CN106441659A - 一种基于悬臂梁的光纤光栅压力传感器 - Google Patents

一种基于悬臂梁的光纤光栅压力传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于悬臂梁的光纤光栅压力传感器，由底座，悬臂梁，螺钉，第一光纤光栅，第二光纤光栅，3dB耦合器，光谱仪，宽带光源组成。第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心波长不同，当悬臂梁受到压力变化产生形变，由于光栅分别刚性粘贴在悬臂梁的上表面和侧面，会随着悬臂梁的形变产生两个不同程度的形变，反射光谱中将出现双峰结构，并随着压力大小的变化发生偏移，通过测量反射光谱光波的相对偏移量来实现对压力大小的定标，并且通过比较相同温度下光波的相对偏移量，排除温度的影响，该发明不但结构简单，而且能通过一根光纤光栅就能实现传感器的温度不敏感，从而节省了成本，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。

Description

一种基于悬臂梁的光纤光栅压力传感器
技术领域
本发明属于测量压力大小的技术领域，具体涉及一种基于悬臂梁的光纤光栅压力传感器。
背景技术
基于光纤光栅的各种功能型传感器在最近的二十年里获得了飞速的发展，极大地推动了光纤通信和传感技术的发展。
由于光纤光栅对温度和应变同时敏感，传统的光纤光栅传感器大多数采用多根光纤光栅同时测量来解决温度-应变交叉敏感问题，这样设备复杂，开发成本较高。所以开发结构简单的，对温度不敏感的新型光纤光栅传感器成为当前研究的热点。
基于悬臂梁的光纤光栅压力传感器，该发明不但结构简单，而且能通过一根光纤光栅就能实现传感器的温度不敏感，从而节省了成本，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于将光纤光栅分别粘贴在悬臂梁的上表面和侧面，当悬臂梁受到压力大小的变化，光纤会一起发生形变，从而产生不同的反射光谱，通过测量反射光谱中心波长的偏移量来实现对压力大小的定标。
本发明通过以下技术方案实现：基于悬臂梁的光纤光栅压力传感器，由底座(1)，悬臂梁(2)，螺钉(3)，第一光纤光栅(4)，第二光纤光栅(5)，3dB耦合器(6)，光谱仪(7)，宽带光源(8)组成；悬臂梁(2)通过螺钉(3)与底座(1)固定，第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)分别通过粘胶剂粘贴在悬臂梁(2)的上表面和侧面，光谱仪(7)和宽带光源(8)分别通过3dB耦合器(6)与光纤相连，当悬臂梁(2)受压力大小的变化产生形变，由于第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)分别刚性粘贴在悬臂梁(2)的上表面和侧面，会随着悬臂梁(2)的形变产生两个不同程度的形变，第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)的中心波长不同，反射光谱中将出现双峰结构，并随着压力大小的变化发生偏移，通过测量反射光谱光波的相对偏移量来实现对压力大小的定标，并且通过比较相同温度下光波的相对偏移量，排除温度的影响，实现通过一根光纤光栅解决温度-应变交叉敏感问题。
所述的悬臂梁(2)采用等腰结构设计。
所述的悬臂梁(2)的材料为聚乙烯，梁长为80mm，固定端宽度为20mm，厚度为5mm。
所述的第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)的中心波长分别为1550nm，1570nm。
本发明的工作原理是：对于等强度悬臂梁，悬臂梁的宽度沿长度l是变化的，固定端宽度为b0，厚度为h，在梁端施加大小为F的力，距离固定端x处截面的宽度：
bx＝b0(1-x/l) (1)
梁截面的抗弯模数为：
梁截面的最大应力：
σx＝6Fl/b0h2 (3)
应变：
εx＝6Fl/Eb0h2 (4)
当宽带光通过光纤光栅时，能反射特定波长的光，反射波长：
λB＝2neffΛ (5)
通过改变光纤光栅的有效折射率neff和周期Λ，均可改变λB。
当温度不变时，若认为光纤光的拉伸是各向同性且均匀，则λB的相对变化和光纤的单位伸长量ε问的关系为：
ΔλB/λB＝(1-Pe)ε (6)
其中Pe为光纤的有效弹光系数，由等强度悬臂梁概念，可得
Δλ/λ＝6F(1-Pe)/h2E*l/b (7)
式中：E为制作悬梁材料的弹性模量。所以当悬臂梁(2)受压力F大小的变化产生形变，由于第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)分别刚性粘贴在悬臂梁(2)的上表面和侧面，会随着悬臂梁(2)的形变产生两个不同程度的形变，第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)的中心波长不同，反射光谱中将出现双峰结构，并随着压力大小的变化发生偏移，通过测量反射光谱中光波的相对偏移量来实现对压力大小的定标，并且通过比较相同温度下光波的相对偏移量，排除温度的影响，实现通过一根光纤光栅解决温度-应变交叉敏感问题。
本发明的有益效果是：本发明的设计中悬臂梁结构传感器中的梁我们采用等腰结构设计，分别将光纤光栅粘贴在梁的上表面与侧表面，梁受压力大小的作用将发生形变，由于光纤光栅刚性粘贴在其表面，会随着梁一起发生形变，基于我们设计的特殊结构的悬臂梁，光纤光栅将发生两个不同程度的形变，从反射光谱中将出现双峰结构，并随着压力大小的变化发生重叠，通过测量反射光谱光波的偏移量来实现对压力大小的定标，并且通过比较相同温度下光波的相对偏移量，排除温度的影响，这是本项目的创新之处，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。
附图说明
图1是基于悬臂梁的光纤光栅压力传感器结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，基于悬臂梁的光纤光栅压力传感器，由底座(1)，悬臂梁(2)，螺钉(3)，第一光纤光栅(4)，第二光纤光栅(5)，3dB耦合器(6)，光谱仪(7)，宽带光源(8)组成，悬臂梁(2)通过螺钉(3)与底座(1)固定，第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)分别通过粘胶剂粘贴在悬臂梁(2)的上表面和侧面，光谱仪(7)和宽带光源(8)分别通过3dB耦合器(6)与光纤相连。本发明的工作原理是：当悬臂梁(2)受压力大小的变化产生形变，由于第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)分别刚性粘贴在悬臂梁(2)的上表面和侧面，会随着悬臂梁(2)的形变产生两个不同程度的形变，第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)的中心波长不同，反射光谱中将出现双峰结构，并随着压力大小的变化发生偏移，通过测量反射光谱中光波的相对偏移量来实现对压力大小的定标，并且通过比较相同温度下光波的相对偏移量，排除温度的影响，实现通过一根光纤光栅解决温度-应变交叉敏感问题。

Claims (3)

1.基于悬臂梁的光纤光栅压力传感器，由底座(1)，悬臂梁(2)，螺钉(3)，第一光纤光栅(4)，第二光纤光栅(5)，3dB耦合器(6)，光谱仪(7)，宽带光源(8)组成；悬臂梁(2)通过螺钉(3)与底座(1)固定，第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)分别通过粘胶剂粘贴在悬臂梁(2)的上表面和侧面，光谱仪(7)和宽带光源(8)分别通过3dB耦合器(6)与光纤相连。
2.根据权利要求1所述的基于悬臂梁的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的悬臂梁(2)的材料为聚乙烯，梁长为80mm，固定端宽度为20mm，厚度为5mm。
3.根据权利要求1所述的基于悬臂梁的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)的中心波长分别为1550nm，1570nm。
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