CN102203576B - 设有光学辊筒套传感器系统的工业辊筒 - Google Patents

Abstract

一种工业辊筒(20)，包括嵌于辊筒盖(6)中和/或位于工业辊筒(20)的辊筒盖(6)和辊芯(21)之间的转换横向力的光纤布拉格传感器(10)。转换横向力的光纤布拉格传感器(10)包括具有光纤芯(2)和光纤包层的光纤波导(1)，以及与光纤波导(1)的圆周表面的局部区域非正性连接的支柱元件(4)。光纤波导(1)包括位于光纤芯(2)内的布拉格光栅(3)，由此光纤(1)纵向上局部区域的尺寸比布拉格光栅(3)的光栅间距长。该局部区域位于光纤波导的容纳布拉格光栅(3)的部分上，而且支柱元件(4)的至少第一构件由杨氏模量小于10kN/mm²的第一材料形成。

Description

设有光学辊筒套传感器系统的工业辊筒

技术领域

本发明涉及工业辊筒所用辊筒套上的压力测量，并具体涉及用光纤布拉格光栅传感器来测定辊筒套上所受的压力。

背景技术

在工业造纸领域中辊筒用来导引、干燥以及压榨纤维幅页张，成为纸生产的基本部件。在造纸机中，辊筒还用作湿毛毯、压榨毛毯和干燥毛毯的导辊。在造纸机的某些部中，纤维幅在两个协同动作的辊筒之间传送，在那里纤维幅在这些辊筒之间所形成的压区中受压榨。用纤维幅加工而成的纸，其特性确实大大取决于各种各样协同动作的辊筒之间压区部分中存在的压力分布。因此，造纸业者很想监控这些压区部分中的压力分布。

通常，压区压力用置于辊芯和辊筒套之间的传感器或者置于辊筒套内的传感器来监控。径向力，即作用在辊筒径向上的力，通常用压电式传感器或者机电式传感器来测量，这两种传感器在感受到压力后都产生指示他们发生畸变的电压。由于造纸机辊筒高速旋转，通常借助无线发射机将传感器信号传送到辊筒外的信号处理器。

除了电传感器以外，光纤传感器也用于监控压区内的压力条件。光纤传感器通常采用光纤波导作传感元件，因此有关光纤光学性质的应变的影响决定了光纤上所受的应变。

常规光纤中，把通过纤维的光强度方面的应变或弯曲诱发变异用作测量信号。但由于借助这些效应得到的测量信号传送了与信号起源位置无关的信息，所以不可能测定纤维光学性质已改变的位置。

如果测量信号的原点也具重要性，则优选采用包括数个可辨别测量部的光纤。在光纤布拉格光栅传感器中，位于光纤芯中的布拉格光栅形成相应的测量部。布拉格光栅由光纤纵向上光纤芯折射率的一系列变化组成。因相关的测量问题而异，(通常两个)折射率连贯变化之间的间隔(所谓的光栅间距)不变，或者在一个布拉格光栅内变化。使通过光纤芯的光在各折射率转变点上发生部分反射，同时反射系数随所涉及折射率和光波长的变化而变。折射率一系列完全改变时的多次反射，导致结构干涉或者导致破坏性干涉。因此，当布拉格光栅测量部的光栅间距恒定时，只有一个波长会被(至少部分地)反射，而当光栅间距在一个测量部内变化时，则多个波长会被反射。所得的反射光波长和反射系数因所用光栅间距的不同而各异，由于折射率改变数值出现在测量部中，所以与折射率有关，并给定光栅长度。

当测量部(即包括布拉格光栅的纤维部分)遭受应力时，光栅间距变化就引起光栅所反射光的波长成比例偏移。仅当光纤的布拉格光栅部分沿其纵向受拉伸或者压缩时，才能得到可测量的波长偏移。横向作用到纤维轴线上的力并不引起光栅间距可测量的变化，而是只有光弹性效应所致的微小布拉格波长偏移。因此，光纤布拉格传感器主要用作应变感传器，而不是用作压力感传器或者作用力传感器。

两个协动辊筒的压区部分上压力分布图实际上由径向作用在辊筒上的力来描述。为了直接测量这些力，要使光纤布拉格传感器的布拉格光栅沿辊筒的径向取向。由于光纤布拉格光栅的光栅长度的等级为毫米，长得难以在辊筒套内使用，所以相应的布局不实用。而且，光纤最小弯曲半径约为1厘米数量级，因此使光纤的最小总高度相对于径向而言长得难以实际应用。出于受限弯曲半径的同样原因，光纤布拉格光栅在辊筒套中径向排列，使每根光纤只允许有一个测量部，以致每个测量位都需要单独的光纤。

因此，通常设置光纤传感器来测量因作用在压区部分中的力在辊筒套内诱发的环向应变。为了检测辊筒套的环向应变，将光纤嵌入辊筒套内或者嵌入辊筒套和辊芯之间的边界上。欧洲专利EP 1 392 917B1中公开了一种适于测定辊筒套中切向应变的装置，在该装置中优选沿螺线轴向、切向配置了微弯光纤传感器和一种“有些随机的”结构。欧洲专利说明书EP 0 809507B1中的这种光纤结构包括那些平行于辊筒轴线、沿辊筒长度延伸的螺旋线形、波线形、散射线形和直线形光纤结构。当使用类似波形的弯曲测线时，光纤的测量部如布拉格光栅在辊筒周向上取向或者在那方向上具有至少一种元件。

当在一根布拉格传感器光纤中使用一个以上测量部时，必须把各测量信号分配给他们的发送源的各自测量部。如果在螺旋构型中设置光纤布拉格传感器的光纤，则每个测量部在辊筒的不同角度位置上越过压区。因此，可用辊筒的旋转角来实现测量部分配。

测量部引起某一光的反射，识别该测量部的另外方法的基本原理是，测定在光脉冲射入布拉格光纤与检测从光纤中一个布拉格光栅反射回来的回光之间的时间间隔。一种相应的时分复用的(time multiplexed)光纤布拉格光栅传感器装置例如公开于专利说明书US 4,996,419中。

代替时分复用，可用波长复用来识别产生某一测量信号的测量部。文件US 4,806,012中公开了一种这样分布的立体解析光纤应变仪的例子。在所记述的布拉格光纤中，一个布拉格光栅的光栅间距与同一光纤中所形成的另一布拉格光栅的任何光栅间距不同。因此，一个光栅上所产生的回光，其基本波长与其他光栅中每个光栅上所产生回光的基本波长不同。在这方面，有人指出，本说明书中所用的术语“回光”指的是布拉格光纤中布拉格光栅上所反射的光。因此，布拉格光纤涉及一种光纤，该光纤具有在其光纤芯内形成的一个或多个布拉格光栅。本说明书中所用的术语“基本波长”涉及用未经受应变的布拉格光栅所产生回光的波长。当在为此设计而使用的情况下，布拉格光纤中不同布拉格光栅的基本波长之间的间距通常选择得比对布拉格光纤所期望的波长偏移要长一些。

不考虑所用布拉格光纤的类型，嵌入辊筒套中的光纤布拉格传感器将只允许测定由作用在压区的力引起的辊筒套的变形，而不允许测定作用于压区区域内辊筒上的径向力。由于辊筒长度上的压差通常比压区内外之间的压差小得多，所以滚筒套在辊筒长度上的变形率比辊筒周向上的变形率小。沿辊筒长度并平行于辊筒轴线安置的布拉格光纤将会因此只产生布拉格光栅上所反射光的微小波长偏移，如果有这种偏移的话，同时这种偏移值还不表示压区中存在的压缩力绝对值。为了得到压区中压缩力绝对值的信号，用显示辊筒周向的元件将布拉格光栅定向。由于滚筒套变形和压缩力之间的关系因辊筒套的弹性而变得非常复杂，而且这还对存在于两个对应辊筒之间的力不提供可靠的暗示。

光纤布拉格传感器的另一个缺点是，能设在一根光纤之内的可辨别测量部的数目有限。布拉格光纤传感器通常由至多10～25个光栅组成，这会限制那些可用于测定压区中压力分布图的测试点密度。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种改进的光纤布拉格传感系统，用于表征两个协动辊筒的压区部分上的压力分布。

该目的通过独立权利要求中限定的发明所实现。发明的有利实施例是其他权利要求的主题。

本发明包括：工业辊筒，该工业辊筒设有辊芯，辊芯的一部分为基本圆柱形的几何形状；辊筒套，该辊筒套至少部分地套在辊芯的圆柱部；以及一个或多个光纤传感器，所述传感器嵌入辊筒套中和/或位于辊筒套和辊芯之间。一个或多个光纤传感器包括至少一个测量部，该测量部由包括光纤波导和支柱元件的传感横向力的光纤布拉格传感器形成，光纤波导包括光纤芯和光纤包层，支柱元件与光纤波导圆周表面的局部区域非正性连接。光纤波导因此包括位于光纤芯中的布拉格光栅。另外，光纤纵向上所述局部区域的尺寸比布拉格光栅的光栅间距长，而且所述局部区域位于光纤波导的容纳布拉格光栅的部分上。此外，支柱元件的至少第一构件由杨氏模量小于10kN/mm²(等于10GPa)的第一材料形成。

如上所限定的工业辊筒能有利地使工业辊筒上的径向力得以直接测量。

另外，本发明还包括辊筒套，该辊筒套包括一个或多个嵌入辊筒套中和/或位于辊筒套和辊芯之间的光纤传感器；其中一个或多个光纤传感器由包括光纤波导和支柱元件的传感横向力的光纤布拉格传感器形成，光纤波导包括光纤芯和光纤包层，而且支柱元件与光纤波导圆周表面的局部区域非正性连接，以及其中光纤波导包括位于光纤芯中的布拉格光栅；光纤纵向上局部区域的尺寸比布拉格光栅的光栅间距长，所述局部区域位于光纤波导中的容纳布拉格光栅的部分上，以及支柱元件的至少第一构件由杨氏模量小于10kN/mm²的第一材料形成。

本发明还包括一种相当于如上所述传感横向力的光纤布拉格传感器的光纤传感器，作为工业辊筒和/或辊筒套的一部分。

上面所确定的制造光纤传感器的支柱元件用的第一材料的可压缩性优选较小，其特征在于，体积模量优选大于10¹⁰Pa(相当于10¹⁰N/m²，等于10GPa)。这种低的可压缩性保证了横向力有效变换成支柱元件的纵向形变。

在上面所确定的光纤传感器的优选实施例中，第一材料的杨氏模量小于1kN/mm²，更优选在0.001至0.01kN/mm²范围内。

有利的是，支柱元件包括至少一个第二构件，该第二构件由第二材料形成并相对于光纤的纵向设置在光纤波导的圆周表面上邻接第一构件，因此该第二材料的杨氏模量小于10kN/mm²，并具有高的可压缩性，该可压缩性的特征在于，体积模量优选小于106N/m²。

另外，支柱元件还可包括两个在相对于光纤波导纵向的相对侧上邻接第一构件的第二构件，因此能使支柱元件对称变形。

根据有利的改进，传感横向力的光纤布拉格传感器优选嵌于辊筒套中和/或嵌于辊筒套和辊芯之间，支柱元件位于辊筒套中所形成的空腔(5)中和/或位于辊筒套和辊芯之间。为了能在经受横向力时使与支柱元件连接的布拉格光栅伸长，光纤波导纵向上空腔的尺寸优选大于支柱元件在该方向上的尺寸。这容许支柱元件在受挤压时强挤入空腔。使得支柱元件设于空腔内，以便相对于光纤波导的纵向在支柱元件的两侧都留出空隙，就可改进灵敏度。

在光纤波导上设置支柱元件，以使光纤波导穿过支柱元件，使横向力在光纤布拉格光栅的纵向应变中有效转化。为了实现光纤波导径向上力的可控转化，支柱元件还可以具有旋转对称几何形状，光纤波导的轴线位于支柱元件的对称轴上。

支柱元件的第一构件还可为类似球体、扁长球体或者扁圆球状体、双锥体、盘形体、圆柱体或者鼓腹圆柱体等等能使横向力按规定转化成纵向力的更旋转的形状。

如果光纤传感器嵌于另一种材料中，该光纤传感器带有包括第一构件的支柱元件，所述第一构件沿光纤纵向夹在两个第二构件之间，则用支柱元件的第二构件就能实现第二构件的相对均匀压缩，该支柱元件具有大致圆锥的或者截顶圆锥的，即截锥体的形状，使第一构件与这种几何形状的底部相接触。

如果光纤包括涂层，例如保护涂层，则这种涂层优选构成支柱元件和光纤波导圆周表面之间的非正性连接的部分。

在优选实施例中，硅橡胶用于第一材料和/或聚合物泡沫用于第二材料。

这种工业辊筒还有利地包括：传感器供给装置，该供给装置具有宽谱光源，用于将光射入光纤传感器中；联接器，适用于将已在光纤布拉格传感器的布拉格光栅反射的光从光纤布拉格传感器耦合输出；光谱传感器，用于将从光纤布拉格传感器耦合输出的光波长敏感转化成电测量信号；信号处理器，用于处理测量信号；以及发送器，用于发送所处理的测量信号。由此所述传感器供给装置位于辊筒圆周表面的边沿区域的侧面上。因此，传感器供给装置的光学元件优选位于辊芯圆柱部的侧面上，从而使作用于各个光学构件上的离心力的发散部分的效果最小化。

为了能在不同位置上只用一根光纤来测量，至少一个光纤布拉格传感器包括具有不同光栅间距的一个以上布拉格光栅。这容许识别布拉格光栅，测量信号的波长产生测量信号。相应的测量方法称作波长复用。

为了进一步增加单根光纤中可辨别测试点的数目，提供了由不包含布拉格光栅的光纤波导部分彼此隔开的布拉格光栅组，因此在一个布拉格光栅组内的布拉格光栅具有不同的光栅间距，因此将分隔两个布拉格光栅组的光纤波导部分的长度选择得足够长，以便能够使不同布拉格光栅组反射的光能够进行时分对准(time-separated registration)。因此，一个布拉格光栅组内的布拉格光栅的光栅间距优选对应于另一布拉格光栅组内的布拉格光栅的光栅间距，容许同一组内的光栅数目最大。

采用至少一个嵌于辊筒套中和/或嵌于辊筒套和基本平行于辊筒旋转对称轴的辊芯之间的光纤传感器，光纤布拉格传感器就不受辊筒套切向伸缩变化的影响，从而提供了与工业辊筒的径向上压区力直接相关的测量信号。为了容纳设有多个被“延迟”部相间隔离的布拉格光栅组的光纤布拉格传感器，有利的是，将含有一组布拉格光栅的光纤布拉格传感器部分平行于辊筒旋转对称轴定向，并且分隔开两个布拉格光栅组的光纤布拉格传感器部分优选沿着绕辊筒旋转对称轴的大致螺旋线取向。因此，没有导致布拉格光栅之间间距增大的“延迟”部，就可平行于工业辊筒的旋转轴成行设置多个布拉格光栅。

由于至少一个光纤传感器基本沿着围绕辊筒的旋转对称轴的螺旋线嵌于辊筒套中和/或嵌于辊筒套和辊芯之间，就有可能确定压区部分中辊筒套的环向应变。

为使施加于光纤上的拉伸载荷最小化，至少一个光纤传感器可嵌于辊筒套中和/或嵌于辊筒套和辊芯之间，其中至少一个光纤布拉格光栅相对于辊筒的圆周方向以10°至80°之间的角度取向，并优选相对于辊筒的圆周方向以45°的角度取向。

有利的是，位于光纤布拉格传感器的沿着围绕辊筒旋转对称轴的大致螺旋线取向的一部分中的至少一个布拉格光栅不与支柱元件连接。

在一种优选实施例中，辊筒套的弹性特征杨氏模量在5kN/mm²至10kN/mm²范围内。

附图说明

另外，对本发明实施例连同权利要求书与附图的描述会使本发明的特点显而易见。本发明的实施例可实现单个特点或数个特点的组合。在下面的记叙中，根据特定实施例与相关附图对本发明作了更详细的解释，其中

图1a示出一种工业辊筒，该辊筒具有辊筒套，辊筒套中平行于旋转轴线嵌有光纤布拉格传感器，

图1b示出一种工业辊筒，该辊筒具有辊筒套，辊筒套中沿着围绕旋转轴的螺旋线嵌有光纤布拉格传感器，

图1c示出一种工业辊筒，该工业辊筒具有辊筒套，此辊筒套中嵌有光纤布拉格传感器，传感器的两个部分因此平行于旋转轴定向，而且传感器这两个部分间的那部分沿着围绕旋转轴的螺旋线定向，

图2示出传感横向力用的光纤布拉格传感器的第一示例，

图3示出传感横向力用的光纤布拉格传感器的第二示例，

图4示出传感横向力用的光纤布拉格传感器的第三示例，

图5示出传感横向力用的光纤布拉格传感器的第四示例，

图6示出辊筒套部分的详图，按照图2中说明的第一示例，嵌有传感横向力的光纤布拉格传感器，在大于支柱元件的空腔中容纳了支柱元件，

图7示出辊筒套部分，具有按照图2中说明的第一示例，嵌有传感横向力的光纤布拉格传感器详细视图，

图8示出辊筒套部分的详图，按照图3中说明的第二示例，嵌有传感横向力的光纤布拉格传感器，

图9示意性示出辊筒套中用于压力监测的光纤测量装置，以及

图10示出用来测量辊筒套径向变形的改进型光纤测量装置。

具体实施方式

图1a中示出一种具有光学辊筒套传感器系统的工业辊筒20的示意图。该工业辊筒20包括辊芯21和辊筒套6，所述辊芯的主体基本呈环状圆柱体，所述辊筒套包套在主体的较大部分上。辊芯21可用金属或纤维增强塑料制成，或者可用任何其他用于工业辊筒芯21的适合材料制成。辊芯21的主体可配置以壳管，该壳管具有外表面和内腔，所以辊筒套6覆盖外表面，或者全部覆盖或者除边缘之外予以覆盖。就辊筒套6而言，任何常用材料如橡胶、聚氨酯、纤维增强塑料等等都可用。

辊筒套6还包括嵌入式光纤布拉格传感器10，该传感器适于测量横向指向光纤10纵向的力，即相对于工业辊筒20径向的力。光纤布拉格传感器10包括一个或多个下面将更详细记述的支柱元件4，该支柱元件使被压缩时位于光纤10中的布拉格光栅延伸(或者压缩)。

在辊筒20的至少一个侧面上，设置了安装传感器供给装置22用的支座。在图1a至图1c所示的示例中，安装在辊芯21侧面上的外壳30形成这个支座。这种传感器供给装置22设于外壳30的凹座23内。本说明书中所用的术语传感器供给装置22，意指用来使光纤布拉格传感器10运行的设备，即该装置用来将光射入传感器10、用来测定波长分布和光纤传感器10的布拉格光栅上所反射光的强度，以及用来产生那些能够代表反射光特征的测量信号。传感器供给装置22还优选包括发送器或发送接收器，用来使无线数据通信能用测量设备或控制装置来遥控该工业辊筒20。凹座23的侧壁优选为平面，而且相对于工业辊筒20的旋转轴8正切取向。传感器供给装置22优选安装在这些侧壁上，以确保各独立部件以及尤其这些独立部件中的光学元件免受离心力发散的影响。虽然图1a至图1c中描绘了单模块形式的传感器供给装置22，但人们注意到，传感器供给装置22也可包括数个模块，每个模块可安装在侧壁的不同表面上。但不言而喻的是，一个模块或多个模块同样可共用各侧壁表面中的一个表面。为避免不均衡质量，凹座23的侧壁优选形成正多边形。

图1b所示的传感型工业辊筒20不同于图1a所示的示例性实施例，区别在于光纤布拉格传感器10设置在辊筒套6中。虽然图1a中示例性实施例所述的光纤布拉格传感器10平行于辊筒20的旋转轴8取向，但是图1b中的光纤布拉格传感器10沿围绕旋转轴8的螺旋线延伸，所述螺旋线仅延伸及达辊筒圆周的一部分。未在同一幅附图中示出的不同实施例中，光纤传感器10所循进的螺旋线围绕整个圆周延伸，或者围绕轴线8卷绕若干次。此外，光纤传感器10还可包括一些空白测量部，即不附装支柱元件4的布拉格光栅。由于这些空白测量都定向成相对于辊筒20的旋转轴8具有圆周分量，同样也可以测量例如环向应变所致的切向力。

图1c示出了图1a和图1b中两种光纤装置的组合。正如下面还要更详细记述的那样，这种结构是适于波长和时分复用相结合的光纤传感器的优选实施例。为了能使多路复用技术、横向力传感器(由支柱元件4形成)以及从而为其所用的布拉格光栅，都能组合成两组或更多组12，这些组由光纤传感器10的不具有布拉格光栅的部分11分隔。部分11延迟了源于那些处在光纤远侧上的组的反射光信号，于是在不同时间产生来自不同组的信号。

应当注意，不同于图1a、图1b和图1c中的描绘，辊筒套6中可使用一个以上光纤布拉格传感器10，并且传感器10中的一个传感器或所有传感器也可位于辊筒套6和辊芯21之间，而不是如图所示那样嵌于辊筒套6中。如所示那样把光纤10通过辊芯21导引到传感器供给装置22，不是强制性的。把光纤安置在辊芯21的凹槽中，是许多可行备选方案之一。

图2示出光纤布拉格传感器10的第一示例性实施例，该实施例适于测量横对光纤纵向的力。光纤布拉格传感器10包括光纤1，光纤芯2和布拉格光栅3刻在光纤芯2中。光纤芯2的折射率比光纤包层即光纤围绕光纤芯2的部分的折射率高，以便能通过全反射把光传播局限于光纤芯。光纤1还可具有防护涂层(图中未示出)，该防护涂层通常由坚韧的树脂缓冲层形成，该防护涂层上还可围绕塑料护套层。相应的防护涂层可用来改进光纤的机械抵抗能力，但对本发明光纤布拉格传感器来说并非必需的。当使用具有防护涂层的布拉格光纤1时，要求包层上的涂层具有可靠的粘着力。

图2中的光纤布拉格传感器10还包括支柱元件4，该元件在布拉格光栅3所处的区域内围绕光纤1。在所示实施例中，支柱元件4由单个构件4a形成。支柱元件4被显示为球状，布拉格光纤1在旋转对称轴上穿过它。螺栓连接构件4a用弹性材料制成。本说明书中所用的术语弹性材料意指应力条件下能可逆变形的材料。这意味着，用弹性材料制造的物品易受应力形变，而当除去应力时，该物品回复原状。相应的材料也称为挠性材料。当物品能够可逆变形的范围扩展到物品尺寸的数个百分点乃至更多百分点时，就确定具有高挠性。有些高弹性材料容许物品最高可逆伸展700％。

此外，用于螺栓连接构件4a的材料在技术意义上还是不可压缩的，即，螺栓连接构件4a的总体积在变形时基本不变化。因此，当图2中的球形支柱元件4仅只由一个构件4a构成时，横向作用到光纤1纵向上的力将之压缩，球状会呈现更扁圆的形状，而且支柱元件4的尺寸在光纤1纵向上扩大。由于支柱元件4和光纤1的表面之间形成的胶粘剂触点，支柱元件4在光纤1纵向上的延长部被转移到位于支柱元件4内的纤维截面上。相应的应变导致光纤布拉格光栅3延伸，于是光栅间距更宽。光栅间距扩大还进一步引起布拉格光栅3上所反射光的波长变化。

适于制造螺栓连接构件4a的材料例如为弹性体，尤其是硅弹性体，例如硅橡胶。但是上述解释意义上的任何具有足够弹性的材料都可使用，例如不饱和橡胶或饱和橡胶、热塑性弹性体、热塑性硫化橡胶、热塑性聚氨酯、热塑性烯烃、节肢弹性蛋白、弹性蛋白或者聚硫橡胶。

虽然图2示出螺栓连接构件4a呈球状，但不限于那种形状。由于也仅在一个侧面上与光纤1相连的支柱元件4能将支柱元件4的伸长或收缩传递到光纤1的相应布拉格光栅3部分，所以完全没有必要如所示那样使支柱元件4围绕光纤1。为此所需的唯一先决条件是支柱元件4和光纤1外表面之间的非正性连接，即，光纤圆周表面的局部区域和螺栓连接构件4a表面之间的接合允许力传递。当光纤1承载于物品硬表面上或者承载于复合材料或物品的硬层和柔性层之间边界上时，优选将支柱元件4单侧安置在光纤1上。

然而，如果将光纤布拉格传感器10嵌入挠性材料内，则优选使螺栓连接构件4a具有旋转对称几何形状，例如所示的球体或者基本上类似扁长的(类似雪茄的)或者扁圆(类似圆盘的)球状体、双锥体、盘形体、圆柱体、鼓腹圆柱体等等更具旋转性的几何形状。不规则形状的旋转性几何形状的例子例如是图5中对螺栓连接构件4a示出的几何形状，以及对螺栓连接构件4b示出的几何形状。

可能有一些将光纤布拉格传感器10用来进行各向同性压力测量的应用。在这种情况下，作用在螺栓连接构件4a上的压力均等来自所有侧面，以致当仅有弹性但不可压紧时，螺栓连接构件4a实际上不会变形。为允许进行相应的压力测量，螺栓连接构件4a因此用既具弹性又具压缩性的材料制成。当用例如像泡沫聚合物那样的压缩性材料时，增大环境压力会减少螺栓连接构件4a的尺寸，这还会被转移到光纤布拉格光栅3，通过监控布拉格光栅3上所反射的波长能使压力测量成为可能。

利用可压缩性适应于相应应用的弹性支柱元件4，能实现横向作用到光纤布拉格光栅纵向上力的测量而且也能实现均衡环境压力的测量。因此，设有可压缩支柱元件4的光纤布拉格传感器10可用作嵌入辊筒套6中、用于造纸机的压力传感器。具有图2所示几何形状的光纤布拉格传感器10的相应嵌入示于图7。如果只要检测横对于纵向的压力，则围绕光纤1的支柱元件4的球形形状优选以一种位于经受力的光纤1侧面上的更像方块的形状代替。

用在上述的光纤布拉格传感器10中的支柱元件4被看成是对压紧到光纤1纵向中的力转向的力和/或压力转换元件。支柱元件4可形成为一种利用粘合剂或其他接合方法与光纤1非正性连接的单个元件，但也可形成为光纤1本身的一体部分，例如形成为在覆层的坚韧树脂缓冲层内的防护涂层膨出部。

用于制造螺栓连接构件4a的优选材料的杨氏模量优选小于10kN/mm²。如果杨氏模量不可用来表征所用材料的弹性或挠性，则可用表现可比较变形的正割模量表征的材料。

图3示出图2中实施例的改进型。在该实施例中，支柱元件4由两个构件构成，第一内部构件4a和第二外部构件4b，后者使内部构件4a处于内部。内部构件4a优选用具极小可压缩性的弹性材料制成。然而，外部构件4b用可压缩性高的弹性材料制成。类似上面所述，当物品的体积随其所受压力变化而变化时，在本说明书中该物品被认为是可压缩的。材料的可压缩性可用材料的体积模量来表征，当均匀压缩由该材料制成的物品时，材料的体积模量表明物品随压力变化的相对体积变化。适于制造第二元件4b的材料例如为柔软的泡沫聚合物、泡沫塑料或其他软泡沫。

图3中示出的光纤布拉格传感器10的实施例尤其适于嵌于弹性材料中，例如嵌于造纸机辊筒套中，如图8中示出的那样。当嵌在那里的、带有传感器10测量部的辊筒套的那个部分，即，包括那个围绕光纤布拉格光栅3或者在光纤布拉格光栅3上的支柱元件4的那部分，位于两个协动辊筒的压区部分内时，支柱元件4的外表面被均匀加压。如果辊筒套6在压力下的体积变化被传递到支柱元件4上，则支柱元件4的内部构件4a会被压力压平，构件4a的靠近光纤1的那些部分强制挤入先前由可压缩外部构件4b占据的空间。由于内部构件4a被压平时的赤道圈增大，致使光纤布拉格光栅3易受应力。当然，也可使用一种结构旋转90°、球状体4长轴垂直于光纤1纵向定向的支柱元件4，从而呈长球形。在此情况下，加压辊筒套6时，光纤的光栅部分3不伸长，而是缩短。

图3中所示支柱元件4的类球体形状仅呈现可用的许多可行形状之一。图4中所示支柱元件4的非压缩弹性内部构件4a呈圆柱形，并夹在两个圆锥形可压缩的外部构件4b之间，这两个外部构件具有其各自的面对面定向的基底。这种几何形状将内部构件4a周边上的变形减到最少，并使光纤1的会合处变形达到最大限度。许多情况下，利用截头圆锥形状的外部构件4b就能充分实现所要求的这种功能。图5示出一种支柱元件几何形状的示例，该几何形状能将气压变化非线性地变换成光纤布拉格光栅3中所诱发应变的变化率。当把具有图5所示支柱元件4的光纤布拉格传感器10嵌于辊筒套6中时，若要计算光纤1测量部分3上所受应变，必须考虑两个变形特性：两个环形侧边结构之间距离的变化，以及围绕光纤1的中心部所发生的伸长或收缩。对于低压力而言，环形截面主要被压到侧边上，而对于高压而言，内支柱元件4a在接近光纤1的区域中被拉长。

如果按图2中示出的实施例将光纤布拉格传感器10嵌入辊筒套6中，据此支柱元件4用弹性不可压缩材料制成，嵌入优选如图6中示出的那样来进行。支柱元件4位于包埋材料6中所形成的空腔5内，尤其在辊筒套6内，据此支柱元件4与空腔5的两个相对侧接触。对包埋材料6加压时，压力就经由接触面传递到支柱元件4上，使之变形，支柱元件4接近光纤1的周边增大，在光纤布拉格光栅3中引起应变。

如果关注的不是存在于辊筒套6内的压力绝对值，而是其相应的动力学特性，可用图7中支柱元件4由不能压缩的弹性材料制成的结构。由于在辊筒套的压区部分内静压力各向同性分布，仅压力波前导致支柱元件4的可测量变形。将类似刚叙述的嵌入式测量部与上述其他测量部结合起来，就能既对压力动力学特性又对压区内的压区压力分布监控辊筒套6压区部分中的压力分布。

如果使用的光纤传感器10具有一个以上布拉格光栅3，则布拉格光栅3的相应光栅间距彼此不同是有利的。因此，就能发现测量信号在其中的那个波长范围允许识别信号所起源的光栅3。由于布拉格光栅3上所反射光的波长依照光栅上存在的应变而变化，所以从布拉格光栅3到布拉格光栅3的光栅间距变化率不得不屈从光栅3上最大允许应变所引起的更大波长偏移。

还须注意的是，支柱元件4不必直接位于光纤传感器10的布拉格光栅部分上，而是位于其旁边，以致每个布拉格光栅都被一对压力传感支柱元件4从侧面包围。支柱元件4在光纤区域内伸长，则造成位于每对支柱元件4之间的布拉格光栅3紧缩，物理效应与上述相同。

图9中的例证示出光纤测量装置100的示意图，依照上面或者下面阐明的实施例，该装置利用两个光纤布拉格传感器10。虽然示出了每根光纤1仅具有由扁球4所代表的四个测量部，但所属技术领域的专业人员意识到：光纤1内的测量部数目以及全部所用的光纤1数目根据设定的测量目标来确定并且不局限于所示的实施例。

图9的上部示出光纤测量装置100的原理结构，而该图的下部包括装置100中所用光谱传感器105的示意图。

宽波段光源104例如高亮度发光二极管(SLED)在一定波长范围例如从约800nm至约850nm范围内发光。光经由光纤输出装置101和接着的由一个或多个嵌装在辊筒套材料6内的光纤传感器10形成的光纤传感器阵列中的光纤联接器103传播。光学传感器10优选由单模光纤波导1形成，该单模光纤波导具有刻在其中的布拉格光栅3，支柱元件4结合到容纳该布拉格光栅3的每个纤维截面上。为能实现波长多路传输测量，测量部的平均光栅间距彼此不同。

为了增加一根光纤1内的测量部数目，将布拉格光栅3如图1c中所示那样集合在组12中。同一组12内，每个布拉格光栅3采用不同的光栅间距。不同的组12中，使用相等或相似的光栅间距。不具有布拉格光栅3的光纤部分11将各组彼此隔开。部分11具有相当的长度，以便通过与布拉格光栅3组的不同间距关联的、对光源和光谱传感器105的不同传播时间，明确区别光学测量信号。使用相应光纤传感器10的光纤测量装置100称为组合式波长多路传输装置和时分复用装置。由于两组12光栅3间光纤1的长度相对于各组的尺寸必须是长的，所以这些中部11优选按小螺距螺线布局设置在辊筒套6内，而光纤光栅组部分12沿多少平行于辊筒轴线8的辊筒套6长度设置是有利的。

光纤传感器10中布拉格光栅3的长度从约2mm变化到约10mm，据此布拉格光栅3的平均长度优选约为6mm。由于光栅3的长度延长，所以使用主轴线与纤维轴线共轴的椭圆形支柱元件4是有利的。支柱元件4连同围绕它们的布拉格光栅3形成光纤传感器10的单个测量部。不同布拉格光栅3所反射的光在联接装置103上出射，并进入光纤波导102，通向用作光谱传感器的多色仪105，以便将光学测量信号的波长敏感转化成电信号。然后，将运载电测量信号的光谱信息传送到信号处理器106，这可部分地在多色仪105位置上实现并部分地遥控到多色仪。由于遥控部分通常不在支承光纤传感器10的辊筒20上，因而数据优选借助无线线路在两个或许更多个信号处理器106部分之间交换。

图9的下部示出多色仪105的基本构造，该多色仪可用作光谱传感器。光经由端接光纤波导102的联接元件107出口处的入口沟槽(cleavage)108进入该构造。发射光束111展宽并照射表面弯曲的反射光栅109。光栅的曲率适于将光束111的每个光谱成分112、113聚焦到感光器110的不同位置上，如类似电荷联接器件(CCD)，根据它们相应的发生位置输出电信号。

为减少从位于光谱传感器105附近的处理器106部分传输到遥控部分的测量数据量，使用欠采样。欠采样意味着从每个测量信号每次只采取一个或者少许样品。在每次另外发生信号时，取样重复进行，但采样地点稍微变化。假如信号变化比采样速率(即，采样重复的频率)慢很多，则测量信号可从欠采样数据以足够的准确度修复。

在目前情况下，测量信号与通过压区部分的辊筒套6上压力有关。除特殊故障如辊筒破裂等之外，压区中的压力分布即使有的话变化也非常慢。因此，对随后的辊筒20回转来说，由位于辊筒套6中的光纤布拉格传感器10获得的测量信号会恒等或者几乎恒等。这就产生了辊筒每回转一周只对压力采样一次或者几次的可能性，但从一次测量到下一次测量回转角略微变化。逐点测量使测量速率明显降低而不减少压力分布模型的精度。

光源104、波导101与102、联接器103、光谱传感器105以及信号处理器106的本地模块，如上所述都优选如图1a至图1c所示，装在位于支承辊筒套传感器100的辊筒20侧边上外壳30内的凹座23中。外壳30优选可拆卸地附装在辊芯21上。由于所涉及的离心力，光源定向成在辊筒旋转轴8的径向上发射光。因此，只有光源104的发光面和光纤101之间的距离可随辊筒20的转速而变，但不是光纤101相对于光源104的横向调整，因此保证了光进入光纤波导中的可靠联接。

多色仪105优选安装在相对于辊筒20的旋转切向定向的平面上，致使光学系统的所有组件经受基本相同的力。由于光学部件因此不经受发散力，所以多色仪105的光径不受辊筒旋转的影响。靠近多色仪座板边缘(在离旋转中心稍大距离的位置上)的可能存在的发散力矢量，因使用置于座板和旋转外壳下面的缓冲材料而得以补偿，该缓冲材料在座板中心区域制造得稍薄或稍软。

在光纤测量装置100的另一实施例中，使用光纤布拉格光栅传感器1，无支柱元件4来转换横向力。图10示出一种相应改进的光纤测量装置100。含有布拉格光栅3的光纤1按曲折布置方式嵌装在辊筒套6中，借此将侧向变形定向在辊筒径向上，即，垂直于旋转轴8。光栅3位于这种布置方式的两个局部极端之间。因此，每个布拉格光栅3的纵轴具有指向辊筒套6的径向的分量，并因此适于测量两个协动辊筒20的压区部分中的辊筒套变形的径向分量。当辊筒套6分数层制造时，曲折方式的嵌入可容易地实现。首先制造内层，该内层将直接支承在辊芯21的壳管7上。第二层包括一系列沿一条线排列的孔，如同虚线。然后，使布拉格光纤1沿该线穿过这些孔，形成要得到的曲折构型。然后，将承载光纤1的中间层拉到内辊筒套层上面，并覆以另一层或者最后层。与图10所示的实施例不同，一些曲折方向可正切于辊筒20取向，用于测量切向力。

遗憾的是，布拉格光栅3的光栅间距不只受应变的影响，而且也受温度变化的影响。为补偿辊筒套6内的温度变化，图9所示两个光纤传感器10中之一优选由布拉格光栅光纤1形成，无任何附装在其上的支柱元件4，光纤1沿辊筒套6的长度平行于辊筒轴线设置。由于光纤1上光栅间距未受辊筒套变形的影响，所以它们只对温度变化敏感。因此，比较上述从一个光纤传感器10获得的测量信号与从该传感器光纤1获得的基准测量信号，允许测量信号的温度补偿。

在另一种方法中，假定辊筒套6内的温度条件在辊筒20回转一周之内不变化，可实现温度补偿。特别是当压区中压力极值的峰高为唯一的测量对象时，可用来自位于瞬时压区部分之外的布拉格光栅3的测量信号作为温度基准信号来实现温度监测。

Claims (29)

1.一种工业辊筒，包括：

-辊芯(21)，其一部分具有基本圆柱形的几何形状；

-辊筒套(6)，该辊筒套至少部分地套在辊芯(21)的圆柱部上；以及

-一个或多个光纤传感器(10)，所述传感器嵌入辊筒套(6)中和/或位于辊筒套(6)和辊芯(21)之间；

其中，一个或多个光纤传感器(10)包括至少一个测量部，所述测量部由包括光纤波导(1)和支柱元件(4)的传感横向力的光纤布拉格传感器(10)形成，所述光纤波导(1)包括光纤芯(2)和光纤包层，而且支柱元件(4)与光纤波导(1)圆周表面上的局部区域非正性连接，即，光纤波导圆周表面的局部区域和支柱元件表面之间的接合允许力传递，以及

其中

-所述光纤波导(1)包括位于光纤芯(2)中的布拉格光栅(3)；

-光纤波导(1)纵向上所述局部区域的尺寸比布拉格光栅(3)的光栅间距长；

-所述局部区域位于光纤波导(1)的容纳布拉格光栅(3)的部分上；以及

-支柱元件(4)包括由杨氏模量小于10kN/mm²的第一材料形成的第一构件(4a)和由杨氏模量小于10kN/mm²的第二材料形成的两个第二构件(4b)，所述第一构件沿光纤纵向夹在两个第二构件之间。

2.权利要求1所述的工业辊筒，其中第一材料的可压缩性的特征在于体积模量大于10¹⁰Pa。

3.权利要求1或2所述的工业辊筒，其中第一材料的杨氏模量小于1kN/mm²。

4.权利要求3所述的工业辊筒，其中第一材料的杨氏模量在0.001至0.01kN/mm²范围内。

5.权利要求1或2所述的工业辊筒，其中至少一个第二构件(4b)由相对于光纤波导(1)的纵向邻接第一构件(4a)并在光纤波导(1)的圆周表面上设置的第二材料形成，因此该第二材料具有高的可压缩性，该可压缩性的特征在于体积模量小于106N/m²。

6.权利要求5所述的工业辊筒，其中两个第二构件(4b)在相对于光纤波导(1)纵向的相对侧上邻接第一构件(4a)。

7.权利要求1或2所述的工业辊筒，其中所述传感横向力的光纤布拉格传感器(10)嵌于所述辊筒套(6)中和/或嵌于辊筒套(6)和辊芯(21)之间，支柱元件(4)位于辊筒套(6)中所形成的空腔(5)中。

8.权利要求7所述的工业辊筒，其中在光纤波导(1)的纵向上的空腔(5)的尺寸大于支柱元件(4)在该方向上的尺寸。

9.权利要求8所述的工业辊筒，其中所述支柱元件(4)设于空腔(5)内，以便在支柱元件(4)的相对于光纤波导(1)纵向的两侧上留出空隙。

10.权利要求1或2所述的工业辊筒，其中所述支柱元件(4)设置于光纤波导(1)上，光纤波导(1)贯穿支柱元件(4)。

11.权利要求10所述的工业辊筒，其中所述支柱元件(4)具有旋转对称的几何形状，光纤波导(1)的轴位于该支柱元件(4)的对称轴上。

12.权利要求1或2所述的工业辊筒，其中所述支柱元件(4)的第一构件(4a)具有类似于球体、扁长或扁圆的球状体、双锥体、盘形体、圆筒或者鼓腹圆柱体的形状。

13.权利要求5所述的工业辊筒，其中所述第二构件(4b)类似圆锥体或截锥体，将第一构件与其底部接触。

14.权利要求1或2所述的工业辊筒，其中光纤涂层构成支柱元件(4)和光纤波导(1)圆周表面之间非正性连接的部分。

15.权利要求1或2所述的工业辊筒，其中硅橡胶用作第一材料。

16.权利要求5所述的工业辊筒，其中聚合物泡沫用作第二材料。

17.权利要求1或2所述的工业辊筒，该辊筒还包括传感器供给装置(22)，该传感器供给装置(22)具有

-宽谱光源(104)，用于将光射入光纤布拉格传感器(10)中；

-联接器(103)，适用于将已在光纤布拉格传感器(10)的布拉格光栅(3)上反射的光从光纤布拉格传感器(10)耦合输出；

-光谱传感器(110)，用于将从光纤布拉格传感器(10)耦合输出的光波长敏感转化成电测量信号；

-信号处理器(106)，用于处理该电测量信号；以及

-发送器，用于发送所处理的该电测量信号；

由此所述传感器供给装置(22)位于辊筒(20)圆周表面的边沿区域的侧面上。

18.权利要求17所述的工业辊筒，其中宽谱光源(104)，联接器(103)和信号处理器(106)设置在辊芯(21)圆柱部的侧面上，从而使作用于各个光学构件上的离心力的发散部分的效果最小化。

19.权利要求1或2所述的工业辊筒，其中所述光纤布拉格传感器(10)包括多于一个的布拉格光栅(3)，各光栅间距不同。

20.权利要求19所述的工业辊筒，该工业辊筒包括多个布拉格光栅组(12)，彼此之间由不包含布拉格光栅(3)的光纤波导部分(11)隔开，在一个布拉格光栅组(12)内的各布拉格光栅(3)具有不同的光栅间距(3)，将两个布拉格光栅组(12)隔开的光纤波导部分(11)的长度长得足以使不同布拉格光栅组(3)反射的光能够进行时分对准。

21.权利要求20所述的工业辊筒，其中一个布拉格光栅组(12)内的布拉格光栅(3)的光栅间距等于另一布拉格光栅组(12)内的布拉格光栅(3)的光栅间距(3)。

22.权利要求1或2所述的工业辊筒，其中至少一个光纤传感器(10)基本平行于辊筒(20)的旋转对称轴(8)嵌于辊筒套(6)中和/或嵌于辊筒套(6)和辊芯(21)之间。

23.权利要求1或2所述的工业辊筒，其中至少一个光纤传感器(10)基本沿着围绕辊筒(20)的旋转对称轴(8)的螺旋线嵌于辊筒套(6)中和/或嵌于辊筒套(6)和辊芯(21)之间。

24.权利要求1或2所述的工业辊筒，其中至少一个光纤传感器(10)嵌于辊筒套(6)中和/或嵌于辊筒套(6)和辊芯(21)之间，其中至少一个布拉格光栅(3)相对于辊筒(20)的圆周方向以10°至80°之间的角度取向。

25.权利要求24所述的工业辊筒，其中至少一个布拉格光栅(3)相对于辊筒(20)的圆周方向以45°的角度取向。

26.权利要求20所述的工业辊筒，其中光纤布拉格传感器(10)的包含一个布拉格光栅组的部分(12)平行于辊筒旋转对称轴取向，其中光纤布拉格传感器(10)的将光纤布拉格传感器的两个各包含一个布拉格光栅组的部分(12)隔开的一个部分(11)沿着围绕辊筒(20)旋转对称轴(8)的大致螺旋线取向。

27.权利要求23所述的工业辊筒，其中位于光纤布拉格传感器(10)的沿着围绕辊筒(20)旋转对称轴(8)的大致螺旋线取向的一部分中的至少一个布拉格光栅(3)不与支柱元件(4)连接。

28.一种辊筒套，包括一个或多个嵌入辊筒套(6)中和/或位于辊筒套(6)和辊芯(21)之间的光纤传感器(10)；其中一个或多个光纤传感器(10)由包括光纤波导(1)和支柱元件(4)的传感横向力的光纤布拉格传感器(10)形成，光纤波导(1)包括光纤芯(2)和光纤包层，而且支柱元件(4)与光纤波导(1)圆周表面的局部区域非正性连接，即，光纤波导圆周表面的局部区域和支柱元件表面之间的接合允许力传递，以及其中

-所述光纤波导(1)包括位于光纤芯中的布拉格光栅(3)；

-光纤波导(1)的纵向上所述局部区域的尺寸比布拉格光栅(3)的光栅间距长；

-所述局部区域位于光纤波导(1)中的容纳布拉格光栅(3)的部分上；以及

-支柱元件(4)包括由杨氏模量小于10kN/mm²的第一材料形成的第一构件(4a)和由杨氏模量小于10kN/mm²的第二材料形成的两个第二构件(4b)，所述第一构件沿光纤纵向夹在两个第二构件之间。

29.权利要求28所述的辊筒套，该辊筒套的杨氏模量在5kN/mm²至10kN/mm²范围内。

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