CN106441659B - 一种基于悬臂梁的光纤光栅压力传感器 - Google Patents

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    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
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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：
Figure GSB0000198361980000021
梁截面的抗弯模数为：
Figure GSB0000198361980000022
梁截面的最大应力：
σx＝6F1/b0h2 (3)
应变：
εx＝6F1/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*1/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；
所述第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)会随着悬臂梁(2)的形变产生两个不同程度的形变，由于两个光纤光栅中心波长不同，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；
第一光纤光栅(4)垂直于悬臂梁(2)的中心轴线进行布置，第二光纤光栅(5)沿悬臂梁(2)的中心轴线进行布置；
所述悬臂梁采用等腰结构设计。
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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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106679860A (zh) * 2017-03-16 2017-05-17 中国计量大学 一种基于tfbg的横向压力传感器
CN106996819A (zh) * 2017-04-12 2017-08-01 东北大学 一种基于伸缩杆结构的光纤光栅多级称重传感器
CN107121158B (zh) * 2017-06-21 2019-08-13 西北工业大学 一种内封式悬臂梁光纤光栅传感器
CN108519176A (zh) * 2018-04-26 2018-09-11 潍坊医学院 一种基于线阵ccd的数字差分式张力传感器和利用该传感器的张力检测方法
CN111007594B (zh) * 2019-07-24 2021-03-23 北京工业大学 一种等强度梁结构的具有温度补偿的光纤四分之一波片及制备
CN110530548B (zh) * 2019-08-02 2020-08-18 西安交通大学 一种测量压力和温度双参数的光纤光栅检测方法与装置
CN111174933A (zh) * 2019-12-10 2020-05-19 中国科学院合肥物质科学研究院 基于双金属悬臂梁的fbg温度传感器及其应用
CN111521248B (zh) * 2020-05-09 2021-07-06 珠海任驰光电科技有限公司 一种光纤光栅车辆动态称重传感器、装置及方法
CN113008424B (zh) * 2021-02-26 2022-11-15 武汉理工大学 一种基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置
CN114360346A (zh) * 2021-11-26 2022-04-15 北京无线电计量测试研究所 一种光纤应变传感器教学演示系统和方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1384341A (zh) * 2002-06-14 2002-12-11 清华大学 一种压力与温度同时检测的光纤光栅传感器
CN101982740A (zh) * 2010-09-17 2011-03-02 西北大学 双等强度悬臂梁光纤光栅振动传感器
CN103471702A (zh) * 2013-09-12 2013-12-25 马宾 一种温度不敏感的阻尼可调谐高精度光纤光栅振动传感器
CN204007519U (zh) * 2014-08-20 2014-12-10 武汉光驰科技有限公司 光纤光栅传感实验仪
CN206095476U (zh) * 2016-10-21 2017-04-12 中国计量大学 一种基于悬臂梁的光纤光栅压力传感器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1384341A (zh) * 2002-06-14 2002-12-11 清华大学 一种压力与温度同时检测的光纤光栅传感器
CN101982740A (zh) * 2010-09-17 2011-03-02 西北大学 双等强度悬臂梁光纤光栅振动传感器
CN103471702A (zh) * 2013-09-12 2013-12-25 马宾 一种温度不敏感的阻尼可调谐高精度光纤光栅振动传感器
CN204007519U (zh) * 2014-08-20 2014-12-10 武汉光驰科技有限公司 光纤光栅传感实验仪
CN206095476U (zh) * 2016-10-21 2017-04-12 中国计量大学 一种基于悬臂梁的光纤光栅压力传感器

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
具有温度补偿的光纤光栅压力传感器;彭保进等;《清华大学学报(自然科学版)》;20060425(第04期);第484-487页 *
单光纤光栅实现位移、温度同时区分测量;尉婷等;《传感技术学报》;20050626(第02期);第358-362页 *
基于特殊结构悬臂梁的FBG温度补偿压力传感器;张锦龙等;《半导体光电》;20080415(第02期);正文第2节 *
新型光纤布拉格光栅温度自动补偿传感研究;张伟刚等;《光学学报》;20020817(第08期);第999-1003页 *

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