CN100561155C - 温度不敏感光纤光栅应力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种温度不敏感光纤光栅应力传感器，传感头结构主体(40)、第一根磷铜杆(32)和第四根磷铜杆(60)垂直固定于封装体底部。传感头结构主体的上端面与滑动盖(21)下表面接触。第二根磷铜杆(42)垂直粘贴于传感头结构主体(40)上。第三根磷铜杆(52)通过连接件(50)和(41)分别与第四根磷铜杆(60)和第二根磷铜杆(42)连接。测量光纤光栅(51)和参考光纤光栅(31)分别粘贴在第三根磷铜杆(52)和第一根磷铜杆(32)上，测量光纤光栅经右环行器与光功率计(90)连接。参考光纤光栅经左环行器与宽带光源(80)连接。该传感器温度不敏感，特别适用于高速铁路列车运行控制和列车实时追踪。

Description

温度不敏感光纤光栅应力传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅应力传感器，适用于桥梁、道路、建筑结构的应力应变传感，特别适用于高速铁路列车运行控制和列车实时追踪。

背景技术

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，目前常用传感器原理及其应用如下：

应变片压力传感器：电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构。

陶瓷压力传感器：抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

扩散硅压力传感器：被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷)，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

蓝宝石压力传感器：利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，蓝宝石系不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性(1000OC以内)，因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感；蓝宝石还具有抗辐射特性极强的优点。但是该传感器制作工艺复杂，成本较高。

压电压力传感器：压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。

电容式压力传感器：利用Ic制造技术开发研制的医疗用小型电容式压力传感器已取得初步成效，使2线的电容式压力传感器实现了小型化(0.35×1.40×0.10mm)。

复合式差压传感器：流水作业生产线上应用的差压传感器由于易受线上压力和温度的影响，因而需要加以补偿。新近开发研制的具有补偿功能的差压传感器基片中央的圆形部分是膜片，在膜片的边缘部位扩散4个压敏电阻，形成差压传感器。在膜片外侧的上部扩散配置温度补偿用温度传感器，下部扩散配置静压传感器，结构复杂。

压力传感器阵列：最近开发研制的手表型压力传感器阵列由8个1mm四方形的压力传感器形成阵列，在单块基片上集成化。测量人体血压时将其下部按压在手腕上，血压通过血管、皮下组织、皮肤、硅树脂而传送到膜片。真实的血压由微处理器判断，血管和压力传感器的相对位置随人体步行或运动等不同状态而改变，如此就能随时(步行或运动)测出正确的血压。

光纤压力传感器具有本质安全，可以满足石油、化工等易燃和易爆行业对安全的要求，同时具有抗电磁干扰能力强，能在恶劣环境下工作等特点，因此一直受到人们的关注.传统的光纤压力传感器是基于受抑全内反射、动光栅、棱镜式全内反射、光弹效应、光纤微弯损耗等原理的压力传感器.

上述各种压力传感器，各有优缺点，但是均未在高速列车定位和实时追踪方面有过应用，我国目前铁路系统对列车状态的监控，主要是通过计轴系统、抄车号系统、列车安全运行监控记录装置等来实现。

光纤光栅在温度、压力、拉力等光纤传感技术方面得到了较广泛的应用。但是用克服温度应力交叉敏感的分布式光纤光栅传感来实现列车定位和实时追踪的方法尚未见到有关的报道。

发明内容

为了克服目前铁路系统对列车状态监控的可靠性问题、抗干扰问题、造价问题以及对列车速度的适应性问题等，本发明提出了一种温度不敏感光纤光栅应力传感器，特别适用于高速铁路列车运行控制和列车实时追踪。

一种温度不敏感光纤光栅应力传感器，构成该传感器的各部件之间的连接：

传感头结构主体高度大于封装体的深度，其底端固定于封装体底部的中央，上端面与滑动盖的下表面接触，滑动盖与封装体上端活动配合，其上承载外界压力后，随着压力大小的变化上下活动。

第一根磷铜杆和第四根磷铜杆等长，第二根磷铜杆和第三根磷铜杆等长，前两根磷铜杆的长度大于后两根磷铜杆的长度，第一根磷铜杆和第四根磷铜杆的长度小于封装体的深度。

第一根磷铜杆和第四根磷铜杆垂直固定于封装体底部上。

第二根磷铜杆垂直粘贴于传感头结构主体上。

第三根磷铜杆的上下两端通过连接件分别与第四根磷铜杆的上端和第二根磷铜杆的下端连接，垂直于封装体底部。

测量光纤光栅竖直粘贴在第三根磷铜杆上，测量光纤光栅一端与右环行器的第二端口连接，另一端悬空。

参考光纤光栅竖直粘贴在第一根磷铜杆上，参考光纤光栅一端与左环行器的第二端口连接，另一端悬空；测量光纤光栅与参考光纤光栅光谱特性完全一致。

光功率计由右环行器的第三端口注入，右环行器的第一端口与左环行器的第三端口连接。

宽带光源信号注入左环行器的第一端口。

参考光纤光栅和测量光纤光栅为均匀光纤光栅，或啁啾光纤光栅。

所用的宽带光源为掺铒光纤放大器，或LED，或其它任何波长范围在光纤低损耗窗口的宽带光源。

传感头结构主体材料为磷铜，或弹簧，或黄铜。

本发明的有益效果具体如下：

本发明适用于列车实时追踪，该传感器结构的最大特点是光纤光栅产生的应变是沿着光栅轴向的，因此可以比较容易获得光纤光栅的应变量，参考光栅和测量光栅处于同一个传感器封装里，在任何时候受到温度变化的影响都相同，这种方式不但提高了测量的准确度，而且使传感器非常适用于分布式测量，因为在铁路沿线上，各处的温度和温度的变化大不相同，而这种双光纤光栅传感器的特殊设计有效消除了外界温度变化对测量结果的影响，大大提高了其对应力感知的灵敏度。

光纤光栅传感灵敏度高，响应快，两个传感器之间的光纤间隔为大约200～300米，相当于将一般轨道电路的闭塞区间缩短了10倍，可以实现对列车的感应没有误差，且光强的涨落不影响波长的测量，提高了定位精度，缩短了行车间隔时间，扩大了轨道交通的运输能力。不同波长的光栅传感器的光信号通过波分复用，可以实现对行车进行全程追踪。光纤的价格很便宜，可大大降低系统成本，因此该光纤光栅传感器不仅结构简单，成本低廉，而且不受电磁干扰，最适宜于电气化区段使用。

附图说明

图1温度不敏感的光纤光栅应力传感器示意图。

图2温度不敏感的光纤光栅应力传感器A-A剖视图。

图3光纤光栅应力传感器上无应力和有应力情况下监测到的光谱。

图中：左环行器10、右环行器11、滑动盖子21、封装体底部22、参考光纤光栅31、第一根磷铜杆32、传感头结构主体40、连接件41、第二根磷铜杆42、连接件50、测量光纤光栅51、第三根磷铜杆52、第四根磷铜杆60、左宽带光源80、光功率计90。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例一

一种温度不敏感光纤光栅应力传感器，其构成的各部件之间的连接如下：

传感头结构主体40的横截面为边长2cm的正方形，长度为17cm，使用伸缩性非常好的磷铜材料制成，其底端固定于封装体底部22上，上端比封装体深度高出1cm，其上加上可上下滑动盖21承载外界压力。

选择弹性度非常好的横截面为边长0.5cm的正方形，长度分别为15cm，14cm，14cm，15cm的四根磷铜杆。

第一根磷铜杆32和第四根磷铜杆60垂直固定于封装体底部22上；

第二根磷铜杆42垂直粘贴于传感头结构主体40上；

第三根磷铜杆52的上下两端通过连接件50和41分别与第四根磷铜杆60的上端和第二根磷铜杆42的下端连接，垂直于封装体底部22；

选择中心波长为1552.52nm，长度为10cm的测量光纤光栅51，竖直粘贴在第三根磷铜杆52上，测量光纤光栅51一端与右环行器70的第二端口72连接，另一端悬空，测量光纤光栅51为均匀光纤光栅；

选择参考光纤光栅31竖直粘贴在第一根磷铜杆32上，参考光纤光栅31一端与左环行器10的第二端口12连接，另一端悬空；参考光纤光栅31与测量光纤光栅51光谱特性完全一致。

光功率计90由右环行器70的第三端口73注入，右环行器70的第一端口71与左环行器10的第三端口13连接；

宽带光源(80)信号注入左环行器(10)的第一端口(11)，宽带光源选择掺铒光纤放大器，其自发辐射谱作为宽带光源信号。

H为封装体的上端面与传感头结构主体40的上端面之间的距离。

实施例二

一种温度不敏感光纤光栅应力传感器，其构成的各部件之间的连接如下：

传感头结构主体40的横截面为直径2cm的圆形，长度为20cm的伸缩性非常好的弹簧40，其底端固定于封装体底部22，上端比封装体深度高出0.5cm，其上加上可上下滑动盖21承载外界压力。

选择弹性度非常好的横截面直径为0.5cm的圆柱，长度分别为17cm，15cm，15cm，17cm的四根磷铜杆。

第一根磷铜杆32和第四根磷铜杆60垂直固定于封装体底部22上；

第二根磷铜杆42垂直粘贴于传感头结构主体40上；

第三根磷铜杆52的上下两端通过连接件50和41分别与第四根磷铜杆60的上端和第二根磷铜杆42的下端连接，垂直于封装体底部22；

测量光纤光栅51，竖直粘贴在第三根磷铜杆52上，测量光纤光栅51一端与右环行器70的第二端口72连接，另一端悬空，测量光纤光栅51为中心波长1552.52nm，啁啾0.3nm，长度12cm的啁啾光纤光栅。

参考光纤光栅31竖直粘贴在第一根磷铜杆32上，参考光纤光栅31一端与左环行器10的第二端口12连接，另一端悬空；参考光纤光栅31与测量光纤光栅51光谱特性完全一致。

光功率计90由右环行器70的第三端口73注入，右环行器70的第一端口71与左环行器10的第三端口13连接；

宽带光源(80)信号注入左环行器(10)的第一端口(11)，宽带光源选择LED。

当外界施加的压力作用于该应力传感器时，传感头结构主体40压缩，使得第二根磷铜杆42产生向下的力，该力通过连接件43使得第三根磷铜杆52受到拉伸，导致测量光纤光栅51产生应变，测量光纤光栅51受到张力的作用，中心波长向长波长移动。

当外界施加的压力消失后，传感头结构主体40弹性恢复，第三根磷铜杆52受到的拉伸作用消失，测量光纤光栅51的中心波长迅速恢复到初始状态。

测量光纤光栅51和参考光纤光栅31的光谱特性完全一致，当测量光栅51上无应力作用时，测量光纤光栅51和参考光纤光栅31的光谱一致(测量光纤光栅51的光谱B11，参考光纤光栅31的光谱B12，见图3)，在接收端光功率计90检测到最大光强(右环形器70的第三端口73对应的输出光谱B13，见图3)；当测量光栅51上有应力时，测量光栅51和参考光栅31的光谱漂离(测量光纤光栅51的光谱B21，参考光纤光栅31的光谱B22，见图3)，接收端光功率计90检测到的光强变弱(右环形器70的第三端口73对应的输出光谱B23，见图3)。

本发明传感器所用的光纤光栅的中心反射波长没有特别的限制，选择国际电信联盟(ITU-T)给定波长最佳。

第一根磷铜杆32、第二根磷铜杆42、第三根磷铜杆52、第四根磷铜杆60及传感头结构主体40的截面形状不限。

宽带光源80、光功率计90、左右光环形器10和70均为购买器件。

Claims (2)

1.一种温度不敏感光纤光栅应力传感器，其特征在于，构成该传感器的各部件之间的连接：

传感头结构主体(40)高度大于封装体的深度，其底端固定于封装体底部(22)的中央，上端面与滑动盖(21)的下表面接触，滑动盖(21)与封装体上端活动配合，其上承载外界压力后，随着压力大小的变化上下活动；

第一根磷铜杆(32)和第四根磷铜杆(60)等长，第二根磷铜杆(42)和第三根磷铜杆(52)等长，前两根磷铜杆的长度大于后两根磷铜杆的长度，第一根磷铜杆(32)和第四根磷铜杆(60)的长度小于封装体的深度；

第一根磷铜杆(32)和第四根磷铜杆(60)垂直固定于封装体底部(22)上；

第二根磷铜杆(42)垂直粘贴于传感头结构主体(40)上；

第三根磷铜杆(52)的上下两端通过第一连接件(50)和第二连接件(41)分别与第四根磷铜杆(60)的上端和第二根磷铜杆(42)的下端连接，垂直于封装体底部(22)；

测量光纤光栅(51)竖直粘贴在第三根磷铜杆(52)上，测量光纤光栅(51)一端与右环行器(70)的第二端口(72)连接，另一端悬空；

参考光纤光栅(31)竖直粘贴在第一根磷铜杆(32)上，参考光纤光栅(31)一端与左环行器(10)的第二端口(12)连接，另一端悬空；测量光纤光栅(51)与参考光纤光栅(31)光谱特性完全一致；

光功率计(90)由右环行器(70)的第三端口(73)注入，右环行器(70)的第一端口(71)与左环行器(10)的第三端口(13)连接；

宽带光源(80)信号注入左环行器(10)的第一端口(11)。

2.根据权利要求1所述的一种温度不敏感光纤光栅应力传感器，其特征是：传感头结构主体(40)材料为磷铜或黄铜。

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