CN108507474B - 一种温度自补偿光纤光栅位移传感器及其使用方法 - Google Patents

一种温度自补偿光纤光栅位移传感器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

针对现有技术中现有传感器量程与精度难以改变及温度补偿精度不高的问题，本发明提供一种温度自补偿光纤光栅位移传感器及其使用方法，包括方盒形外壳、设置在方盒形外壳内侧壁上的第一弹性梁和第二弹性梁、设置在方盒形外壳内部的测量组件、用于使测量组件复位的回复组件、分别设置在第一弹性梁和第二弹性梁上的第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器以及用于封闭方盒形外壳的盖板。本发明通过第一弹性梁的另一端紧靠第一斜坡状凸起的斜坡状凸起的最低点设置以及所述的第二弹性梁的另一端紧靠第二斜坡状凸起的斜坡状凸起的最低点设置，利用测量杆检测外界待测量结构发生的位移。本发明其结构简单，量程可调以及温度补偿精度高。

Description

一种温度自补偿光纤光栅位移传感器及其使用方法
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感领域，尤其是涉及一种温度自补偿光纤光栅位移传感器及其使用方法。
背景技术
光纤光栅具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、寿命长等优点，目前已被广泛应用于机械装备故障诊断领域。其中，在应变、温度监测领域应用与研究较多，而位移监测领域相对较少。
目前，大部分光纤光栅位移传感器都是基于等截面梁结构设计的，该结构是将光纤光栅粘贴于梁表面，当悬臂梁自由端发生位移时，粘贴于梁表面的光纤光栅发生弯曲，从而引起光纤光栅反射波长漂移；该结构通过改变光纤光栅粘贴位置改变传感器量程和精度。
然而由于粘贴后光纤光栅粘贴位置难以改变，所以通过改变粘贴位置改变量程难以实现。
同时，为了保证测量精度，现有的传感器温度补偿方法大多是布置另一个裸光纤光栅于传感器结构内，而温度补偿方法忽略了粘贴后光纤光栅与裸光纤光栅的特性变化，补偿精度不高。
发明内容
针对现有技术中现有传感器量程与精度难以改变及温度补偿精度不高的问题，本发明提供一种温度自补偿光纤光栅位移传感器及其使用方法，其结构简单，量程可调以及温度补偿精度高。
所述的一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，包括方盒形外壳、一端均设置在方盒形外壳内侧壁上且平行设置的第一弹性梁和第二弹性梁、设置在方盒形外壳内部能够对外界待测量结构发生的位移进行检测的测量组件、用于使测量组件复位的回复组件、分别设置在第一弹性梁和第二弹性梁上的第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器以及用于封闭方盒形外壳的盖板，其特征在于：
所述的测量组件包括用于对外界待测量结构发生的位移进行测量的测量杆和垂直设置在测量杆中部的隔板；
其中，所述的测量杆包括测量杆本体以及测量杆本体中部设置的直角三角形的第一斜坡状凸起和第二斜坡状凸起；该第一斜坡状凸起和第二斜坡状凸起分别设置于隔板的两侧且该第一斜坡状凸起和第二斜坡状凸起中的直角边均靠近隔板设置；该第一斜坡状凸起和第二斜坡状凸起的斜坡表面平整光滑；
其中，所述的方盒形外壳的相对侧侧壁上设置有用于配合测量杆本体自由滑动的通孔；
其中，所述的第一弹性梁的另一端紧靠第一斜坡状凸起的斜坡状凸起的最低点设置；所述的第二弹性梁的另一端紧靠第二斜坡状凸起的斜坡状凸起的最低点设置。
进一步的，所述的回复组件包括设置在方盒形外壳内部的相同的第一弹簧和第二弹簧；其中，所述的第一弹簧的一端连接在方盒形外壳的内侧壁上，该第一弹簧的另一端设置在隔板的一侧；所述的第二弹簧的一端设置在方盒形外壳的内侧壁上，该第二弹簧的另一端设置在隔板的另一侧。
进一步的，所述的隔板的两侧均设置有用于连接第一弹簧和第二弹簧的凸起；所述的方盒形外壳的内侧壁上设置有用于连接第一弹簧的第一台阶和用于连接第二弹簧的第二台阶；其中，所述的第一台阶和第二台阶分别设置于方盒形外壳相对侧的侧壁内部。
进一步的，所述的第一斜坡状凸起和第二斜坡状凸起以隔板为准对称设置。
进一步的，所述的第一斜坡状凸起和第二斜坡状凸起分别位于测量杆本体的两侧。
进一步的，所述的第一斜坡状凸起和第二斜坡状凸起的斜坡表面与测量杆表面的夹角为α；该夹角α可设为30°，45°及60°
进一步的，所述的第一弹性梁和第二弹性梁的材质是铝合金。
进一步的，所述的测量杆的材质是铝合金。
进一步的，所述的方盒形外壳与盖板可拆卸的连接。
一种如上述温度自补偿光纤光栅位移传感器的使用方法，所述的测量杆本体受到外界待测量结构发生位移时产生的推力，使测量杆本体产生移动；当测量杆本体发生移动时，测量杆本体带动第一斜坡状凸起和第二斜坡状凸起同时发生位移，导致第一弹性梁或第二弹性梁发生弯曲，对应的第二弹性梁或第一弹性梁未发生形变；此时，已经发生弯曲的第一弹性梁或第二弹性梁上的第一光纤光栅传感器或第二光纤光栅传感器发生应变；此时，温度的变化将使上述第一光纤光栅传感器或第二光纤光栅传感器发生波长变化，如下式：
其中：λB为光纤光栅的中心波长，ΔλB为设置在发生弯曲的第一弹性梁或第二弹性梁上的第一光纤光栅传感器或第二光纤光栅传感器的波长变化量，ΔT为温度变化量，Δε为发生弯曲的第一弹性梁或第二弹性梁弯曲造成的应变；
而对于未发生形变的第二弹性梁或第一弹性梁，第二光纤光栅传感器或第一光纤光栅传感器未发生应变，仅因温度变化造成了第二光纤光栅传感器或第一光纤光栅传感器的发射波长变化，如下式：
其中：λB1为光纤光栅的中心波长，ΔλB1为设置在未发生弯曲的第二弹性梁或第一弹性梁上的第二光纤光栅传感器或第一光纤光栅传感器的波长变化量，ΔT为温度变化量；
因此，L＝ΔλB-ΔλB1；其中，L为外界待测量结构发生的位移量；ΔλB1为设置在未发生弯曲的第二弹性梁或第一弹性梁上的第二光纤光栅传感器或第一光纤光栅传感器的波长变化量；ΔλB为设置在发生弯曲的第一弹性梁或第二弹性梁上的第一光纤光栅传感器或第二光纤光栅传感器的波长变化量。
本发明的有益效果是：本发明通过第一弹性梁的另一端紧靠第一斜坡状凸起的斜坡状凸起的最低点设置以及所述的第二弹性梁的另一端紧靠第二斜坡状凸起的斜坡状凸起的最低点设置，利用测量杆检测外界待测量结构发生的位移。在测量杆发生移动时，保证第一弹性梁和第二弹性梁中的一个发生弯曲，另一个不发生弯曲。改变第一斜坡状凸起和第二斜坡状凸起的坡度，因为第一弹性梁和第二弹性梁的弹性一定，从而改变本发明的量程。同样的，由于第一光纤光栅传感器或第二光纤光栅传感器中的一个发生应变，而另一个未发生应变，从而提升了温度补偿的精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的另一种结构示意图。
其中，图1中A、B箭头为外界待测量结构发生位移时对测量杆本体的施力方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
如图1～2，所述的一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，包括方盒形外壳1、一端均设置在方盒形外壳1内侧壁上且平行设置的第一弹性梁2和第二弹性梁3、设置在方盒形外壳1内部能够对外界待测量结构发生的位移进行检测的测量组件4、用于使测量组件4复位的回复组件5、分别设置在第一弹性梁2和第二弹性梁3上的第一光纤光栅传感器6和第二光纤光栅传感器7以及用于封闭方盒形外壳1的盖板8；
所述的测量组件4包括用于对外界待测量结构发生的位移进行测量的测量杆401和垂直设置在测量杆401中部的隔板402；
其中，所述的测量杆401包括测量杆本体4013以及测量杆本体4013中部设置的直角三角形的第一斜坡状凸起4011和第二斜坡状凸起4012；该第一斜坡状凸起4011和第二斜坡状凸起4012分别设置于隔板402的两侧且该第一斜坡状凸起4011和第二斜坡状凸起4012中的直角边均靠近隔板402设置；该第一斜坡状凸起4011和第二斜坡状凸起4012的斜坡表面平整光滑；
其中，所述的方盒形外壳1的相对侧侧壁上设置有用于配合测量杆本体4013自由滑动的通孔；
其中，所述的第一弹性梁2的另一端紧靠第一斜坡状凸起4011的斜坡状凸起的最低点设置；所述的第二弹性梁3的另一端紧靠第二斜坡状凸起4012的斜坡状凸起的最低点设置。
需要明确的是：所述的直角三角形的第一斜坡状凸起4011和第二斜坡状凸起4012中的一条直角边与测量杆本体4013连接，另一条直角边垂直测量杆本体4013设置。同样的，第一斜坡状凸起4011和第二斜坡状凸起4012也可以钝角三角形，该钝角三角形的最长边与测量杆本体4013连接。
需要明确的是：隔板402的大小与方盒形外壳1的内侧壁对应，防止干涉。
需要明确的是：所述的第一斜坡状凸起4011和第二斜坡状凸起4012分设隔板402两端设置，与同样位于隔板402两侧的第一弹性梁2和第二弹性梁3配合，当收到如图1中A或者B方向的作用力时，第一弹性梁2或者第二弹性梁3中的一个会发生弯曲，而另一个不会发生弯曲。促使设置在第一弹性梁2和第二弹性梁3上的第一光纤光栅传感器6和第二光纤光栅传感器7中的一个因为弯曲而发生应变，而另外一个则不发生应变。从而，计算出外界待测量结构发生的位移。
需要明确的是：优选的，所述的第一光纤光栅传感器6和第二光纤光栅传感器7分别设置在第一弹性梁2和第二弹性梁3的中部且靠近测量杆本体4013的两端设置。
所述的回复组件5包括设置在方盒形外壳1内部的相同的第一弹簧501和第二弹簧502；其中，所述的第一弹簧501的一端连接在方盒形外壳1的内侧壁上，该第一弹簧501的另一端设置在隔板402的一侧；所述的第二弹簧502的一端设置在方盒形外壳1的内侧壁上，该第二弹簧502的另一端设置在隔板402的另一侧。
需要明确的是：所述的回复组件5也可以是气缸、液压缸等具有回复作用的结构。
所述的隔板402的两侧均设置有用于连接第一弹簧501和第二弹簧502的凸起4021；所述的方盒形外壳1的内侧壁上设置有用于连接第一弹簧501的第一台阶101和用于连接第二弹簧502的第二台阶102；其中，所述的第一台阶101和第二台阶102分别设置于方盒形外壳1相对侧的侧壁内部。
如图1，所述的第一斜坡状凸起4011和第二斜坡状凸起4012以隔板402为准对称设置。
需要明确的是：相对应的，第一弹性梁2和第二弹性梁3位于测量杆本体4013的同侧，并且所述的第一弹性梁2的另一端紧靠第一斜坡状凸起4011的斜坡状凸起的最低点设置；所述的第二弹性梁3的另一端紧靠第二斜坡状凸起4012的斜坡状凸起的最低点设置。
如图2，所述的第一斜坡状凸起4011和第二斜坡状凸起4012分别位于测量杆本体4013的两侧。
需要明确的是：相对应的，第一弹性梁2和第二弹性梁3位于测量杆本体4013的两侧，并且所述的第一弹性梁2的另一端紧靠第一斜坡状凸起4011的斜坡状凸起的最低点设置；所述的第二弹性梁3的另一端紧靠第二斜坡状凸起4012的斜坡状凸起的最低点设置。
所述的第一斜坡状凸起4011和第二斜坡状凸起4012的斜坡表面与测量杆401表面的夹角为α；该夹角α可设为30°，45°及60°。
需要明确的是：夹角α可以根据实际情况灵活设置。
所述的第一弹性梁2和第二弹性梁3的材质是铝合金。
需要明确的是：等强度梁表面应变与测量位移之间的函数关系与夹角α直接相关，调整夹角α可以实现量程及精度的调整。
所述的测量杆401的材质是铝合金。
所述的方盒形外壳1与盖板8可拆卸的连接。
需要明确的是：方盒形外壳1与盖板8之间可通过螺栓紧固结构进行连接。
需要明确的是：本文中所述的方向性描述均以图1为准。
一种如上述温度自补偿光纤光栅位移传感器的使用方法，所述的测量杆本体4013受到外界待测量结构发生位移时产生的推力，使测量杆本体4013产生移动；当测量杆本体4013发生移动时，测量杆本体4013带动第一斜坡状凸起4011和第二斜坡状凸起4012同时发生位移，导致第一弹性梁2或第二弹性梁3发生弯曲，对应的第二弹性梁3或第一弹性梁2未发生形变；此时，已经发生弯曲的第一弹性梁2或第二弹性梁3上的第一光纤光栅传感器6或第二光纤光栅传感器7发生应变；此时，温度的变化将使上述第一光纤光栅传感器6或第二光纤光栅传感器7发生波长变化，如下式：
其中：λB为光纤光栅的中心波长，ΔλB为设置在发生弯曲的第一弹性梁2或第二弹性梁3上的第一光纤光栅传感器6或第二光纤光栅传感器7的波长变化量，ΔT为温度变化量，Δε为发生弯曲的第一弹性梁2或第二弹性梁3弯曲造成的应变；而对于未发生形变的第二弹性梁3或第一弹性梁2，第二光纤光栅传感器7或第一光纤光栅传感器6未发生应变，仅因温度变化造成了第二光纤光栅传感器7或第一光纤光栅传感器6的发射波长变化，如下式：
其中：λB1为光纤光栅的中心波长，ΔλB1为设置在未发生弯曲的第二弹性梁3或第一弹性梁2上的第二光纤光栅传感器7或第一光纤光栅传感器6的波长变化量，ΔT为温度变化量；
因此，L＝ΔλB-ΔλB1；其中，L为外界待测量结构发生的位移量；ΔλB1为设置在未发生弯曲的第二弹性梁3或第一弹性梁2上的第二光纤光栅传感器7或第一光纤光栅传感器6的波长变化量；ΔλB为设置在发生弯曲的第一弹性梁2或第二弹性梁3上的第一光纤光栅传感器6或第二光纤光栅传感器7的波长变化量。
具体实施例1：如图1，所述的测量杆本体4013受到外界待测量结构发生位移时产生的A方向的推力，使测量杆本体4013向下移动；当测量杆本体4013发生移动时，测量杆本体4013带动第一斜坡状凸起4011和第二斜坡状凸起4012同时发生位移，导致第二弹性梁3发生弯曲，对应的第一弹性梁2未发生形变；此时，已经发生弯曲的第二弹性梁3上的第二光纤光栅传感器7发生应变；此时，温度的变化将使上述第二光纤光栅传感器7发生波长变化，如下式：
其中：λB为光纤光栅的中心波长，ΔλB为设置在发生弯曲的第二弹性梁3上的第二光纤光栅传感器7的波长变化量，ΔT为温度变化量，Δε为发生弯曲的第二弹性梁3弯曲造成的应变；
而对于未发生形变的第一弹性梁2，第一光纤光栅传感器6未发生应变，仅因温度变化造成了第一光纤光栅传感器6的发射波长变化，如下式：
其中：λB1为光纤光栅的中心波长，ΔλB1为设置在未发生弯曲的第一弹性梁2上的第一光纤光栅传感器6的波长变化量，ΔT为温度变化量；
因此，L＝ΔλB-ΔλB1；其中，L为外界待测量结构发生的位移量；ΔλB1为设置在未发生弯曲的第一弹性梁2上的第一光纤光栅传感器6的波长变化量；ΔλB为设置在发生弯曲的第二弹性梁3上的第二光纤光栅传感器7的波长变化量。
在消除A方向的外界作用力后，由于回复组件5的作用，测量组件4复位。
具体实施例II：如图1，所述的测量杆本体4013受到外界待测量结构发生位移时产生的B方向的推力时，使测量杆本体4013向上移动；当测量杆本体4013发生移动时，测量杆本体4013带动第一斜坡状凸起4011和第二斜坡状凸起4012同时发生位移，导致第一弹性梁2发生弯曲，对应的第二弹性梁3未发生形变；此时，已经发生弯曲的第一弹性梁2上的第一光纤光栅传感器6发生应变；此时，温度的变化将使上述第一光纤光栅传感器6发生波长变化，如下式：
其中：λB为光纤光栅的中心波长，ΔλB为设置在发生弯曲的第一弹性梁2上的第一光纤光栅传感器6的波长变化量，ΔT为温度变化量，Δε为发生弯曲的第一弹性梁2弯曲造成的应变；
而对于未发生形变的第二弹性梁3，第二光纤光栅传感器7未发生应变，仅因温度变化造成了第二光纤光栅传感器7的发射波长变化，如下式：
其中：λB1为光纤光栅的中心波长，ΔλB1为设置在未发生弯曲的第二弹性梁3上的第二光纤光栅传感器7的波长变化量，ΔT为温度变化量；
因此，L＝ΔλB-ΔλB1；其中，L为外界待测量结构发生的位移量；ΔλB1为设置在未发生弯曲的第二弹性梁3上的第二光纤光栅传感器7的波长变化量；ΔλB为设置在发生弯曲的第一弹性梁2上的第一光纤光栅传感器6的波长变化量。
在消除B方向的外界作用力后，由于回复组件5的作用，测量组件4复位。
以上所述仅为发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，包括方盒形外壳(1)、一端均设置在方盒形外壳(1)内侧壁上且平行设置的第一弹性梁(2)和第二弹性梁(3)、设置在方盒形外壳(1)内部能够对外界待测量结构发生的位移进行检测的测量组件(4)、用于使测量组件(4)复位的回复组件(5)、分别设置在第一弹性梁(2)和第二弹性梁(3)上的第一光纤光栅传感器(6)和第二光纤光栅传感器(7)以及用于封闭方盒形外壳(1)的盖板(8)；其特征在于：
所述的测量组件(4)包括用于对外界待测量结构发生的位移进行测量的测量杆(401)和垂直设置在测量杆(401)中部的隔板(402)；
其中，所述的测量杆(401)包括测量杆本体(4013)以及测量杆本体(4013)中部设置的直角三角形的第一斜坡状凸起(4011)和第二斜坡状凸起(4012)；该第一斜坡状凸起(4011)和第二斜坡状凸起(4012)分别设置于隔板(402)的两侧且该第一斜坡状凸起(4011)和第二斜坡状凸起(4012)中的直角边均靠近隔板(402)设置；该第一斜坡状凸起(4011)和第二斜坡状凸起(4012)的斜坡表面平整光滑；
其中，所述的方盒形外壳(1)的相对侧侧壁上设置有用于配合测量杆本体(4013)自由滑动的通孔；
其中，所述的第一弹性梁(2)的另一端紧靠第一斜坡状凸起(4011)的斜坡状凸起的最低点设置；所述的第二弹性梁(3)的另一端紧靠第二斜坡状凸起(4012)的斜坡状凸起的最低点设置。
2.根据权利要求1所述的一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述的回复组件(5)包括设置在方盒形外壳(1)内部的相同的第一弹簧(501)和第二弹簧(502)；其中，所述的第一弹簧(501)的一端连接在方盒形外壳(1)的内侧壁上，该第一弹簧(501)的另一端设置在隔板(402)的一侧；所述的第二弹簧(502)的一端设置在方盒形外壳(1)的内侧壁上，该第二弹簧(502)的另一端设置在隔板(402)的另一侧。
3.根据权利要求2所述的一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述的隔板(402)的两侧均设置有用于连接第一弹簧(501)和第二弹簧(502)的凸起(4021)；所述的方盒形外壳(1)的内侧壁上设置有用于连接第一弹簧(501)的第一台阶(101)和用于连接第二弹簧(502)的第二台阶(102)；其中，所述的第一台阶(101)和第二台阶(102)分别设置于方盒形外壳(1)相对侧的侧壁内部。
4.根据权利要求1所述的一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述的第一斜坡状凸起(4011)和第二斜坡状凸起(4012)以隔板(402)为准对称设置。
5.根据权利要求1所述的一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述的第一斜坡状凸起(4011)和第二斜坡状凸起(4012)分别位于测量杆本体(4013)的两侧。
6.根据权利要求1所述的一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述的第一斜坡状凸起(4011)和第二斜坡状凸起(4012)的斜坡表面与测量杆(401)表面的夹角为α；该夹角α可设为30°，45°及60°。
7.根据权利要求1所述的一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述的第一弹性梁(2)和第二弹性梁(3)的材质是铝合金。
8.根据权利要求1所述的一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述的测量杆(401)的材质是铝合金。
9.根据权利要求1所述的一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述的方盒形外壳(1)与盖板(8)可拆卸的连接。
10.一种如权利要求1所述温度自补偿光纤光栅位移传感器的使用方法，其特征在于：所述的测量杆本体(4013)受到外界待测量结构发生位移时产生的推力，使测量杆本体(4013)产生移动；当测量杆本体(4013)发生移动时，测量杆本体(4013)带动第一斜坡状凸起(4011)和第二斜坡状凸起(4012)同时发生位移，导致第一弹性梁(2)或第二弹性梁(3)发生弯曲，对应的第二弹性梁(3)或第一弹性梁(2)未发生形变；此时，已经发生弯曲的第一弹性梁(2)或第二弹性梁(3)上的第一光纤光栅传感器(6)或第二光纤光栅传感器(7)发生应变；此时，温度的变化将使上述第一光纤光栅传感器(6)或第二光纤光栅传感器(7)发生波长变化，如下式：
其中：λB为光纤光栅的中心波长，ΔλB为设置在发生弯曲的第一弹性梁(2)或第二弹性梁(3)上的第一光纤光栅传感器(6)或第二光纤光栅传感器(7)的波长变化量，ΔT为温度变化量，Δε为发生弯曲的第一弹性梁(2)或第二弹性梁(3)弯曲造成的应变；
而对于未发生形变的第二弹性梁(3)或第一弹性梁(2)，第二光纤光栅传感器(7)或第一光纤光栅传感器(6)未发生应变，仅因温度变化造成了第二光纤光栅传感器(7)或第一光纤光栅传感器(6)的发射波长变化，如下式：
其中：λB1为光纤光栅的中心波长，ΔλB1为设置在未发生弯曲的第二弹性梁(3)或第一弹性梁(2)上的第二光纤光栅传感器(7)或第一光纤光栅传感器(6)的波长变化量，ΔT为温度变化量；
因此，L＝ΔλB-ΔλB1；其中，L为外界待测量结构发生的位移量；ΔλB1为设置在未发生弯曲的第二弹性梁(3)或第一弹性梁(2)上的第二光纤光栅传感器(7)或第一光纤光栅传感器(6)的波长变化量；ΔλB为设置在发生弯曲的第一弹性梁(2)或第二弹性梁(3)上的第一光纤光栅传感器(6)或第二光纤光栅传感器(7)的波长变化量。
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