CN109541258B - 光纤光栅加速度和应变传感器及检测方法 - Google Patents

光纤光栅加速度和应变传感器及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明给出了一种光纤光栅加速度和应变传感器，包括两侧支架、金属旋转臂和光纤光栅；两侧支架与被测物体固定，光纤光栅两端分别与金属旋转臂和一个支架固定,金属旋转臂与另一个支架铰接。当环境温度变化时，可旋转臂伸长补偿环境温度引起的光纤光栅波长变化；应变和震动引起的变化的频率不同区分相应的变化，同时也可测量被测物体加速度和应变情况。本发明还给出了一种利用上述传感器检测被测物体加速度或应变量的方法，包括以下步骤：将光纤光栅端部与光纤光栅解调仪及外部控制器连接；当波长变化频率大于0.1Hz，判断为被测物体的为加速度引起的变化；当波长变化频率小于0.1Hz，判断为应变，根据波长变化量计算变为被测物体的应变量或加速度信息。

Description

光纤光栅加速度和应变传感器及检测方法
技术领域
本发明涉及一种光纤传感器，尤其是具有温度补偿的光纤光栅加速度和应变传感器。
本发明还涉及一种利用光纤光栅加速度和应变传感器检测被测物体加速度或应变量的方法。
背景技术
光纤光栅具有许多其它传感器无法比拟的优点：全光测量，在监测现场无电气设备，不受电磁及核辐射干扰；零点无漂移，长期稳定；以反射光的中心波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响；绝对量测量，系统安装及长期使用过程中无需定标；使用寿命长等等，现有技术有通过光纤光栅测量被测物体的加速度或者应变的传感器，但现有技术很少有同时测量物体加速度和应变传感器，并且不能实现准确的温度补偿，在测量结果上误差较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构合理、具有温度补偿的光纤光栅加速度和应变传感器。
本发明所要解决的技术问题是还提供一种利用光纤光栅加速度和应变传感器检测被测物体加速度或应变量的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤光栅加速度和应变传感器；
包括两侧支架、金属旋转臂和光纤光栅；
两侧支架分别是第一支架和第二支架，第一支架和第二支架与被测物体固定连接，金属旋转臂一端与第一支架铰接，金属旋转臂另一端与光纤光栅的一端部固定，光纤光栅的另一端侧壁与第二支架固定；
初始状态，光纤光栅两端预拉，光纤光栅具有预拉伸量，光纤光栅与金属旋转臂都保持水平。
作为本传感器的优选，所述的金属旋转臂的材质为钛合金、铬、合金钢、镍合金、铜、不锈钢、铝合金、锌合金或铝。
作为本传感器的优选，光纤光栅一端与金属旋转臂端部的固定位置为第一固定点，光纤光栅另一端与第二支架的固定位置为第二固定点，金属旋转臂与第一支架的铰接位置为以第一铰接点；
假设，第一固定点与第二固定点之间的光纤光栅长度为d，第一铰接点与第一固定点之间的金属旋转臂长度为L，Pe为光电常数，αFBG为光纤光栅的热膨胀系数，ξ为热光系数ξ＝6.7×10-6/℃，αL为金属旋转臂的热膨胀系数；
初始状态时，
作为本传感器的优选，第一支架侧壁沿上下方向固定连接有两个限位块，金属旋转臂穿过两个限位块之间位置。
采用这样的结构后，根据待测温度要求和封装时环境温度，给光纤光栅一个适当的预拉伸量，使得光纤光栅量程的中心值波长对应于待测温度变化范围的中心值，当被测物体发生振动时，可旋转臂将围绕可旋转固定点做转动，此时光纤光栅长度将发生伸缩变化，光线光栅返回中心波长值也将发生变化，进而实现物体加速度的测量；当被测物体发生应变时，光纤光栅的长度也会相应发生变化，光线光栅返回中心波长值也将发生变化，进而实现物体应变或加速度的测量。
初始状态时，当本光纤光栅加速度和应变传感器满足时，则就可实现金属旋转臂对光纤光栅的温度补偿作用，此时光纤光栅波长的变化Δλ就是被测物体应变量或加速度的函数。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用上述的光纤光栅加速度和应变传感器检测被测物体加速度或应变量的方法，包括以下步骤：
a)将光纤光栅远离金属旋转臂一侧端部与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪收集光纤光栅的波长变化量，外部控制器与光纤光栅解调仪连接；
b)根据步骤a)中的波长变化量，当波长变化频率大于等于0.1Hz，判断为被测物体的为加速度引起被测物体的变化，外部控制器根据光纤光栅解调仪收集光纤光栅的波长变化量计算变为被测物体的加速度信息；
c)根据步骤a)中的波长变化量，当波长变化频率小于0.1Hz，判断为被测物体的为自身应变变化，外部控制器根据光纤光栅解调仪收集光纤光栅的波长变化量计算变为被测物体的应变量信息。
假设，Δλ为光纤光栅的波长变化量，λB为光纤光栅反射波中心波长，ΔT为温度变化值，Δεm为两支架的应变，ΔεL为金属旋转臂在第一铰接点与第一固定点之间的应变，可得：
光纤光栅加速度和应变传感器的灵敏度是被测物体应变量的
根据被测物体自身应变与震动引起的变化的频率不同，用于区分被测物体相应的变化。应变引起的变化，频率很低，一般在0.1Hz以下；而加速度的变化，频率普遍在0.1Hz以上。
当被测物体长度(应变)变化时，金属棒的长度几乎不受影响，被测物体的长度变化全部转移给了光纤光栅，被测物体的长度变化量等于光纤光栅的长度变化量。因此，光纤光栅可以测量被测物体的长度变化。
当被测物体震动(加速度变化)时，金属棒绕着其在支架上的固定点旋转，光纤光栅长度也相应发生变化。因此，光纤光栅可以测量被测物体的加速度的变化。
其中，由应变、温度引起光纤光栅波长变化为：
光纤光栅对环境温度和其自身长度(应变)的变化都敏感；其返回波长都会发生变化，所以需要本光纤光栅加速度和应变传感器具有自行温度补偿的功能，
把(2)式带入(1)式整理可得：
当时，就可实现旋转臂对光纤光栅的温度补偿作用，此时光纤光栅波长的变化Δλ就是被测物体应变量的函数。
采用这样的方法后，可以准确且灵敏的测得被测物体的应变或加速度变化。
附图说明
图1是本光纤光栅加速度和应变传感器实施例一的结构示意图。
图2是本光纤光栅加速度和应变传感器实施例一中第一固定点、第二固定点和第一铰接点的位置关系图。
具体实施方式
实施例一
如图1至2所示。
本光纤光栅加速度和应变传感器包括两侧支架、金属旋转臂4和光纤光栅5。
两侧支架分别是第一支架1和第二支架2，第一支架1下端和第二支架2下端焊接在金属被测物体9(第一支架1和第二支架2与被测物体9的固定方式不仅局限于焊接固定，第一支架1和第二支架2分别通过螺栓固定在被测物体9上或者其他固接方式也可以达到同样的发明效果)，金属旋转臂4右端部与第一支架1上部通过销轴铰接，此销轴水平设置，金属旋转臂4左端与光纤光栅5的右端固定，光纤光栅5的右端通过先胶粘后用压片固定金属旋转臂4左端侧壁上，在光纤光栅5的左端与第二支架2固定，同理光纤光栅5的左部通过先胶粘后用压片固定在第二支架2侧壁上，光纤光栅5的栅区处于金属旋转臂4与第二支架2之间，初始状态，光纤光栅5两端预拉，光纤光栅5具有预拉伸量，光纤光栅5与金属旋转臂4都保持水平。
光纤光栅5一端与金属旋转臂4端部的固定位置为第一固定点6，光纤光栅5另一端与第二支架2的固定位置为第二固定点7，金属旋转臂4与第一支架1的铰接位置为以第一铰接点8。
第一固定点6与第二固定点7之间的光纤光栅5长度为d，第一铰接点8与第一固定点6之间的金属旋转臂4长度为L，Δλ为光纤光栅5的波长变化量，λB为光纤光栅5反射波中心波长，Pe为光电常数Pe≈0.22，αFBG为光纤光栅5的热膨胀系数，ξ为热光系数ξ＝6.7×10-6/℃，ΔT为温度变化值，Δεm为两支架的应变，ΔεL为金属旋转臂4在第一铰接点8与第一固定点6之间的应变，αL为金属旋转臂4的热膨胀系数。
第一支架1侧壁沿上下方向焊接有两个限位块3，金属旋转臂4穿过两个限位块3之间位置，相对第一铰接点8位置两个限位块3处于靠近光纤光栅5，两个限位块3可以限制金属旋转臂4的摆动幅度，避免金属旋转臂4的摆动角度φ过大将光纤光栅5拉断。
如图2所示。
当物体振动时光栅长度变换量为:对于10mm的光栅，其变化量达到几十纳米才可能被拉断，所以可根据上述公式确定旋转臂的旋转角度限位。
当环境温度变化时，在光纤光栅5长度不变的情况下，因为热光效应的缘故，其返回波长也发生变化。这种温度造成的影响，可以通过温度引起的金属旋转臂4的长度的变化，予以抵消。
温度引起的金属旋转臂4长度的变化转移给了光纤光栅5，使得光纤光栅5的长度发生了大小相同、方向相反的变化。光纤光栅5的长度的变化，引起了其返回波长的变化；通过合理选择可旋转臂的热膨胀系数和长度，该返回波长的变化可以抵消热光效应造成的光纤光栅5的波长变化。
需要满足：
本实施例中金属旋转臂4采用铝材料，其热膨胀系数αL＝23.2×10-6/℃；光纤光栅5的长度L＝20mm，其热膨胀系数αFBG＝5.5×10-7/℃，则由可计算出旋转臂的长度L＝8mm。
利用上述的光纤光栅加速度和应变传感器检测被测物体加速度或应变量的方法，包括以下步骤：
a)将光纤光栅5远离金属旋转臂4一侧端部与光纤光栅5解调仪连接，光纤光栅5解调仪收集光纤光栅5的波长变化量，外部控制器与光纤光栅5解调仪连接(外部控制器可以是电脑、单片机等处理设备)；
b)根据步骤a)中的波长变化量，当波长变化频率大于等于0.1Hz，判断为被测物体9的为加速度引起被测物体9的变化，外部控制器根据光纤光栅5解调仪收集光纤光栅5的波长变化量计算变为被测物体9的加速度信息(通过光纤光栅5的波长变化量计算变为被测物体9的加速度或应变信息是本领域的公知技术，再次不进行一一赘述)；
c)根据步骤a)中的波长变化量，当波长变化频率小于0.1Hz，判断为被测物体9的为自身应变变化，外部控制器根据光纤光栅5解调仪收集光纤光栅5的波长变化量计算变为被测物体9的应变量信息。
光纤光栅5测量的灵敏度是被测物体9应变量的
实施例二至九
以下实施例与实施例一的区别仅仅在于：金属旋转臂采用不同的金属材料，配合光纤光栅的长度L＝20mm，光纤光栅的热膨胀系数αFBG＝5.5×10-7/℃，在环境温度变化时，也可以使光纤光栅加速度和应变传感器具有自行温度补偿的技术效果，具体请见下表：
金属 热膨胀系数 对应旋转臂长度(mm)
实施例二 钛合金 αL＝4.1×10-6℃ 45.3
实施例三 铬 αL＝6.2×10-6℃ 30
实施例四 合金钢 αL＝8.6×10-6℃ 21.6
实施例五 镍合金 αL＝9.2×10-6℃ 20.2
实施例六 铜 αL＝9.8×10-6℃ 19
实施例七 不锈钢 αL＝10.4×10-6℃ 17.9
实施例八 铝合金 αL＝16.3×10-6℃ 11.4
实施例九 锌合金 αL＝19.3×10-6℃ 9.6
以上所述的仅是本发明的九种实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围，比如，金属得材质变化，或者因为金属材质变化伴随其热膨胀系数变化进而金属旋转臂长度也会发生改变等等。

Claims (2)

1.利用光纤光栅加速度和应变传感器检测被测物体加速度或应变量的方法；
所述光纤光栅加速度和应变传感器包括两侧支架、金属旋转臂和光纤光栅；
两侧支架分别是第一支架和第二支架，第一支架和第二支架与被测物体固定连接，金属旋转臂一端与第一支架铰接，金属旋转臂另一端与光纤光栅的一端部固定，光纤光栅的另一端侧壁与第二支架固定；
初始状态，光纤光栅两端预拉，光纤光栅具有预拉伸量，光纤光栅与金属旋转臂都保持水平；
所述的金属旋转臂的材质为钛合金、铬、合金钢、镍合金、铜、不锈钢、铝合金、锌合金或铝；
光纤光栅一端与金属旋转臂端部的固定位置为第一固定点，光纤光栅另一端与第二支架的固定位置为第二固定点，金属旋转臂与第一支架的铰接位置为以第一铰接点；
假设，第一固定点与第二固定点之间的光纤光栅长度为d，第一铰接点与第一固定点之间的金属旋转臂长度为L，Pe为光电常数，αFBG为光纤光栅的热膨胀系数，ξ为热光系数ξ＝6.7×10-6/℃，αL为金属旋转臂的热膨胀系数；
初始状态时，
第一支架侧壁沿上下方向固定连接有两个限位块，金属旋转臂穿过两个限位块之间位置；
检测被测物体加速度或应变量的方法，包括以下步骤：
a)将光纤光栅远离金属旋转臂一侧端部与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪收集光纤光栅的波长变化量，外部控制器与光纤光栅解调仪连接；
b)根据步骤a)中的波长变化量，当波长变化频率大于等于0.1Hz，判断为被测物体的为加速度引起被测物体的变化，外部控制器根据光纤光栅解调仪收集光纤光栅的波长变化量计算变为被测物体的加速度信息；
c)根据步骤a)中的波长变化量，当波长变化频率小于0.1Hz，判断为被测物体的为自身应变变化，外部控制器根据光纤光栅解调仪收集光纤光栅的波长变化量计算变为被测物体的应变量信息；
假设，Δλ为光纤光栅的波长变化量，λB为光纤光栅反射波中心波长，ΔT为温度变化值，Δεm为两支架的应变，ΔεL为金属旋转臂在第一铰接点与第一固定点之间的应变，可得：
2.根据权利要求1所述的检测被测物体加速度或应变量的方法，其特征是：光纤光栅加速度和应变传感器测量的灵敏度是被测物体应变量的倍。
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