-23 2018-11-20 北京通为科技有限公司 光纤光栅传感器的校准平台
CN108844482B (zh) * 2018-08-23 2024-01-19 北京通为科技有限公司 光纤光栅传感器的校准平台
CN109916282A (zh) * 2019-04-01 2019-06-21 南京智慧基础设施技术研究院有限公司 一种基于光纤传感的结构变形装置及其检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106863015B (zh) 2018-11-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101526339B (zh) 温度自补偿光纤光栅位移传感器
CN106705877B (zh) 一种基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器
CN102564334B (zh) 用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片
Peng et al. Design and investigation of a sensitivity-enhanced fiber Bragg grating sensor for micro-strain measurement
CN101900616A (zh) 一种光纤布拉格光栅压力传感器及其相应的测量方法
CN202255738U (zh) 新型光纤光栅温度压力传感器
CN1743795A (zh) 一种光纤光栅位移传感器
CN104654997A (zh) 一种多自由度差分电容位移传感器标定装置
Liu et al. Fiber Bragg grating based displacement sensors: State of the art and trends
CN103105138A (zh) 一种光纤光栅应变灵敏度的校准装置和方法
CN201382777Y (zh) 温度自补偿光纤光栅位移传感器
CN106863015B (zh) 一种光纤光栅微位移传感器及带有该传感器的机床立柱
Xiong et al. Fiber Bragg grating displacement sensor with high measurement accuracy for crack monitoring
CN204404991U (zh) 一种多自由度差分电容位移传感器标定装置
CN110823121A (zh) 一种f-p腔型高温大应变光纤传感器
CN106053882A (zh) 一种双端固支梁式光纤加速度传感器
CN102168956A (zh) 摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器及标定方法
Guo et al. A fiber Bragg grating sensor for positive and negative displacement measurement
Wu et al. A high-frequency acceleration sensor based on fiber grating
CN201772960U (zh) 一种基于等强度梁的光纤布拉格光栅压力传感器
CN113804119B (zh) 一种耐高温高压光纤应变传感器
Zhao et al. Optical fiber pressure sensor based on FP cavity in the oil and gas well
CN109631964A (zh) 一种无胶化双参数多组测量段的单模光纤传感测头
CN112880578B (zh) 适用于机场道面接缝结构错台监测***及监测方法
CN104458105A (zh) 一种检测油井压力的方法及所用的光栅压力传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant