CN103528734A - 基于fbg的柔性绳索载荷和温度同时测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量传感器，包括基底、翼缘、等强度悬臂梁、支撑柱、光纤光栅（FBG）和分离套管；基底呈工字型，两侧设置有翼缘；基底内框一端连接一设置有支撑柱的等强度悬臂梁，其上下表面均轴向布置有凹槽；基底内框对称设置通孔，支撑柱顶端设置有通孔，被测柔性绳索依次通过各通孔进行固定；FBG部分栅区与分离套管套接，套接部分为测温单元，未套接部分为测载荷单元，FBG与分离套管套接后通过粘胶完全粘贴固定在等强度悬臂梁的凹槽内，然后通过环氧胶对两者进行灌封涂覆。本发明解决了基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量问题，体积小，重量轻，结构巧妙，FBG得到有效保护，具有良好的灵敏度、可靠性及稳定性。

Description

基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其是涉及一种基于FBG（光纤光栅，FiberBragg Grating）的柔性绳索载荷和温度同时测量传感器。

背景技术

现有技术中，工业使用的柔性绳索因具有柔软易弯曲变形、绳直径小、表面不平整、通常使用环境隐蔽等特点，致使绳中载荷测量困难。

目前，测量柔性绳索的载荷的方法通常是使用电磁式的张力测试仪，专利（专利号：CN2607564Y）的实用新型专利“一种钢丝绳张力测量仪”以及专利（专利号：CN2648426Y）的实用新型专利“索拉力测量仪”，提供了相关的测量方法。但是这种方法难以实现实时跟踪监测柔性绳索动态载荷变化，而且装置尺寸较大，测量范围小，灵敏度低，易受电磁信号干扰，长期稳定性差，寿命低，无法实现载荷和温度同时测量，所以需要开发一种能够克服上述缺点的实时监测柔性绳索载荷和温度的光纤光栅传感器。

FBG是在光纤中引入周期性的折射率调制而形成的光波导器件，通过检测写入光纤内部的光栅反射或透射布拉格波长光谱，实现被测结构的应力和温度等参量的绝对测量。它具有灵敏度高，精度高，重量轻，体积小，耐腐蚀，成本低，光路可弯曲，不受电磁干扰，便于实现远距离、长期监测等优点，而且多个光纤光栅可以采用一根光缆传输，便于组成传感系统，可实现准分布式测量。因为其具有上述优于传统光测、电测法的特点，自问世以来就得到了广泛的应用。但是，由于裸光纤直径很小，抗剪能力差，而且柔性绳索在受载拉伸过程中轴向应变复杂，难以通过直接粘贴裸光纤测量，因此将裸光纤封装成为能够实时监测柔性绳索载荷和温度的传感器具有重要意义。

综上所述，如何研制一种传感器能够实现基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量，便成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量的传感器，以解决如何实现基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量传感器，其特征在于，包括：

支撑单元、承载单元和传感单元，其中，

所述支撑单元包括：基底和翼缘；

所述承载单元包括：等强度悬臂梁和支撑柱；

所述传感单元包括：光纤光栅和分离套管；

所述基底呈工字型，基底的两侧分别设置有所述翼缘；所述基底内框一端连接一等强度悬臂梁；

所述等强度悬臂梁远离根部的位置突起为支撑柱；所述等强度悬臂梁的上下表面中心靠近根部均轴向布置有凹槽；上下的两个所述凹槽内部对称粘贴有温度和载荷同时测量的传感单元；

所述支撑柱垂直于所述基底平面且位于该基底轴向的中心部位，该支撑柱顶端设置有通孔，所述基底的内框两端对称布置有通孔；

所述光纤光栅采用单光栅分离粘贴技术粘贴固定在等强度悬臂梁凹槽内。

进一步地，其中，所述支撑柱分别距两个所述通孔距离相等。

进一步地，其中，所述基底、翼缘、等强度悬臂梁和支撑柱由一整体型材切割而成。

进一步地，其中，所述等强度悬臂梁呈等腰梯形。

进一步地，其中，其特征在于，所述单光栅分离粘贴技术，进一步为：所述光纤光栅的栅区的一部分与内径略大于所述光纤光栅直径的分离套管套接，所述光纤光栅与分离套管套接部分为测温单元，未套接部分为测载荷单元，所述光纤光栅和连同分离套管套接后通过粘胶完全粘贴固定在等强度悬臂梁凹槽内，然后通过环氧胶对光纤光栅和分离套管进行灌封涂覆。

进一步地，其中，所述分离套管是厚度小于100μm的薄膜管，其材质采用PBT、PP、PC、PET或PVC。

进一步地，其中，所述基底和支撑柱上的通孔的直径均略大于所述所测柔性绳索直径。

综上所述，与现有技术相比，本发明所述的基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量的传感器，具有以下优点及突出性效果：

1、所述传感器基底整体呈工字型结构，中部为腹板，两侧翼缘。基底内框一端伸出(切割出)一等强度悬臂梁，等强度悬臂梁远离根部的位置突起为支撑柱，垂直于基底平面且位于基底轴向的中心部位。支撑柱顶端钻孔，工字型基底两端对称钻孔。等强度悬臂梁上下表面中心靠近根部均轴向刻有凹槽。基底、等强度悬臂梁和支撑柱均为一体结构。

2、本发明由于基于光纤光栅，采用简便的单光栅分离粘贴技术固定在等强度悬臂梁凹槽内，可实现柔性绳索载荷和温度的同时测量。

3、本发明所述传感器由于体积小、重量轻、结构简单、装卸方便、成本低廉以及设计巧妙，封装操作简便易行，光纤光栅可以得到有效保护；同时灵敏度高、精度高，不受电磁干扰；可以对柔性绳索的载荷和温度进行同时、实时测量，具有很高的可靠性和稳定性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例一所述的一种基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量的传感器的正面测量示意图。

图2为本发明实施例一所述的一种基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量的传感器的反面测量示意图。

图3为本发明实施例一所述的一种基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量的传感器的结构示意图。

图4为本发明实施例一所述的一种基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量的传感器的侧视剖面示意图。

图5为本发明实施例一所述的一种基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量的传感器的等强度悬臂梁的俯视图。

图6为本发明实施例一所述的一种基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量的传感器的光纤光栅与分离套管套接方式示意图。

图7为本发明实施例二所述的一种基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量的传感器中支撑柱示意图。

图8为本发明实施例二所述的一种基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量的传感器中用于固定绳的羊角钉示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

如图1和2所示，为本发明实施例一所述的一种基于FBG（光纤光栅）的柔性绳索载荷和温度同时测量的传感器，包括：支撑单元、承载单元和传感单元，其中，

所述支撑单元包括：基底1和翼缘3a、3b；

所述承载单元包括：等强度悬臂梁6和支撑柱5；

所述传感单元包括：光纤光栅7a、7b和分离套管11；

其中，

所述基底1的两侧分别设置有所述翼缘3a、3b，基底形成工字型；所述基底内框一端连接一等强度悬臂梁6；

等强度悬臂梁6远离根部的位置突起为支撑柱5；所述等强度悬臂梁6的上下表面中心靠近根部均轴向布置有凹槽10a、10b；上下的两个所述凹槽10a、10b内部对称粘贴光纤光栅7a、7b（如图3、4和5所示）；

所述支撑柱5垂直于所述基底1平面且位于该基底轴向的中心部位，该支撑柱5顶端设置有通孔4，所述基底1的内框两端对称布置有通孔2a、2b；

光纤光栅的栅区的一部分与内径略大于所述光纤光栅直径的分离套管11套接，所述光纤光栅与分离套管套接部分12a为测温单元，未套接部分12b为测载荷单元。所述光纤光栅和连同分离套管套接后通过粘胶（502胶，这里不作具体限定）完全粘贴固定在等强度悬臂梁的凹槽内，然后通过环氧胶对光纤光栅和分离套管进行灌封涂覆。

根据上述实施例一所述的传感器，其中，所述支撑柱5分别距两个所述通孔2a、2b距离相等。

此外，所述的基底1、等强度悬臂梁6和支撑柱5由一整体型材切割而成；

等强度悬臂梁6为等腰三角形简化的结构，呈等腰梯形；

采用简便的单光栅分离粘贴技术将光纤光栅7a、7b粘贴固定在所述的等强度悬臂梁6上下表面之上，实现柔性绳索载荷、温度同时测量，“单光栅分离粘贴技术”是一种光纤光栅与等强度悬臂梁连接方式，为了实现载荷、温度同时测量的措施或工艺，而不是所使用的光栅的特定的处理工艺，无论是在光纤光栅栅区加分离套管还是在凹槽内涂覆涂层，目的都是使任意一根光纤光栅的栅区分成两部分，而一部分粘贴在的等强度悬臂梁上，另一部分没有粘上去，处于自由状态；

其中，如图6所示，所述光纤光栅的栅区的一部分与内径略大于光栅直径的分离套管11套接，该分离套管11是厚度小于100μm的薄膜套管，然后整个所述光纤光栅的栅区7a、7b连同所述分离套管11粘贴固定在等强度悬臂梁6中部凹槽内。所述光纤光栅与分离套管套接部分12a为测温单元，未套接部分12b为测载荷单元。

其中，如图3所示，所述传感器的基底1和支撑柱5上的通孔2a、2b、4的直径均略大于所测柔性绳索直径；而且均加工有倒角并有一定光滑度要求，基底上一侧的通孔2a、2b到支撑柱距离与支撑柱上的通孔4到等强度悬臂梁上表面的距离之比至多为3.36：1。

这里以上述实施例一所述的传感器为基础，具体详细说明基底的结构，基底的长为45mm、宽10mm，厚3mm。

结合图1至6所示，这里详细说明下，所述传感器的制作及封装方法如下：

首先，基底1、等强度悬臂梁6和支撑柱5均为一体结构，通过板材或块材切割加工以及冲压而成，一体成型，工艺流程短，坚固耐用，无装配应力，整体零部件少，整洁美观。使用弹性合金材料，或其他满足强度、刚度和适用温度要求的高分子、陶瓷等材料制造。

其次，基底内框一端切割出一等强度悬臂梁6，悬臂梁远离根部的位置进行冲压加工，突起为支撑柱5，垂直于基底平面且位于基底轴向的中心部位，支撑柱与等强度悬臂梁之间呈曲线无缝连接，等强度悬臂梁根部也进行倒角处理，不会产生应力集中现象，支撑柱的顶端距基底上表面5mm处钻有通孔4，工字型的基底1两端距中心17.5mm处对称钻有倾斜的通孔2a、2b，与穿入的柔性绳索走向一致。

第三，通孔2a、2b、4均用于柔性绳索的固定和施力，通孔直径均略大于所测柔性绳索直径，而且均加工有倒角并有一定光滑度要求，防止测量时对柔性绳索造成伤害。支撑柱5分别距两通孔2a、2b距离相等。

第四，所述基底1两侧的翼缘3a、3b，保证基底外框的抗弯刚度远远大于等强度悬臂梁6的抗弯刚度，即在传感器受力时，与等强度悬臂梁相比，外框弯曲变形忽略不计，受力时基底不会遭到破坏。等强度悬臂梁上下表面中心靠近根部均轴向刻有槽10a、10b，用于对称固定的光纤光栅7a、7b，并且起到保护光纤光栅的作用。

第五，所述等强度悬臂梁6的结构是该等强度悬臂梁呈等腰梯形（两腰延长线相交组成等腰三角形），使各个截面的弯曲应力相同，可以避免粘贴固定传感光纤光栅时对具体位置的苛刻要求，减少传感光纤光栅啁啾的可能性，降低封装难度。同时节省材料，最大限度的提高材料的利用率，提高结构的承载力，使结构更加安全，节省空间，降低自重，提高结构的使用性。

第六，上、下表面光纤光栅7a、7b采用简便的单光栅分离粘贴技术，上下两个光纤光栅7a、7b均能实现载荷温度双参数传感测量。光纤光栅与一分离套管套接（如图5所示）。其中，分离套管为PBT、PP、PC、PET、PVC或其他满足所需条件的材料制成，分离套管较柔软，是厚度小于100μm的薄膜套管，内径略大于光栅栅区直径，可以嵌入凹槽10中。分离套管通过光纤无FC接头的一端穿入。等强度悬臂梁6中部凹槽10a、10b使用锉刀、纱布等进行打磨，除去锈斑、氧化皮、污垢并满足平整度要求，用浸有丙酮的药棉清洗凹槽，清除油垢灰尘，保持清洁干净。在凹槽内涂覆一层少量502，涂抹均匀并形成薄胶层，然后将光纤光栅的栅区的一部分与分离套管11套接，整体光栅栅区施加预应力，光栅栅区连同分离套管粘贴在凹槽内，待502胶固化后，使用KD504环氧胶对整个光栅栅区连同分离套管进行灌封涂覆，直至环氧胶完全固化。则等强度悬臂梁受力时，套上分离套管11的栅区部分12a为测温单元，在分离套管内处于自由状态，不受悬臂梁应变影响；无分离套管部分12b为测载荷单元，固定在等强度悬臂梁表面受到拉伸或压缩。则整个光纤光栅具有两个反射峰，实现载荷和温度的同时测量。环氧胶调和配比时，注意调和均匀并消除气泡。环氧胶涂覆不但可以进一步固定粘贴光纤光栅，而且起到保护光栅的作用，防止其受力断裂。本发明的等强度悬臂梁上、下表面粘贴固定的光纤光栅为掺锗光纤光栅，两者串接后由同一个输出端输出，并且靠近输出端的光纤一部分9固定在一侧翼缘3b根部，防止与柔性绳索8接触。

根据上述实施例和附图的描述，本发明工作原理如下：

将柔性绳索8依次通过传感器的通孔2a、2b和4。则等强度悬臂梁受力时，与分离套管11套接的栅区部分12a在分离套管内不受等强度悬臂梁应变影响，只反映环境的温度变化，无分离套管部分12b固定在等强度悬臂梁表面受到拉伸或压缩，则整个光纤光栅7具有两个反射峰，分别是温度响应的反射峰λ₁和应变和温度耦合响应的反射峰λ₂。温度变化引起的第一个温度响应反射峰波长漂移为Δλ₁，由公式

$\mathrm{\ΔT}=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_f+\mathrm{\ξ}}\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}---\left(1\right)$

可以计算出外界温度的变化。其中P_e为光纤材料的弹光系数，α_f为光纤的的热膨胀系数，ξ为光纤材料的热光系数，ΔT为温度变化量。当绳受载时，柔性绳索8对支撑柱5的压力使等强度悬臂梁受压弯曲，等强度悬臂梁上表面与下表面的应变相反，分别固定在等强度悬臂梁上表面的上传感光纤光栅7a之中的和下表面上的下传感光纤光栅7b之中没有分离套管的部分(测载荷单元)一个受拉、一个受压，两个传感光纤光栅的表征应变和温度耦合的反射峰中心波长漂移量是相同的，两者取平均值之后读出Δλ₂。平均的目的是使结果更加精确。

由此推导出以下的公式

$F=\frac{24\mathrm{EI}}{(1-P_e)\mathrm{hL}}\{1-[\mathrm{\ξ}+(1-P_e){\mathrm{\α}}_s\left]\frac{1}{{\mathrm{\α}}_f+\mathrm{\ξ}}\right\}\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}\sec \mathrm{\θ}---\left(2\right)$

由上式计算出柔性绳索上载荷的变化。其中α_s为基底材料的热膨胀系数，E、I分别为等强度悬臂梁的杨氏模量和惯性矩。h为等强度悬臂梁的厚度，θ为图1中通孔4到2a之间的柔性绳索与支撑柱5之间的夹角，F为柔性绳索上的拉力，即所测载荷。

如图7和8所示，为本发明的实施例二：

本实施例中，上、下表面光纤光栅7a、7b采用简便的单光栅分离粘贴技术，上下两个光纤光栅7a、7b均能实现载荷温度双参数传感测量。等强度悬臂梁6中部凹槽10a、10b使用锉刀、纱布等进行打磨，除去锈斑、氧化皮、污垢并满足平整度要求，用浸有丙酮的药棉清洗凹槽，清除油垢灰尘，保持清洁干净。在凹槽内一部分涂覆聚乙烯或聚丙烯、氟塑料等极性小且固化后光滑的材料，形成一层较薄的涂层，然后在凹槽内没有涂覆上述材料的部分涂覆一层少量502，涂抹均匀并形成薄胶层，然后对整体光栅栅区施加预应力后将光栅栅区粘贴在凹槽内，待502胶固化后，使用KD504环氧胶对整个光栅栅区进行灌封涂覆，直至环氧胶完全固化。则等强度悬臂梁受力时，光栅栅区之中在涂覆有聚乙烯或聚丙烯、氟塑料等涂层的部分（测温单元）不会固定在等强度悬臂梁上，处于自由状态，不受等强度悬臂梁应变影响，光栅其余部分（测载荷单元）则固定在悬臂梁表面受到拉伸或压缩，则整个光纤光栅具有两个反射峰，实现载荷和温度的同时测量。环氧胶涂覆不但可以进一步固定粘贴光纤光栅，而且起到保护光栅的作用，防止其受力断裂。其他零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。

实施例二与实施例一的区别还包括：如图7所示，支撑柱5上的通孔13向上或倾斜开槽。而基底上的孔2a，2b为垂直于基底平面的螺纹孔，一对具有侧面开槽的羊角钉（如图8所示），底部有螺纹15，可以旋转入2a或2b孔中并与之紧密配合，安装后的羊角钉的孔14与支撑柱上的通孔4方向、大小均相同。柔性绳索依次通过羊角钉上和支撑柱子上的三个孔，在不影响柔性绳索受力点结构的前提下，起到减小绳上摩擦力和装配方便的作用。其他零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。

另外，在实施例二基础上，羊角钉不通过螺纹与基底连接，而是与基底成一体结构，或采用焊接、粘贴等固定方式固定于基底上。其他零部件以及零部件的连接关系与实施例3相同。

综上所述，与现有技术相比，本发明所述的基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量的传感器，具有以下优点及突出性效果：

1、所述传感器基底整体呈工字型结构，中部为腹板，两侧翼缘。基底内框一端伸出(切割出)一等强度悬臂梁，等强度悬臂梁远离根部的位置突起为支撑柱，垂直于基底平面且位于基底轴向的中心部位。支撑柱顶端钻孔，工字型基底两端对称钻孔。等强度悬臂梁上下表面中心靠近根部均轴向刻有凹槽。基底、等强度悬臂梁和支撑柱均为一体结构。

2、本发明由于基于光纤光栅，采用简便的单光栅分离粘贴技术固定在等强度悬臂梁凹槽内，可实现柔性绳索载荷和温度的同时测量。

3、本发明所述传感器由于体积小、重量轻、结构简单、装卸方便、成本低廉以及设计巧妙，封装操作简便易行，光纤光栅可以得到有效保护；同时灵敏度高、精度高，不受电磁干扰；可以对柔性绳索的载荷和温度进行同时、实时测量，具有很高的可靠性和稳定性。

同时，本发明的传感器还可以串接使用，实现柔性绳索载荷和温度的多点、成网络测量。本发明因柔性绳索上的载荷与光纤光栅的波长漂移量并不成正比，有一定的函数关系，所以需要在出厂前给用户提供万能试验机和光纤光栅波长漂移量的修正函数曲线，修正函数曲线可以通过万能试验机与本发明装置所要测量的柔性绳索连接，通过试验机施加一个从0到本发明最大量程的外力，同时本发明装置与光纤光栅解调仪连接，解调测得光纤光栅波长漂移量，将所得到的光纤光栅波长漂移量与施加的外力对应，便可得到载荷-光纤光栅波长漂移量的标定曲线。通过采用合适刚度的材料封装的传感器，可以使载荷与光纤光栅波长漂移量近似呈线性关系。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量传感器，其特征在于，包括：

支撑单元、承载单元和传感单元，其中，

所述支撑单元包括：基底和翼缘；

所述承载单元包括：等强度悬臂梁和支撑柱；

所述传感单元包括：光纤光栅和分离套管；

所述基底呈工字型，基底的两侧分别设置有所述翼缘；所述基底内框一端连接一等强度悬臂梁；

所述等强度悬臂梁远离根部的位置突起为支撑柱；所述等强度悬臂梁的上下表面中心靠近根部均轴向布置有凹槽；上下的两个所述凹槽内部对称粘贴有温度和载荷同时测量的传感单元；

所述支撑柱垂直于所述基底平面且位于该基底轴向的中心部位，该支撑柱顶端设置有通孔，所述基底的内框两端对称布置有通孔；

所述光纤光栅采用单光栅分离粘贴技术粘贴固定在等强度悬臂梁凹槽内。

2.如权利要求1所述的基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量传感器，其特征在于，所述支撑柱分别距两个所述通孔距离相等。

3.如权利要求1所述的基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量传感器，其特征在于，所述基底、翼缘、等强度悬臂梁和支撑柱由一整体型材切割而成。

4.如权利要求3所述的基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量传感器，其特征在于，所述等强度悬臂梁呈等腰梯形。

5.如权利要求1所述的基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量传感器，其特征在于，所述单光栅分离粘贴技术，进一步为：所述光纤光栅的栅区的一部分与内径略大于所述光纤光栅直径的分离套管套接，所述光纤光栅与分离套管套接部分为测温单元，未套接部分为测载荷单元，所述光纤光栅和连同分离套管套接后通过粘胶完全粘贴固定在等强度悬臂梁凹槽内，然后通过环氧胶对光纤光栅和分离套管进行灌封涂覆。

6.如权利要求1所述的基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量传感器，其特征在于，所述分离套管是厚度小于100μm的薄膜管，其材质采用PBT、PP、PC、PET或PVC。

7.如权利要求1所述的基于FBG的柔性绳索载荷和温度同时测量传感器，其特征在于，所述基底和支撑柱上的通孔的直径均略大于所述所测柔性绳索直径。

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