CN101586994B - 具有温度补偿功能的光纤光栅拉压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有温度补偿功能的光纤光栅拉压力传感器，它利用九个短周期光纤光栅、弯曲梁式结构的弹性元件、光纤连接头及封装外壳实现力值测量，其中将八个短周期光纤光栅两个一组以90度的间隔垂向安装在弹性元件圆周上，另外一个光栅作为温度补偿用；弹性元件作为敏感元件，具有光学结构简单、不受电磁干扰、测量频带宽、分辨率高、较好的线性滞后等优点；同时它还具有温度补偿功能，可以实现较大温度变化范围内的正常工作。

Description

具有温度补偿功能的光纤光栅拉压力传感器

技术领域

本发明涉及一种具有温度补偿功能的光纤光栅拉压力传感器，属于拉压力应变测量技术领域。

背景技术

目前，各种力传感器例如应变、压电类被广泛应用于力值测量中。力值测量包括静态力测量以及动态力测量，静态测量主要是应用应变式传感器，它可以长时间的对某一静态力值进行监视，但是由于应变片动态响应的局限性，它不适合用于动态力的测量；而压电类力传感器则具有较高的动态频响，因此适合于进行动态力的测量，但由于电荷量无法长时间存储，故压电类传感器不适合静态力学量的测量。

光纤光栅技术起源于上世纪七十年代，九十年代进入我国。目前国内有多家研究机构开始利用此项技术进行参数测试或制作产品。对于航空、航天及石油工业等特殊环境下需要利用到的力传感器，其特点是既要有较高的动态响应和较好的静态力值测量的线性度，也要有防电磁干扰及较好的温漂特性。目前还没有同时满足以上要求的产品。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术存在的缺陷而设计提供了一种具有温度补偿功能的光纤光栅拉压力传感器，其目的是实现静态与动态拉压力的综合测试，同时能够抗电磁干扰并具有温度补偿功能。

本发明的目的是通过以下措施来实现的：

该种具有温度补偿功能的光纤光栅拉压力传感器，包括弯曲梁结构弹性元件、外壳体、膜片、上端盖和下端盖，其特征在于：用一根刻有短周期光栅的光纤连续在弯曲梁结构弹性元件分布九个测量点，其中，八个测量点分成四组，每组两个，竖直贴覆在弯曲梁结构弹性元件的四个测量曲面上，相邻的测量曲面间隔90度，用于测量传感器内部的温度变化的光纤上的第九个测量点自由状态地放置在传感器的内部，光纤接头设置在传感器的外壳上。

本发明传感器的测量原理是：待测力通过压头部分传递至弹性体的弯曲梁部分，此时在弯曲梁上产生应变量，应变量的大小与力值大小成正比，应变通过胶接结构传递至光纤光栅上，八个短周期光纤光栅两个一组以90度的间隔垂向安装在弹性元件圆周上，此时光纤光栅的反射中心波长便会发生变化，通过波长解调仪可以得出波长变化量，再利用波长与应变对应关系得出实际应变值，最后利用应变与力值对应关系得到实测力值。由于四组光栅是两两相对放置，因此每间隔90度便可得到两组数据，首先将这两组数据取平均值，然后再与其它三组数据取平均值，最后将温度补偿光栅的变化输出值进行相减，便得到了实际待测力值。基于以上原理分析，可以得出这种结构的传感器具有弯曲补偿和温度补偿功能。

附图说明

图1为本发明传感的结构示意图

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

参见附图1所示，本发明所述具有温度补偿功能的光纤光栅拉压力传感器包括弯曲梁结构弹性元件1、外壳体2、膜片3、上端盖4、光纤接头5、下端盖6、光纤光栅7。外壳体2作为弯曲梁结构弹性原件1的支承机构，保证了待测力的准确传递，同时在安装时需要保证两个器件的轴线的完全重合。膜片3和上端盖4起到密封及减小侧向力影响的作用。弯曲梁结构弹性元件1将待测力通过压头部分传递至弹性体的弯曲梁部分，其中弹性体材料选用40CrMoNiA，这种材料具有较高的强度极限和比例极限。此时在弯曲梁上产生应变量，应变量的大小与力值大小成正比，用一根刻有短周期光栅的光纤7连续在弯曲梁结构弹性元件1分布九个测量点，光纤光栅选用在SMF-28光纤上C波段的短周期光纤光栅，该短周期光栅的光纤7两端带有FC/APC接头且纤芯上刻有九个光栅作为测量点，光栅中心波长两两相差5nm，其中，八个测量点分成四组，每组两个，工作在1550nm波段的单模光纤去除保护套层，使相邻的两个光栅以几毫米的间距竖直粘贴在在弯曲梁结构弹性元件1的四个测量曲面8上，作为垂向测量应变量的敏感件，相邻的测量曲面8间隔90度，相对安装的光栅可以彼此消除传感器弹性元件的扭转应力，用于测量传感器内部的温度变化的光纤7上的第九个测量点自由状态地放置在传感器的内部或放置在弹性元件表面，光纤接头5设置在传感器的外壳2上。并配上防尘罩，以保证接口的低损耗特性。两侧均有光纤耦合接头，在传感器内部将测量的光纤光栅的输出端连接在其上，同时外侧连接波长解调仪器。下端盖6连接在外壳体2的下端，并且带有压头，起到传递拉压力至外壳体2，为保证待测力的准确传递，在安装时需要保证两个器件的轴线的完全重合。

四组共八个光纤光栅垂向安装在梁式弹性表面，工作时取八个光栅中心波长的平均值作为弹性元件的应变量，有利于力值测量的准确性，极大限度的减小扭转对测量结果的影响；弹性元件作为敏感元件，当传感器受力时，会在弹性元件上按公式(1)产生应变：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{P}{\mathrm{AE}}---\left(1\right)$

式中：ε-产生应变量；

A-弹性元件横截面面积；

E-材料弹性模量；

P-施加力值；

应变通过胶接结构传递至光纤光栅上，此时光纤光栅的反射中心波长便会按照下式发生变化：

Δλ＝kλε    (2)

式中：Δλ-对应于中心波长为λ的波长变化量；

λ-中心波长；

k-应变、波长比例系数，是与光纤纤芯参数有关的物理量；

通过波长解调仪可以得出波长变化量，再利用波长与应变对应关系得出实际应变值，最后利用应变与力值对应关系得到实测力值。由于四组光栅是两两相对放置，因此可以利用这种结构实现传感器的扭曲补偿。由于光纤光栅测量的是应变量，因此选择适当的波长解调仪器，就可以进行力学量值的静态及动态测量。

用于温度补偿的第九个测量点光栅，工作时通过对其余光栅中心波长的值进行补偿，可以减小传感器的温漂系数。温度与光栅波长变化的关系式如下：

Δλ′＝(α+ξ)λΔT    (3)

式中：α-光纤的热膨胀系数；

ξ-光纤的热光系数；

总的波长变化量为：

Δλ″＝Δλ+Δλ′    (4)

故可以通过消除温度引起的变化而得到正确应变量。

本发明的工作过程是：在测量某一力值之前，首先通过压头部分与待测力机构之间紧密相连，安装扭矩应达到2Nm，同时在安装过程中，应保证传感器的轴线方向与待测力轴向的重合度；然后通过单模光纤跳线(SMF-28，接头FC/APC)将传感器输出端连接至波长解调仪器，观察解调仪输出即可得到待测力值。

Claims (1)

1.具有温度补偿功能的光纤光栅拉压力传感器，包括弯曲梁结构弹性元件(1)、外壳体(2)、膜片(3)、上端盖(4)和下端盖(6)，其特征在于：用一根刻有短周期光栅的光纤(7)连续在弯曲梁结构弹性元件(1)分布九个测量点，其中，八个测量点分成四组，每组两个，竖直贴覆在弯曲梁结构弹性元件(1)的四个测量曲面(8)上，相邻的测量曲面(8)间隔90度，用于测量传感器内部的温度变化的光纤(7)上的第九个测量点自由状态地放置在传感器的内部，光纤接头(5)设置在传感器的外壳体(2)上。

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