CN100510645C - 光纤光栅三维力/位移传感器 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅三维力/位移传感器。包括用作基本传感器件的N只光纤光栅沿与圆柱体轴向平行且等角度粘贴于圆柱体表面，其中N为大于等于3的自然数，N只光纤光栅到圆柱体一端的距离相等，N只光纤光栅的一端通过单模光纤连接光分路器，光分路器的另一端通过单模光纤分别连接光源和波长解调设备。当在圆柱体上某处施加力或位移时，N只光布喇格光纤光栅由于不同其反射峰将产生不同的漂移量，进而可以计算出N只光纤光栅所在位置的力情况。根据材料力学的相关原理，即可计算出圆柱体受力处在三维空间的力和位移量的大小及方向。由此可以进行三维力和位移的传感测量。

Description

光纤光栅三维力/位移传感器

【技术领域】：本发明属于传感技术应用领域，特别涉及一种光纤光栅三维力或位移传感器，主要应用于空间三维力和位移的感测。

【背景技术】：光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。在单模光纤上写制布拉格光栅，由于均匀的折射率分布，其反射谱具有一个满足布喇格条件的反射峰，反射峰的波长与栅格间距和折射率调制深度成正比。当光纤光栅受到轴向力或位移时，其栅格周期将发生变化，进而引起光纤光栅反射峰的漂移。因此可以通过检测光纤光栅反射波长的漂移量计算出光栅所受到的轴向力及位移。

但是，现有的技术中，仅能够应用光纤光栅做一维力传感，尚未有应用光纤光栅实现空间三维力传感的方案。

【发明内容】：本发明的目的是解决现有光纤光栅传感器仅能进行一维测量的问题，提供一种光纤光栅三维力/位移传感器。

本发明提供的光纤光栅三维力/位移传感器，其特征是用作基本传感器件的N只光纤光栅沿与圆柱体轴向平行且等角度粘贴于圆柱体表面，其中N为大于等于3的自然数，N只光纤光栅到圆柱体一端的距离相等，N只光纤光栅的一端通过单模光纤连接光分路器，光分路器的另一端通过单模光纤分别连接光源和波长解调设备。根据N只光纤光栅的测量结果计算圆柱体受力处在三维空间的力和位移量的大小及方向。

光纤光栅是能由应变引起光谱变化的光学器件，即为布喇格光纤光栅、长周期光纤光栅、光纤FP腔、或光纤干涉器件。

圆柱体为能构成弯曲的梁结构，为悬臂梁、简支梁或伸长梁。

用于传感的光纤光栅采用串联或并联或串并混联的连接方式。

光源是宽带光源或可调谐光源。

当在圆柱体上某处施加力或位移时，三根布喇格光纤光栅由于不同其反射峰将产生不同的漂移量，进而可以计算出三个光纤光栅所在位置的力情况。根据材料力学的相关原理，即可计算出圆柱体受力处在三维空间的力和位移量的大小及方向。由此可以进行三维力和位移的传感测量。

测试原理是：

若圆柱体采用悬臂梁时：长度为L，半径为R，弹性模量为E的刚性圆柱体一端固定，另外一端悬空，构成横截面为圆形的悬臂梁。光纤光栅以120°角的间距沿圆柱体轴向粘贴。三支光纤光栅距离固定端的距离均为x。设集中载荷F施加于自由端时，设定如下坐标系：以自由端截面的圆心为原点，以圆柱体的轴向为z轴，以垂直于z轴方向上的力F的分量F_xy的方向为y轴。则三个光纤光栅在此坐标系中xy平面内的位置均在以圆心为原点，以R为半径的圆上。其与F的夹角分别为：-θ，120°-θ和240°-θ。

则由材料力学的知识可知，在悬臂梁时，只考虑弯曲有：

光纤光栅处的弯矩为：

M＝F_xy(L-x)   (1)

由光纤光栅所在截面上距离中心面y处的应变为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{\mathrm{\σ}}{E}=\frac{\mathrm{My}}{\mathrm{EI}}=\frac{(L-x)y{F}_{\mathrm{xy}}}{E\frac{\mathrm{\π}}{16}{R}^2}---\left(2\right)$

圆柱梁的轴向应变为：

${\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{F_z}{\mathrm{E\π}{R}^2}---\left(3\right)$

则每一支光纤光栅上的应变为：

ε₁＝αF_xycosθ+ε_z

ε₂＝aF_xycos(120°-θ)+ε_z

ε₃＝αF_xycos(240°-θ)+ε_z   (4)

$\mathrm{\α}=\frac{L-x}{E\frac{\mathrm{\π}}{16}{R}^2}$

以上为原理分析。在实际应用时，ε₁、ε₂、ε₃为通过对光纤光栅的波长漂移计算得出的参量(为已知)，则由公式(4)，可以计算得出F在三维空间内的大小与方向。

同时，根据悬臂梁的挠曲轴方程，可以计算出自由端的侧向位移量(方向与F_xy相同)为：

$w_{\mathrm{xy}}=\frac{F_{\mathrm{xy}}{L}^3}{3E\frac{\mathrm{\π}}{16}{R}^2}---\left(5\right)$

及轴向位移量为：

$w_z={\mathrm{\ϵ}}_{z}L=\frac{F_z}{\mathrm{E\π}{R}^2}L---\left(6\right)$

则可以得知自由端在三维空间的位移量的大小。

若圆柱体采用简支梁时：长度为L，半径为R，弹性模量为E的刚性圆柱体一端(A)用铰链固定，另外一端(B)通过支架支撑，构成横截面为圆形的简支梁。光纤光栅以120°角的间距沿圆柱体轴向粘贴。三支光纤光栅距离A端的距离均为x。设集中载荷F施加于距离A端为a的位置处，并使得a>x。设定如下坐标系：以A端截面的圆心为原点，以圆柱体的轴向为z轴，以垂直于z轴方向上的力F的分量F_xy的方向为y轴。则三个光纤光栅在此坐标系中xy平面内的位置均在以圆心为原点，以R为半径的圆上。其与F的夹角分别为：-θ，120°-θ和240°-θ。

则由材料力学的知识可知，在简支梁时，只考虑弯曲有：

光纤光栅处的弯矩为：

$M=F_{\mathrm{xy}}\frac{(L-a)}{L}x---\left(7\right)$

由光纤光栅所在截面上距离中心面y处的应变为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{\mathrm{\σ}}{E}=\frac{\mathrm{My}}{\mathrm{EI}}=\frac{\frac{(L-a)}{L}\mathrm{xy}{F}_{\mathrm{xy}}}{E\frac{\mathrm{\π}}{16}{R}^2}---\left(8\right)$

圆柱梁的轴向应变为：

${\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{F_z}{\mathrm{E\π}{R}^2}---\left(9\right)$

则每一支光纤光栅上的应变为：

ε₁＝αF_xycosθ+ε_z

ε₂＝αF_xycos(120°-θ)+ε_z

ε₃＝αF_xycos(240°-θ)+ε_z

                                             (10)

$\mathrm{\α}=\frac{\frac{(L-a)}{L}x}{E\frac{\mathrm{\π}}{16}{R}^2}$

以上为原理分析。在实际应用时，ε₁、ε₂、ε₃为通过对光纤光栅的波长漂移计算得出的参量(为已知)，则由公式(4)，可以计算得出F在三维空间内的大小与方向。

同时，根据简支梁的挠曲轴方程，可以计算出受力处的侧向位移量(方向与F_xy相同)为：

$w_{\mathrm{xy}}=\frac{F_{\mathrm{xy}}\mathrm{ba}}{6E\frac{\mathrm{\π}}{16}{R}^{2}L}(2a^2-2\mathrm{aL})---\left(11\right)$

及轴向位移量为：

$w_z={\mathrm{\ϵ}}_{z}L=\frac{F_z}{\mathrm{E\π}{R}^2}L---\left(12\right)$

则可以得知受力处在三维空间的位移量的大小。

本发明的优点及效果：本发明提供的是一种新型的光纤光栅三维力/位移传感器，利用布拉格光纤光栅作为传感器件，采用三根或以上光纤光栅组成空间传感阵列，通过对三根光纤光栅反射波长峰值漂移量的相关性分析实现空间三维力和位移的测量。

【附图说明】：

图1是本发明光纤光栅三维力/位移传感器结构示意图。

【具体实施方式】：

实施例1：

如图1所示，本发明提供的光纤光栅三维力/位移传感器，包括：光源1，波长解调设备2，光分路器3，光纤光栅传感阵列4，圆柱体5，单模光纤6。用作基本传感器件的三只光纤光栅4沿与圆柱体5轴向平行且等角度(120度)粘贴于圆柱体表面，其中N取三(也可取三以上)，三只光纤光栅到圆柱体一端的距离相等(如取1/2圆柱体长度)，三只光纤光栅的一端通过单模光纤6连接光分路器3，光分路器的另一端通过单模光纤分别连接光源1和波长解调设备2。

通过对各光纤光栅波长的漂移量计算处圆柱体所受力和位移的大小和方向。

其中，光源1可以是宽带光源或窄带可调谐光源。

波长解调设备2可以是光谱仪或多波长计等光波长解调设备。

光分路器3可以是光耦合器、光开关等光学器件。

光纤力传感器4可以是光纤光栅力传感器阵列。

圆柱体5可以是质地均匀金属、非金属或其他材质的圆柱体。

实施例2：

光源1的工作波段为1530-1560nm的宽带光源。光分路器3采用工作波段为1550nm波段的耦合器。光波长解调器2采用光谱分析仪。光纤光栅阵列4的中心波长分别为1540.000nm、1545.000nm、1550.000nm。单模光纤6采用1550nm波段的单模光纤。圆柱体的长度为10cm，半径为1cm，所用材料为有机玻璃，弹性模量E＝2700。

在实际应用时，用单模光纤6将光源1与光分路器3、光分路器3和光纤光栅传感阵列4、光分路器3和波长解调器2相连。采用三只光纤光栅构成光纤光栅阵列4分别粘贴于圆柱体的中部，距离圆柱体两端距离相等。同时，三只光纤光栅互成120度角。圆柱体一端固定，另一端为自由端，构成悬臂梁。力F作用于梁的自由端。则可以由前述原理，通过对光纤传感阵列波长的漂移量计算出圆柱体所受力的大小和方向。

如：当施加一个三维的力F在悬臂梁的自由端时。若通过光谱测量设备测量得到三只光纤光栅的波长漂移分别为0.1nm、-0.05nm、-0.05nm，则对应各光纤光栅的应变值为100με、-50με、-50με。则将该圆柱体的结构参数及各光纤光栅应变值代入前述悬臂梁结构的公式(4)，可以计算出α＝1.886，F_xy＝53N，F_z＝0，θ＝0。则可以得到力F的方向为θ＝0，其大小为53N。

Claims (5)

1.一种光纤光栅三维力/位移传感器，其特征是用作基本传感器件的N只光纤光栅沿与圆柱体轴向平行且等角度粘贴于圆柱体表面，其中N为大于等于3的自然数，N只光纤光栅到圆柱体一端的距离相等，N只光纤光栅的一端通过单模光纤连接光分路器，光分路器的另一端通过单模光纤分别连接光源和波长解调设备，根据N只光纤光栅的测量结果计算圆柱体受力处在三维空间的力和位移量的大小及方向。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅三维力/位移传感器，其特征在于：光纤光栅是能由应变引起光谱变化的光学器件，即为布喇格光纤光栅、长周期光纤光栅、光纤FP腔、或光纤干涉器件。

3.根据权利要求1或2所述的光纤光栅三维力/位移传感器，其特征在于：圆柱体为能构成弯曲的梁结构，为悬臂梁、简支梁或伸长梁。

4.根据权利要求1或2所述的光纤光栅三维力/位移传感器，其特征在于：用于传感的光纤光栅采用串联或并联或串并混联的连接方式。

5.根据权利要求1或2所述的光纤光栅三维力/位移传感器，其特征在于：光源是宽带光源或可调谐光源。