CN107655600B - 一种基于光纤干涉仪的拉力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及力的测试技术领域，特别是涉及一种基于光纤干涉仪的拉力测量装置，包括有拉力变形组件、光纤干涉系统、光纤调节系统、控制单元，所述光纤调节系统在进行拉力测量前对光纤干涉系统进行校正，所述拉力变形组件受力使光纤干涉系统产生干涉条纹，光纤干涉系统将干涉条纹的数据传输给控制单元进行分析测量。该装置精度高（光波干涉测量其弹性变化位移可达到nm量级），而且结构简单，稳定，性能高和体积小。
Description
技术领域
本发明涉及力的测试技术领域，特别是涉及一种基于光纤干涉仪的拉力测量装置。
背景技术
目前用于拉力测量的多种多样，不同的工作原理各有不同，应用特点和应用范围各有不同。其分类也是千差万别。常见一般可分为：电阻应变片式、电磁力式、光电式、电容式、液压式等。
电阻应变片式拉力传感器中应用最广、技术最为成熟的形式和其精度也比较高。其是利用弹性体在外拉力的作用下产生弹性形变，通过相测量电路将电阻的变化转换成电信号。但其缺点是机械滞后、蠕变和零漂。测量微小拉力时,由其计量精度几十克的称量精度就是在50毫克左右。对微小拉力级引起的形变，无法精确测量其的变化，相对来说其精度较低。
目前精度比高的传感器有：
光电式：是将光栅形成的莫尔条纹角位移转换成光电信号。光栅有两块，一个光栅装在表盘轴上可以移动，另一块光栅固定。加载重量后，传力杠带动使表盘轴旋转从而带动移动光栅转动，莫尔条纹随之移动，利用光电管、转换电路各显示仪表，计算移过的莫尔条纹数量，测出光栅转动角的大小。从而确定被测物质质量。具有稳定工作、抗干拢能力强的优点，但是用光栅测量其移位。但其构复杂，精度低，体积也相对较大。
光纤光栅式：是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用2个二元一次方程解出温度与应变，但其精度还是低。
目前最常用拉力传感器和高精度拉力传感器，存在着机械滞后、蠕变和零漂、精度低和结构复杂等缺点。
发明内容
本发明为克服现有技术的缺点，提供一种基于光纤干涉仪的拉力测量装置，该装置精度高（光波干涉测量其弹性变化位移可达到nm量级），而且结构简单，稳定，性能高和体积小。
本发明的技术方案是：一种基于光纤干涉仪的拉力测量装置，其中，包括有拉力变形组件、光纤干涉系统、光纤调节系统、控制单元，所述光纤调节系统在进行拉力测量前对光纤干涉系统进行校正，所述拉力变形组件受力使光纤干涉系统产生干涉条纹，光纤干涉系统将干涉条纹的数据传输给控制单元进行分析测量。
在进行拉力测试时，先利用光纤调节系统对光纤干涉系统进行校正调零，再对拉力变形组件进行受力产生形变，使光纤干涉系统产生干涉条纹，光纤干涉系统将干涉条纹的数据传输给控制单元进行分析测量，得到精度高、稳定的测量结果。
进一步，拉力变形组件包括支架、弹簧片、拉勾架，所述弹簧片的一端与支架的一侧连接，弹簧片的另一端与拉勾架的一端连接，所述拉勾架的另一端与支架的另一侧连接，所述拉勾架上设有上拉勾，所述支架底部设有下拉勾，所述上拉勾与下拉勾组成施力组件。通过上拉勾、下拉勾进行施力使弹簧片变形，结构简单。
进一步，支架与拉勾架连接的一侧设有保护卡槽，所述拉勾架嵌入保护卡槽与支架连接。当上拉钩与下拉钩的受力过大超过其行程时，保护卡槽起保护作用。
进一步，光干涉系统设有反射镜、数据光纤、光源、发射光纤、接收光纤、光纤耦合器、摄像头，所述光源的输入端与控制单元连接，所述光源的输出端通过发射光纤与光纤耦合器的输入端连接，所述摄像头的输出端与控制单元连接，所述摄像头的输入端通过接收光纤与光纤耦合器的输出端连接，所述光纤耦合器的输出端与数据光纤连接，所述反射镜设于拉勾架的下方，所述数据光纤的端面反射光与反射镜反射的光形成干涉条纹。控制单元控制光源发射光通过发射光纤传输到光纤耦合器，光纤耦合器将光射到数据光纤，光到达数据光纤的端面，约有4%左右经数据光纤反射回来，其余的一部份直射到反射镜上，
反射镜的反射面也将大约4%左右的光反射回来，反射镜的底面是毛玻璃面，
其结构使反射镜的毛玻璃面反射回来的光很微小，（使干扰光极小），数据光纤的端面反射的光与反射镜的反射面反射回来的光强度大至相等，使干涉条纹清晰可见，再由数据光纤将干涉数据信号传回光纤藕合器，由光纤藕合器将数据信号通过接收光纤传到摄像头，摄像头再将数据信号传输到控制单元中进行分析。
进一步，光纤调节系统包括光纤套管，所述数据光纤插入光纤套管中，所述光纤套管设于反射镜与支架底面之间。将数据光纤固在光纤套管内，使微小的数据光纤的端面受光纤套管的调节控制。
进一步，光纤套管设有调节螺孔、调节螺丝，所述调节螺孔与支架底面之间设有调节弹簧，所述调节螺丝穿过调节弹簧与调节螺孔螺纹连接，所述调节螺丝设有调节头用于对光干涉系统进行校正调零。当上拉勾、下拉钩拉力为零时，通过调节螺丝的调节头进行调零，使反射镜的反射面与数据光纤的端面平行；当上拉勾、下拉钩受力变化时，由于弹簧片的形变，引起反射镜的反射面与数据光纤的端面不平行而产生夹角，从而产生了干涉条纹。该结构的其作用为：在不受力时，反射镜的反射面与数据光纤的端面平行，在受拉力时，反射镜的反射面与数据光纤的端面光层差与干涉条纹的间距的线性变化更精确（干涉条纹在夹角小于5度线生变化精度较高）。
进一步，控制单元包括单片机、无线传输模块、控制屏，所述控制屏通过无线传输模块与单片机进行信息传递。单片机将摄像头传来的数据信号进行数据处理，再通过无线传输模块将分析结果传到控制屏上显示出来。
本发明的有益效果是：
（1）利用光的干涉，使得弹簧片所受压力时，弹簧片的微小形变也能测量出来，其弹簧片的形变上下位移精度可以达到nm量级。
（2）引入了光纤使得测量装置结构简单，稳定，性能高和体积小。
（3）利用光纤套管可以有效地固定光纤端面，同时可以快速地调节光纤端面和反射镜的平行，使其受到拉力时，光纤端面和反射镜的反射面夹角很小，线性关系更精确。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是光纤套管的结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1：
如图1和图2所示，一种基于光纤干涉仪的拉力测量装置，其中，包括有拉力变形组件、光纤干涉系统、光纤调节系统、控制单元，光纤调节系统在进行拉力测量前对光纤干涉系统进行校正，拉力变形组件受力使光纤干涉系统产生干涉条纹，光纤干涉系统将干涉条纹的数据传输给控制单元进行分析测量。
其中，拉力变形组件包括支架1、弹簧片2、拉勾架3，弹簧片2的一端与支架1的一侧连接，弹簧片2的另一端与拉勾架3的一端连接，拉勾架3的另一端与支架1的另一侧连接，支架1与拉勾架3连接的一侧设有保护卡槽6，拉勾架3嵌入保护卡槽6与支架1连接，拉勾架3上设有上拉勾4，支架1底部设有下拉勾5，上拉勾4与下拉勾5组成施力组件。
其中，光干涉系统设有反射镜7、数据光纤8、光源9、发射光纤10、接收光纤11、光纤耦合器12、摄像头13，光源9的输入端与控制单元连接，光源9的输出端通过发射光纤10与光纤耦合器12的输入端连接，摄像头13的输出端与控制单元连接，摄像头13的输入端通过接收光纤11与光纤耦合器12的输出端连接，光纤耦合器12的输出端与数据光纤8连接，反射镜7设于拉勾架3的下方，数据光纤8的端面反射光与反射镜7反射的光形成干涉条纹。
其中，光纤调节系统包括光纤套管14，数据光纤8插入光纤套管14中，光纤套管14设于反射镜7与支架1底面之间。光纤套管14设有调节螺孔15、以及与其配套的调节螺丝16，调节螺丝16设有3个，调节螺孔15与支架1底面之间设有调节弹簧，调节螺丝16穿过调节弹簧与调节螺孔15螺纹连接，调节螺丝16设有调节头17用于对光干涉系统进行校正调零。
其中，控制单元包括单片机18、无线传输模块19、控制屏20，控制屏20通过无线传输模块19与单片机18进行信息传递，控制屏20上设有固定垂直的直线用于调节光纤套管14平面。
在进行拉力测试时，先利用光纤调节系统的3个调节螺丝16上的调节头17对光纤干涉系统进行调零，使反射镜7的反射面与数据光纤8的端面平行，再对拉力变形组件的上拉勾4、下拉勾5进行施力，使弹簧片2受力产生形变，控制单元控制光源9发射光通过发射光纤10传输到光纤耦合器12，光纤耦合器12将光射到数据光纤8，光到达数据光纤8的端面，由于弹簧片2的形变，引起反射镜7的反射面与数据光纤8的端面不平行而产生夹角，从而产生了干涉条纹，约有4%左右经数据光纤8反射回来，其余的一部份直射到反射镜7上，反射镜7的反射面也将大约4%左右的光反射回来，反射镜7的底面是毛玻璃面，其结构使反射镜的毛玻璃面反射回来的光很微小，（使干扰光极小），数据光纤8的端面反射的光与反射镜7的反射面反射回来的光强度大至相等，使干涉条纹清晰可见，再由数据光纤8将干涉数据信号传回光纤藕合器12，由光纤藕合器12将数据信号通过接收光纤11传到摄像头13，摄像头13再将数据信号传输到单片机18中进行数据处理、分析测量，单片机18通过无线传输模块19将分析结果传到控制屏20上显示出来，得到精度高、稳定的测量结果。
实施例2：
测量拉力的工作过程；
开始测量时按下开关键打开测量装置；
在零拉力时进行调零校正；
在零拉力时，调节X基准轴方向的2个调节头17，观察控制屏20上的干涉条纹，使控制屏20上固定的细线与干涉条纹平行；
在零拉力时，调节Y基准轴方向的1个调节头17，观察控制屏20上的干涉条纹，使控制屏20干涉条纹消失变成全明或全暗；
此时数据光纤8的端面与反射镜7的面处于平行状态，其夹角非常小。
测量装置的校准：
第一次挂校准砝码1按一次校准键，得到校准拉力F1，单片机18对摄像头13传来的信息进行处理得相邻干涉条纹的间距L1；
第二次挂上校准砝码2按下第二次校准键，得到校准拉力F2， 单片机18对摄像头13传来的信息进行处理得出相邻干涉条纹的间距L2；
单片机18内部公式根据得拉力变化的常数K，并保存在单片机18的RAM中；
测量拉力时，单片机18对摄像头13传来信息进行处理得出相邻干涉条纹的间距L，单片机18内部根据/>计算出拉力F；
测量完成后按下开关键关闭测量装置。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于光纤干涉仪的拉力测量装置，其特征在于，包括有拉力变形组件、光纤干涉系统、光纤调节系统、控制单元，所述光纤调节系统在进行拉力测量前对光纤干涉系统进行校正，所述拉力变形组件受力使光纤干涉系统产生干涉条纹，光纤干涉系统将干涉条纹的数据传输给控制单元进行分析测量；
所述拉力变形组件包括支架(1)、弹簧片(2)、拉勾架(3)，所述弹簧片(2)的一端与支架(1)的一侧连接，弹簧片(2)的另一端与拉勾架(3)的一端连接，所述拉勾架(3)的另一端与支架(1)的另一侧连接，所述拉勾架(3)上设有上拉勾(4)，所述支架(1)底部设有下拉勾(5)，所述上拉勾(4)与下拉勾(5)组成施力组件。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的拉力测量装置，其特征在于，所述支架(1)与拉勾架(3)连接的一侧设有保护卡槽(6)，所述拉勾架(3)嵌入保护卡槽(6)与支架(1)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的拉力测量装置，其特征在于，所述光纤干涉系统设有反射镜(7)、数据光纤(8)、光源(9)、发射光纤(10)、接收光纤(11)、光纤耦合器(12)、摄像头(13)，所述光源(9)的输入端与控制单元连接，所述光源(9)的输出端通过发射光纤(10)与光纤耦合器(12)的输入端连接，所述摄像头(13)的输出端与控制单元连接，所述摄像头(13)的输入端通过接收光纤(11)与光纤耦合器(12)的输出端连接，所述光纤耦合器(12)的输出端与数据光纤(8)连接，所述反射镜(7)设于拉勾架(3)的下方，所述数据光纤(8)的端面反射光与反射镜(7)反射的光形成干涉条纹。
4.根据权利要求3所述的一种基于光纤干涉仪的拉力测量装置，其特征在于，所述光纤调节系统包括光纤套管(14)，所述数据光纤(8)插入光纤套管(14)中，所述光纤套管(14)设于反射镜(7)与支架(1)底面之间。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤干涉仪的拉力测量装置，其特征在于，所述光纤套管(14)设有调节螺孔(15)、调节螺丝(16)，所述调节螺孔(15)与支架(1)底面之间设有调节弹簧，所述调节螺丝(16)穿过调节弹簧与调节螺孔(15)螺纹连接，所述调节螺丝(16)设有调节头(17)用于对光干涉系统进行校正调零。
6.根据权利要求1至5任一所述的一种基于光纤干涉仪的拉力测量装置，其特征在于，所述控制单元包括单片机(18)、无线传输模块(19)、控制屏(20)，所述控制屏(20)通过无线传输模块(19)与单片机(18)进行信息传递。
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|---|---|---|---|---|
| CN108680263B (zh) * | 2018-05-16 | 2020-02-18 | 华南理工大学 | 一种基于激光干涉的非接触式玻璃温度测量系统及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010047156A (ko) * | 1999-11-18 | 2001-06-15 | 김효근 | 광섬유 간섭계를 이용한 미세 거리 측정 장치 |
| CN201397268Y (zh) * | 2009-05-27 | 2010-02-03 | 广东外语外贸大学 | 一种杨氏模量的测量系统 |
| CN102565926A (zh) * | 2012-02-28 | 2012-07-11 | 华中科技大学 | 一种珐布里-珀罗干涉仪及其制备方法 |
| CN105115436A (zh) * | 2015-08-04 | 2015-12-02 | 苏州光环科技有限公司 | 传感装置及监测应力和温度的方法 |
| CN105588674A (zh) * | 2016-03-18 | 2016-05-18 | 中国计量学院 | 一种强度调制型光纤应力传感器 |
| CN207937089U (zh) * | 2017-11-17 | 2018-10-02 | 广东海洋大学 | 一种基于光纤干涉仪的拉力测量装置 |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010047156A (ko) * | 1999-11-18 | 2001-06-15 | 김효근 | 광섬유 간섭계를 이용한 미세 거리 측정 장치 |
| CN201397268Y (zh) * | 2009-05-27 | 2010-02-03 | 广东外语外贸大学 | 一种杨氏模量的测量系统 |
| CN102565926A (zh) * | 2012-02-28 | 2012-07-11 | 华中科技大学 | 一种珐布里-珀罗干涉仪及其制备方法 |
| CN105115436A (zh) * | 2015-08-04 | 2015-12-02 | 苏州光环科技有限公司 | 传感装置及监测应力和温度的方法 |
| CN105588674A (zh) * | 2016-03-18 | 2016-05-18 | 中国计量学院 | 一种强度调制型光纤应力传感器 |
| CN207937089U (zh) * | 2017-11-17 | 2018-10-02 | 广东海洋大学 | 一种基于光纤干涉仪的拉力测量装置 |
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