CN102221431B

CN102221431B - 一种光纤布拉格光栅式杆力传感器

Info

Publication number: CN102221431B
Application number: CN 201110058153
Authority: CN
Inventors: 杨德兴; 张铭; 姜亚军; 许增奇
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: CN102221431A

Abstract

本发明涉及一种光纤布拉格光栅式杆力传感器，包括第一关联平行梁、第二关联平行梁，其特征在于、第一光纤布拉格光栅应变传感器和第二光纤布拉格光栅应变传感器沿第一关联平行梁的轴线对称地粘贴在该关联平行梁中一个梁的外侧；第三光纤布拉格光栅应变传感器和第四光纤布拉格光栅应变传感器沿第二关联平行梁的轴线对称地粘贴在该关联平行梁一个梁的外侧；第一光纤布拉格光栅应变传感器、第三光纤布拉格光栅应变传感器串行联接；第二光纤布拉格光栅应变传感器、第四光纤布拉格光栅应变传感器串行联接。该光纤布拉格光栅式杆力传感器具有抗电磁干扰、精度高、动态响应快、体积小重量轻、结构简单等特点，更具可靠性，稳定性和简易性。

Description

一种光纤布拉格光栅式杆力传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤布拉格光栅式杆力传感器，能消除温度对光纤布拉格光栅传感器的影响，并有效提高光纤布拉格光栅式杆力传感器的精度和灵敏度，属于光纤传感领域。

背景技术

光纤布拉格光栅传感器作为光纤传感器中的一个非常重要的分支，逐渐成为传感器研究的焦点与热点。现在利用光纤布拉格光栅原理制作的传感器已广泛地应用于测量应变、温度、压力和液位等物理量，且制造出的传感器具有体积小，测量精度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，可靠性和稳定性好，耐久性好等优点。

在杆力传感系统中，当前的主流技术是基于电阻应变式的变换方式。通过传感器弹性元件将杆力负荷变换成表面应变，经电阻应变计感应测试应变，再通过电子测量技术将电阻应变计的电阻变化转换成电流或电压信号输出。这种电阻应变式杆力传感器虽然已得到很好的应用，但测量精度与可靠性方面仍然存在一些固有的缺陷。例如，在较大的使用温度范围内，电阻应变计的电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；应变计的机械滞后效应在高温情况下显著增大；应变计的应变极限随温度的升高明显下降。在电测技术中，虽然可以采用热敏电阻补偿、串并联电阻补偿以及有源电路分段补偿等零位温度补偿技术在一定范围内可以减小其零位输出漂移，但是由于技术的限制，这种基于电阻应变式杆力传感器还不能达到很高的精度与灵敏度水平；不能防御雷电、电磁干扰和电磁冲击等。

鉴于传统杆力传感器存在的缺陷，光纤布拉格光栅杆力传感器在所需测量精度、动态响应、抗电磁干扰、全温度与气压范围传感器零位输出的稳定性与可靠性等指标参数都要比传统的电阻应变式传感器高出很多。

但是，在光纤布拉格光栅传感领域，应变和温度是两个能够直接导致光纤布拉格光栅中心波长产生漂移的物理量，即光纤布拉格光栅对温度和应变交叉敏感。由于光纤布拉格光栅对温度和应变都敏感，在测量应变时，温度的影响很难消除，从而限制了其实际应用；同时，已有的光纤布拉格光栅传感器的精度和灵敏度相对较低，需要进一步提高。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种光纤布拉格光栅式杆力传感器，能在测量杆力的同时消除温度的影响，并有效地提高光纤布拉格光栅式杆力传感器的灵敏度，制作工艺简单，信号处理简便，解决了光纤布拉格光栅传感器交叉敏感性的问题。

技术方案

一种光纤布拉格光栅式杆力传感器，包括第一关联平行梁1、第二关联平行梁2，其特征在于、第一光纤布拉格光栅应变传感器3和第二光纤布拉格光栅应变传感器4沿第一关联平行梁1的轴线对称地粘贴在该关联平行梁1中一个梁的外侧；第三光纤布拉格光栅应变传感器5和第四光纤布拉格光栅应变传感器6沿第二关联平行梁2的轴线对称地粘贴在该关联平行梁2一个梁的外侧；第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第三光纤布拉格光栅应变传感器5串行联接；第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第四光纤布拉格光栅应变传感器6串行联接。

所述的第三光纤布拉格光栅应变传感器3、第四光纤布拉格光栅应变传感器4、第三光纤布拉格光栅应变传感器5和第四光纤布拉格光栅应变传感器6为相同材料，具有相同结构和中心波长。

所述的第三光纤布拉格光栅应变传感器3、第四光纤布拉格光栅应变传感器4、第三光纤布拉格光栅应变传感器5和第四光纤布拉格光栅应变传感器6为贴片式光纤布拉格光栅传感器或裸光纤布拉格光栅传感器。

一种采用光纤布拉格光栅式杆力传感器测量受力的系统，其特征在于包括宽带光源、光纤环形器、1×2光开关、光纤布拉格光栅式杆力传感器、计算机和光纤解调仪；宽带光源发出的光进入光纤环形器后进入1×2光开关输入端，光开关输出端11联接第一光纤布拉格光栅应变传感器3与第三光纤布拉格光栅应变传感器5串行联接后的其中一端，光开关的输出端12联接第二光纤布拉格光栅应变传感器4与第四光纤布拉格光栅应变传感器6串行联接后的其中一端；光纤解调仪和1×2光开关分别联接计算机，计算机控制光开关通断时间，光纤布拉格光栅反射回来的光通过光纤环形器进入光纤解调仪，计算机通过光纤解调仪监测光纤布拉格光栅应变传感器中心波长的变化以测量杆力信号。

一种利用所述的系统测量受力的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将待测力施加于光纤布拉格光栅式杆力传感器，受力的方向与光纤布拉格光栅式杆力传感器相垂直；

步骤2：将与待测力方向垂直的关联平行梁上的两个光纤布拉格光栅应变传感器的中心波长漂移量相减，得到两个光纤布拉格光栅应变传感器中心波长漂移量的差值Δλ；

步骤3：

若Δλ＝0，杆力信号为零；

若Δλ≠0，杆力信号为

其中k为常数，

λ₀为光纤布拉格光栅应变传感器的中心波长，L为第一关联平行梁1和第二关联平行梁2每个梁面长边长度，b为第一关联平行梁1和第二关联平行梁2每个梁面宽边边长度，h为第一关联平行梁1和第二关联平行梁2每个梁面的厚度，z₀为光纤布拉格光栅应变传感器的粘贴位置，E为关联平行材料的弹性模量，p_e为光纤的有效光弹系数。

有益效果

本发明提出的一种光纤布拉格光栅式杆力传感器，测量系统一及测量方法，能够快速地、简便地测得待测力的大小，并在传感系统内部解决温度补偿的问题，且利用两个光纤光栅应变传感器中心波长漂移量取平均的方法有效地提高了光纤布拉格光栅杆力传感器的精度和灵敏度。该光纤布拉格光栅式杆力传感器具有抗电磁干扰、精度高、动态响应快、体积小重量轻、结构简单等特点，更具可靠性，稳定性和简易性；另外该杆力传感器成本相对低廉，适用于比较狭小的空间，能够排除温度的影响，测量弹性元件受力大小。

附图说明

图1：为本发明光纤布拉格光栅式杆力传感器结构示意图

图2：为本发明采用光纤布拉格光栅式杆力传感器测量受力的系统图

图3：为本发明实施例3光纤布拉格光栅式杆力传感器结构示意图

1-第一关联平行梁；2-第二关联平行梁；3-第一光纤布拉格光栅应变传感器；4-第二光纤布拉格光栅应变传感器；5-第三光纤布拉格光栅应变传感器；6-第四光纤布拉格光栅应变传感器；7-第五光纤布拉格光栅应变传感器；8-第六光纤布拉格光栅应变传感器；9-第七光纤布拉格光栅应变传感器；10-第八光纤布拉格光栅应变传感器；11-光开关输出端一；12-光开关输出端2；1-1-第一关联平行梁面一；1-2-第一关联平行梁面二；2-1-第二关联平行梁面一；2-2-第二关联平行梁面二。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例1：附图1为本发明实施例1的一种光纤布拉格光栅式杆力传感器，其中包括第一关联平行梁1、第二关联平行梁2、第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第三光纤布拉格光栅应变传感器5、第四光纤布拉格光栅应变传感器6：第一光纤布拉格光栅应变传感器3和第二光纤布拉格光栅应变传感器4对称地粘贴在第一关联平行梁1的1-1面上与长方形空心矩形框平行的中轴线上；第三光纤布拉格光栅应变传感器5和第四光纤布拉格光栅应变传感器6对称地粘贴在第二关联平行梁2的2-1面上与长方形空心矩形框平行的中轴线上；第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第三光纤布拉格光栅应变传感器5串行联接；第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第四光纤布拉格光栅应变传感器6串行联接。

其中第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第三光纤布拉格光栅应变传感器5、第四光纤布拉格光栅应变传感器6均为裸光纤布拉格光栅，且第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第二光纤布拉格光栅应变传感器4为完全相同的裸光纤布拉格光栅；第三光纤布拉格光栅应变传感器5、第四光纤布拉格光栅应变传感器6为完全相同的裸光纤布拉格光栅；但两对光纤布拉格光栅的中心波长不同。

当一束入射光波在光开关的控制下分别进入第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第三光纤布拉格光栅应变传感器5串行联接后的其中一端和第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第四光纤布拉格光栅应变传感器6串行联接后的其中一端，根据弹性元件的特性和光纤布拉格光栅模式耦合理论可知，弹性元件关联平行梁的每一个面上以与宽边平行的中轴线为界，两边的受力弯曲趋势是相反的，一半被拉伸，一半被压缩，且变化量相同，粘贴在其上的光纤布拉格光栅同样一根被拉伸，一根被压缩，且中心波长变化量相同，方向相反；由于弹性元件为金属结构且不大，可以看成是等温度体，两根光纤布拉格光栅感受到的温度是相同的。

给上述光纤布拉格光栅式杆力传感器施加z向力，由弹性元件的结构可知，与施加力方向垂直的关联平行梁1发生形变，而与施加力方向平行的关联平行梁2侧向刚度大，不发生轴向应变，只考察关联平行梁1上粘贴的光纤布拉格光栅应变传感器3和光纤布拉格光栅应变传感器4中心波长的变化。

光纤布拉格光栅反射回来的光通过光纤环形器进入光纤解调仪，通过与解调仪连接的计算机来监测第一光纤布拉格光栅应变传感器3和第二光纤布拉格光栅应变传感器4中心波长的变化Δλ₃和Δλ₄，并得到两个光纤布拉格光栅应变传感器中心波长漂移量的差值Δλ＝|Δλ₃-Δλ₄|；

若Δλ＝|Δλ₃-Δλ₄|＝0，则说明只有温度作用在光纤布拉格光栅应变传感器上，即待测力为零；

若Δλ＝|Δλ₃-Δλ₄|≠0，根据两个光纤布拉格光栅应变传感器中心波长漂移量的差值Δλ与待测力的关系，得到待测力大小

其中

λ₀为光纤布拉格光栅应变传感器的中心波长，L为关联平行梁1和关联平行梁2每个梁面长边长度，b为关联平行梁1和关联平行梁2每个梁面宽边边长度，h为关联平行梁1和关联平行梁2每个梁面的厚度，z₀为光纤布拉格光栅应变传感器的粘贴位置，E为关联平行材料的弹性模量，p_e为光纤的有效光弹系数；以上各参数对于选定的弹性元件和光纤布拉格光栅应变传感器均为常数，即k为常数。

给上述光纤布拉格光栅式杆力传感器施加y向力，由弹性元件的结构可知，与施加力方向垂直的关联平行梁2发生形变，而与施加力方向平行的关联平行梁1侧向刚度大，不发生轴向应变，只考察关联平行梁2上粘贴的第三光纤布拉格光栅应变传感器5和第四光纤布拉格光栅应变传感器6中心波长的变化。

光纤布拉格光栅反射回来的光通过光纤环形器进入光纤解调仪，通过与解调仪连接的计算机来监测第三光纤布拉格光栅应变传感器5和第四光纤布拉格光栅应变传感器6中心波长的变化Δλ₅和Δλ₆，并得到两个光纤布拉格光栅应变传感器中心波长漂移量的差值Δλ＝|Δλ₅-Δλ₆|；

若Δλ＝|Δλ₅-Δλ₆|＝0，则说明只有温度作用在光纤布拉格光栅应变传感器上，即待测力为零；

若Δλ＝|Δλ₅-Δλ₆|≠0，根据两个光纤布拉格光栅应变传感器中心波长漂移量的差值Δλ与待测力的关系，得到待测力大小

其中λ₀为光纤布拉格光栅应变传感器的中心波长，L为关联平行梁1和关联平行梁2每个梁面长边长度，b为关联平行梁1和关联平行梁2每个梁面宽边边长度，h为关联平行梁1和关联平行梁2每个梁面的厚度，z₀为光纤布拉格光栅应变传感器的粘贴位置，E为关联平行材料的弹性模量，p_e为光纤的有效光弹系数；以上各参数对于选定的弹性元件和光纤布拉格光栅应变传感器均为常数，即k为常数。

实施例2：参阅附图1，与实施例1的不同之处在于，所述的第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第三光纤布拉格光栅应变传感器5和第四光纤布拉格光栅应变传感器6均为贴片式光纤布拉格光栅应变传感器。

实施例3：参阅附图3，与实施例1的不同之处在于，在实施例1的传感器结构基础上又粘贴了第五光纤布拉格光栅应变传感器7、第六光纤布拉格光栅应变传感器8、第七光纤布拉格光栅应变传感器9和第八光纤布拉格光栅应变传感器10，其目的在于提高传感器的灵敏度。其中第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第三光纤布拉格光栅应变传感器5、第四光纤布拉格光栅应变传感器6、第五光纤布拉格光栅应变传感器7、第六光纤布拉格光栅应变传感器8、第七光纤布拉格光栅应变传感器9和第八光纤布拉格光栅应变传感器10均为裸光纤布拉格光栅，且第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第二光纤布拉格光栅应变传感器4为完全相同的裸光纤布拉格光栅；第三光纤布拉格光栅应变传感器5、第四光纤布拉格光栅应变传感器6为完全相同的裸光纤布拉格光栅；第五光纤布拉格光栅应变传感器7、第六光纤布拉格光栅应变传感器8为完全相同的裸光纤布拉格光栅；第七光纤布拉格光栅应变传感器9和第八光纤布拉格光栅应变传感器10为完全相同的裸光纤布拉格光栅；但四对光纤布拉格光栅材料和结构相同，但中心波长不同。第五光纤布拉格光栅应变传感器7和第六光纤布拉格光栅应变传感器8对称地粘贴在第一关联平行梁1的1-2面上与长方形空心矩形框平行的中轴线上；第七光纤布拉格光栅应变传感器9和第八光纤布拉格光栅应变传感器10对称地粘贴在第二关联平行梁2的2-2面上与长方形空心矩形框平行的中轴线上；第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第三光纤布拉格光栅应变传感器5、第五光纤布拉格光栅应变传感器7和第七光纤布拉格光栅应变传感器9串行联接；第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第四光纤布拉格光栅应变传感器6、第六光纤布拉格光栅应变传感器8和第八光纤布拉格光栅应变传感器10串行联接。

给上述光纤布拉格光栅式杆力传感器施加z向力时，与解调仪连接的计算机来监测到第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第五光纤布拉格光栅应变传感器7、第六光纤布拉格光栅应变传感器8中心波长的变化Δλ₃、Δλ₄、Δλ₇和Δλ₈，并得到两对光纤布拉格光栅应变传感器中心波长漂移量的差值Δλ₁＝|Δλ₃-Δλ₄|和Δλ₂＝|Δλ₇-Δλ₈|，将Δλ₁和Δλ₂取平均值Δλ。

若Δλ＝0，则说明只有温度作用在光纤布拉格光栅应变传感器上，即待测力为零；

若Δλ≠0，根据两个光纤布拉格光栅应变传感器中心波长漂移量的差值Δλ与待测力的关系，得到待测力大小

其中

给上述光纤布拉格光栅式杆力传感器施加y向力时，与解调仪连接的计算机来监测到第三光纤布拉格光栅应变传感器5、第四光纤布拉格光栅应变传感器6、第七光纤布拉格光栅应变传感器9、第八光纤布拉格光栅应变传感器10中心波长的变化Δλ₅、Δλ₆、Δλ₉和Δλ₁₀，并得到两对光纤布拉格光栅应变传感器中心波长漂移量的差值Δλ₁＝|Δλ₅-Δλ₆|和Δλ₂＝|Δλ₉-Δλ₁₀|，将Δλ₁和Δλ₂取平均值Δλ。

其中

实施例4：参阅附图3，与实施例3的不同之处在于，所述的第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第三光纤布拉格光栅应变传感器5、第四光纤布拉格光栅应变传感器6、第五光纤布拉格光栅应变传感器7、第六光纤布拉格光栅应变传感器8、第七光纤布拉格光栅应变传感器9和第八光纤布拉格光栅应变传感器10均为贴片式光纤布拉格光栅应变传感器。

利用上述四个实施例的光纤布拉格光栅式杆力传感器测量作用在传感器上的受力时，根据光纤布拉格光栅应变传感器中心波长漂移量的差值Δλ与受力的关系，得到受力大小

其中

Claims

1.一种光纤布拉格光栅式杆力传感器，包括第一关联平行梁(1)、第二关联平行梁(2)，其特征在于；第一光纤布拉格光栅应变传感器(3)和第二光纤布拉格光栅应变传感器(4)对称地粘贴在第一关联平行梁(1)的(1-1)面上的中心线两边，该中心线与长方形空心矩形框边平行；第三光纤布拉格光栅应变传感器(5)和第四光纤布拉格光栅应变传感器(6)对称地粘贴在第二关联平行梁(2)的(2-1)面上的中心线两边，该中心线与长方形空心矩形框边平行；第一光纤布拉格光栅应变传感器(3)、第三光纤布拉格光栅应变传感器(5)串行联接；第二光纤布拉格光栅应变传感器(4)、第四光纤布拉格光栅应变传感器(6)串行联接。

2.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅式杆力传感器，其特征在于：所述的第一光纤布拉格光栅应变传感器(3)、第二光纤布拉格光栅应变传感器(4)、第三光纤布拉格光栅应变传感器(5)和第四光纤布拉格光栅应变传感器(6)为相同材料，具有相同结构和中心波长。

3.根据权利要求1或2所述的光纤布拉格光栅式杆力传感器，其特征在于：所述的第一光纤布拉格光栅应变传感器(3)、第二光纤布拉格光栅应变传感器(4)、第三光纤布拉格光栅应变传感器(5)和第四光纤布拉格光栅应变传感器(6)为贴片式光纤布拉格光栅传感器或裸光纤布拉格光栅传感器。

4.一种利用权利要求1～3所述任一项光纤布拉格光栅式杆力传感器测量受力的方法，其特征在于步骤如下：

步骤3：

若Δλ＝0，杆力信号为零；

若Δλ≠0，杆力信号为

其中k为常数，

λ₀为光纤布拉格光栅应变传感器的中心波长，L为第一关联平行梁(1)和第二关联平行梁(2)每个梁面长边长度，b为第一关联平行梁(1)和第二关联平行梁(2)每个梁面宽边边长度，h为第一关联平行梁(1)和第二关联平行梁(2)每个梁面的厚度，z₀为光纤布拉格光栅应变传感器的粘贴位置，E为关联平行材料的弹性模量，p_e为光纤的有效光弹系数。