CN106706195A - 基于光栅波长解调原理的应变式张力围栏传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光栅波长解调原理的应变式张力围栏传感器，包括主轴、旋转空间凸轮、差动弹簧机构和等强度应变片，该等强度应变片上固定有光纤光栅；其中：围栏钢丝绳部分绕设在主轴上；旋转空间凸轮套设在主轴上，并连接一旋转回复机构；该旋转空间凸轮的上表面设有多个凹凸区间；当围栏钢丝绳的状态变化时，带动主轴旋转，旋转空间凸轮也随主轴转动；差动弹簧机构通过一安装支架设置在该旋转空间凸轮的上方，该差动弹簧机构包括顶杆和滚轮，顶杆与等强度应变片接触，滚轮与该旋转空间凸轮的上表面接触。本发明可实现张力围栏的入侵、拉绳松弛、拉绳失效等多种状态的监测。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感领域，尤其涉及一种新的基于光栅波长解调原理的应变式张力围栏传感器。
背景技术
传统的张力围栏传感器，都是基于电学传感器，抗干扰能力不强、寿命短、组网能力差，近年来，光纤光栅传感技术飞跃发展，越来越受到各界人士的重视，其无源防爆性、抗电磁干扰性、抗污性、耐腐蚀性、易于分布式组网以及优越的温度适应性和稳定性等本证特性，加速了光纤光栅传感技术在各领域的应用，尤其是基于光栅波长解调原理的报警技术，在石油化工、电力、矿藏开发、通讯、大型仓储、楼宇安防等领域的应用。但现有的光纤光栅报警传感器普遍都是基于振动原理的，整体安防系统搭建起来较复杂，且误报漏报率偏高，导致应用范围受限。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术所存在的缺陷，丰富光纤光栅在安防报警领域的应用，提供一种光纤光栅应变式张力围栏传感器，实现张力围栏的入侵、拉绳松弛、拉绳失效等多种状态的监测。
本发明为达上述目的所采用的技术方案是：
提供一种基于光栅波长解调原理的应变式张力围栏传感器，包括主轴、旋转空间凸轮、差动弹簧机构和等强度应变片，该等强度应变片上固定有光纤光栅；其中：
围栏钢丝绳部分绕设在主轴上；
旋转空间凸轮套设在主轴上，并连接一旋转回复机构；该旋转空间凸轮的上表面设有多个凹凸区间；当围栏钢丝绳的状态变化时，带动主轴旋转，旋转空间凸轮也随主轴转动；
差动弹簧机构通过一安装支架设置在该旋转空间凸轮的上方，该差动弹簧机构包括顶杆和滚轮，顶杆与等强度应变片接触，滚轮与该旋转空间凸轮的上表面接触。
本发明所述的传感器中，该差动弹簧机构还包括壳体和弹簧，弹簧竖直放置于该壳体中，且该壳体与安装支架固定连接。
本发明所述的传感器中，安装支架为滑动安装支架，套设在主轴上，沿主轴可上下自由移动。
本发明所述的传感器中，该差动弹簧机构还包括弹簧，弹簧一端为自由端，连接轮轴，轮轴上套设滚轮；弹簧的另一端也为自由端，连接顶杆；其中顶杆设置在该差动弹簧机构的顶部，滚轮设置在该差动弹簧机构的底部。
本发明所述的传感器中，安装支架为固定安装支架，并与等强度应变片固定连接。
本发明所述的传感器中，所述弹簧套设在顶杆上，弹簧一端为自由端，连接轮轴，轮轴上套设滚轮；弹簧的另一端为固定端，与固定安装支架连接。
本发明所述的传感器中，该多个凹凸区间具体包括预张初始区域，该预张初始区域的一侧设有张紧上限区域和入侵报警区域，该预张初始区域的另一侧设有张紧下限区域、松弛报警区域和张拉失效区域。
本发明所述的传感器中，所述旋转回复机构为扭簧，围栏钢丝绳起初处于预张紧状态时，扭簧也处于预紧状态。
本发明产生的有益效果是：本发明基于光栅波长解调原理的应变式张力围栏传感器设置旋转空间凸轮，并在其上表面设有多个凹凸区间；当围栏钢丝绳的状态变化时，旋转空间凸轮随主轴旋转，通过差动弹簧机构顶端传递给等强度应变片的作用力随之改变，等强度应变片上产生的应变也随之变化，最终光纤光栅因应变片表面应变的变化而产生波长的漂移，光纤光栅波长解调仪就可以通过波长的变化而监测张力围栏钢丝绳的状态变化，从而判定张力围栏所处状态，可实现张力围栏的入侵、拉绳松弛、拉绳失效等多种状态的监测。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例基于光栅波长解调原理的应变式张力围栏传感器的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明实施例旋转空间凸轮的示意图；
图4是本发明实施例旋转空间凸轮轮廓轨迹曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的基于光栅波长解调原理的应变式张力围栏传感器，该应变式张力围栏传感器包括主轴1，旋转空间凸轮2，差动弹簧机构3，旋转回复机构4，安装支架5，等强度应变片6，光纤光栅7和围栏钢丝绳8，整体呈中心旋转结构。旋转回复机构4的作用主要是给旋转空间凸轮2一个回复力，使其回到初始位置，旋转回复机构4可选用扭簧。
围栏钢丝绳8部分绕设在主轴上。旋转空间凸轮2套设在主轴1上，并连接一旋转回复机构4；该旋转空间凸轮2的上表面设有多个凹凸区间；当围栏钢丝绳8的状态变化时，带动主轴1旋转，旋转空间凸轮2也随主轴1转动。各个凹凸区间对应围栏钢丝绳不同的状态变化区间。本发明的一个实施例中，该多个凹凸区间具体包括预张初始区域，该预张初始区域的一侧设有张紧上限和入侵报警区域，该预张初始区域的另一侧设有张紧下限、松弛报警区域和张拉失效区域。
差动弹簧机构3通过安装支架5设置在该旋转空间凸轮2的上方，该差动弹簧机构3包括顶杆和滚轮，顶杆与等强度应变片6接触，滚轮与该旋转空间凸轮2的上表面接触。安装支架5为轻质支架，如可选用轻质的铝合金。
该差动弹簧机构3还包括壳体和弹簧，弹簧竖直放置于该壳体中，且该壳体与安装支架固定连接。
如图1所示，本发明的一个实施例中，安装支架5为滑动安装支架，套设在主轴1上，沿主轴1可上下自由移动。差动弹簧机构3还包括弹簧，弹簧一端为自由端，连接轮轴，轮轴上套设滚轮；弹簧的另一端也为自由端，连接顶杆；其中顶杆设置在该差动弹簧机构3的顶部，滚轮设置在该差动弹簧机构3的底部。该实施例中，通过弹簧将力传递给顶杆，再通过顶杆将力传递给等强度应变片6。
本发明的另一实施例中，安装支架5为固定安装支架，并与等强度应变片6固定连接。弹簧套设在顶杆上，弹簧一端为自由端，连接轮轴，轮轴上套设滚轮；弹簧的另一端为固定端，与固定安装支架连接。与上一个实施例的区别在于弹簧只有一端为自由端，顶杆为刚性顶杆，通过刚性顶杆将力传递给等强度应变片6。
围栏钢丝绳8起初处于预张紧状态，即旋转回复机构4也处于预紧状态，当围栏钢丝绳8状态变化时(受拉、松弛、断裂)，旋转空间凸轮2也随之正反转动，带动差动弹簧机构3底部的滚轮上下运动，使得差动弹簧机构3顶端传递给等强度应变片6的作用力随之改变，等强度应变片6上产生的应变也随之变化，最终光纤光栅7因应变片表面应变的变化而产生波长的漂移，光纤光栅波长解调仪就可以通过波长的变化而监测张力围栏钢丝绳8的状态变化，从而判定张力围栏所处状态，系统完成安防监测。
针对旋转空间凸轮2作一个说明，如图1、2所示，旋转空间凸轮2的上表面的轮廓线上设有不同位置节点，其空间角度、相对高度、空间坡度均不一样，用来区分围栏钢丝绳不同的状态变化(受拉、松弛、断裂)，其原理是：当钢丝绳处于初始预警状态时，温度及正常外力等因素会导致钢丝绳产生正常范围的张拉跳动，凸轮轮廓设计时，需屏蔽张拉跳动的影响；当钢丝绳受到入侵外力作用时，产生大的张拉位移，凸轮轮廓上在张拉方向须设有报警凸台节点；当钢丝绳因固件松弛到一定程度，影响预报警功能时，凸轮轮廓上在松弛方向须设有张拉松弛报警凸台节点；当钢丝绳受外力瞬间切断时，钢丝绳张拉失效，凸轮轮廓上在无张拉方向须设有张拉失效报警凸台节点，且凸轮需迅速到达此节点；为了有效区分以上不同状态，凸轮轮廓上的节点位置须有不同的节点高度、坡度。
凸轮轮廓曲线如图3所示，其中O为围栏安装时的预张初始点，A为正常张紧上限，B为入侵报警截止点，A′为正常张紧下限，B′为松弛报警零界点，C′为张拉失效截止点，差动弹簧机构3底部的接触轮轴经过上述不同节点位置时，都会产生不同的差动感应，光纤光栅7产生不同的变化，使监测系统的仪表能准确无误的监测到围栏钢丝绳的状态变化，从而作出正确的报警状态输出。凸轮轮廓曲线上的各个节点的区域范围，矢量关系，须根据不同的应用场合，灵活设计。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于光栅波长解调原理的应变式张力围栏传感器，其特征在于，包括主轴、旋转空间凸轮、差动弹簧机构和等强度应变片，该等强度应变片上固定有光纤光栅；其中：
围栏钢丝绳部分绕设在主轴上；
旋转空间凸轮套设在主轴上，并连接一旋转回复机构；该旋转空间凸轮的上表面设有多个凹凸区间；当围栏钢丝绳的状态变化时，带动主轴旋转，旋转空间凸轮也随主轴转动；
差动弹簧机构通过一安装支架设置在该旋转空间凸轮的上方，该差动弹簧机构包括顶杆和滚轮，顶杆与等强度应变片接触，滚轮与该旋转空间凸轮的上表面接触。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，该差动弹簧机构还包括壳体和弹簧，弹簧竖直放置于该壳体中，且该壳体与安装支架固定连接。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，安装支架为滑动安装支架，套设在主轴上，沿主轴可上下自由移动。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，该差动弹簧机构还包括弹簧，弹簧一端为自由端，连接轮轴，轮轴上套设滚轮；弹簧的另一端也为自由端，连接顶杆；其中顶杆设置在该差动弹簧机构的顶部，滚轮设置在该差动弹簧机构的底部。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，该多个凹凸区间具体包括预张初始区域，该预张初始区域的一侧设有张紧上限区域和入侵报警区域，该预张初始区域的另一侧设有张紧下限区域、松弛报警区域和张拉失效区域。
6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述旋转回复机构为扭簧，围栏钢丝绳起初处于预张紧状态时，扭簧也处于预紧状态。
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