CN110132467B - 光纤光栅压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明给出了一种光纤光栅压力传感器；包括顶盖、底座、光纤光栅、导杆、第一弹簧、第二弹簧和第三拉簧；底座上端面开有安装槽，底座开有通孔，光纤光栅穿过通孔，光纤光栅与通孔内壁固定连接，光纤光栅中部通过中心支撑臂与安装槽底部固定，中心支撑臂与两侧安装槽侧壁之间的光纤光栅为两个栅区；顶盖设有凸台，凸台开有导向槽，导杆上端伸入导向槽内，导杆的下端与光纤光栅的一个栅区的中点接触；第一弹簧上端抵靠在顶盖上且下端抵靠在底座上，第二弹簧上端抵靠在导向槽上壁且下端抵靠在导杆上端面上，第三拉簧下端与导杆固定且上端与顶盖的凸台固定。有益技术效果为：结构简单、封装工艺简单，具有温度补偿的功能，可对压力实现精确测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅压力传感器。
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；体积小、重量轻、灵敏度高、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、易于复用和够成传感网络等等。
由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分，因此，解决交叉敏感问题，是实现应力准确测量及实用化前提，现有的光纤光栅传感器一般采用在光纤光栅的一端增加温敏金属来实现温度补偿，但此种技术提高了封装工艺的复杂度和难度，例如金属长度与光纤光栅的长度有一定比例关系，稍有偏差则温度补偿不完全。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种剔除温度影响的光纤光栅压力传感器。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤光栅压力传感器；
包括顶盖、底座、光纤光栅、导杆、第一弹簧、第二弹簧和第三拉簧；
底座上端面开有安装槽，底座开有贯穿其两侧侧壁的通孔，通孔经过安装槽，光纤光栅穿过底座的通孔，光纤光栅两端伸出底座外侧，光纤光栅分别与处于安装槽两侧的通孔内壁固定连接，处于安装槽内的光纤光栅中部通过中心支撑臂与安装槽底部固定，中心支撑臂与两侧安装槽侧壁之间的光纤光栅为两个栅区，两个栅区的长度相同，两个栅区的中心波长不同且测量时两个栅区不会出现中心波长重合区域；
顶盖设有与底座安装槽配合的凸台，凸台下端面开有竖直的导向槽，导杆上端伸入导向槽内，导杆的下端与光纤光栅的任意一个栅区的中点接触；
第一弹簧上端抵靠在顶盖上，第一弹簧下端抵靠在底座上，第二弹簧上端抵靠在导向槽上壁，第二弹簧下端抵靠在导杆上端面上，第三拉簧下端与导杆固定，第三拉簧上端与顶盖的凸台固定；
初始状态时，第一弹簧和第二弹簧具有可被压缩的余量，并且第一栅区和第二栅区保持水平状态。
为了更清楚的理解本发明的技术内容，以下将本光纤光栅压力传感器简称为本传感器。
作为本传感器的优选，顶盖上端面开有与导向槽相通的螺纹孔，调节螺栓与顶盖的螺纹孔配合，调节螺栓的下端伸入导向槽内，第二弹簧上端抵靠在调节螺栓的下端，第二弹簧下端抵靠在导杆上端面上。
作为本传感器的优选，底座的安装槽内壁上部开有限位环槽，顶盖的凸台侧壁上部设有与限位环槽配合的限位凸环，限位凸环的下端伸入限位环槽内，初始状态时，限位凸环下端面与限位环槽上端面之间具有间隙。
作为本传感器的优选，第一弹簧的倔强系数大于第二弹簧的倔强系数，第二弹簧的倔强系数大于第三拉簧的倔强系数。
本传感器利用光纤光栅对应变非常敏感这一特征，通过把光纤光栅的两端分别与底座两侧支撑固定，两光纤光栅之间的中点部分与中心支撑臂固定；当顶盖受到压力作用时，引起第一弹簧、第二弹簧、第三拉簧发生形变，进而引起传力导杆向下移动，导致光纤光栅的对应的栅区发生形变，引起其波长变化，简洁实现压力测量。
当环境温度变化时，环境温度引起的光纤光栅的两个栅区波长变化比((αFBG+ξ)ΔT)是一样的，只需利用导杆作用的光纤光栅对应栅区温度引起的波长变化比减去光纤光栅的另一栅区温度引起的波长变化比，就可实现温度的精确补偿。
本传感器的有益技术效果为：结构简单、封装工艺简单，具有温度补偿的功能，进而可对压力实现精确测量。
附图说明
图1是本传感器实施例的结构示意图的剖视图。
图2是图1的A部放大图。
图3是本传感器实施例顶盖的剖视图。
图4是本传感器实施例底座的剖视图。
图5是本传感器实施例光纤光栅第二栅区的力学模型图。
具体实施方式
如图1至4所示
本传感器包括顶盖4、底座1、光纤光栅2、导杆3、第一弹簧51、第二弹簧52和第三拉簧53。
底座1采用一体成型工艺，底座1大体为圆柱体状，底座1上部边缘开有供第一弹簧51放置的弹簧槽口11，底座1上端面中心位置开有柱状的安装槽12，底座1下部沿其径向方向开有贯穿其两侧侧壁的通孔13，通孔13经过安装槽12，底座1的安装槽12内壁上部开有限位环槽12a。
光纤光栅2穿过底座1的通孔13，光纤光栅2两端伸出底座1外侧，光纤光栅2分别与处于安装槽12两侧的通孔13内壁通过粘接固定，安装槽12底壁上焊接固定有中心支撑臂14，光纤光栅2与中心支撑臂14之间也通过粘接固定，中心支撑臂14与两侧安装槽12侧壁之间的光纤光栅2为两个栅区，两个栅区分别为左侧的第一栅区21和右侧的第二栅区22，第一栅区21和第二栅区22的长度相同，第一栅区21和第二栅区22的中心波长不同且测量时第一栅区21和第二栅区22不会出现中心波长重合区域。
顶盖4也采用一体成型工艺，顶盖4下端面边缘位置设有罩体41，罩体41卡合在底座1外侧，顶盖4下端面中心位置设有与底座1安装槽12配合的凸台42，凸台42伸入底座1的安装槽12内，凸台42下端面开有竖直的导向槽42a，导向槽42a对准第二栅区22的中点位置，顶盖4上端面开有与导向槽42a相通的螺纹孔，调节螺栓43与顶盖4的螺纹孔配合，调节螺栓43的下端伸入导向槽42a内，导杆3上端伸入导向槽42a内，导杆3的下端为尖端，导杆3的下端与光纤光栅2的任意一个栅区的中点接触，顶盖4的凸台42侧壁上部设有与限位环槽12a配合的限位凸环42b，限位凸环42b的下端伸入限位环槽12a内。
第一弹簧51上端抵靠在顶盖4上，第一弹簧51下部处于底座1的弹簧槽口11内且第一弹簧51下端抵靠在底座1上，第二弹簧52上端抵靠在调节螺栓43的下端，第二弹簧52下端导杆3上端面上，第三拉簧53下端与导杆3伸出导向槽42a下侧长度的中点位置固定，第三拉簧53上端与顶盖4的凸台42固定；
第一弹簧51的倔强系数大于第二弹簧52的倔强系数，第二弹簧52的倔强系数大于第三拉簧53的倔强系数，并且在整个压力测量过程中第三拉簧53始终处于拉伸状态。
初始状态时，顶盖4不受压力，第一弹簧51和第二弹簧52具有可被压缩的余量，并且第一栅区21和第二栅区22保持水平状态，限位凸环42b下端面与限位环槽12a上端面之间具有间隙，导杆3恰好与光纤光栅2的第二栅区22中点接触，但导杆3不对第二栅区22产生作用力，光纤光栅2保持水平。
当传感器顶盖4受力时，其大小为：
F＝k1Δx1+(k2-k3)Δx2 (1)
其中，k1、k2、k3分别为第一弹簧51、第二弹簧52及第三拉簧53的倔强系数，Δx1为第一弹簧51的形变量，Δx2为第二弹簧52、第三拉簧53的形变量(通过分析可知，第二弹簧52、第三拉簧53的形变量是相等的)。
光纤光栅力学模型如图5所示。因光纤光栅2需要一定的预拉，设其预应力为Fb，在导杆力Fd作用下，光纤光栅2的第二栅区22的轴向应变变化量为：
其中，ΔεFBG2为代表是光纤光栅的第二栅区22的应变量，d为光纤光栅2的任意一个栅区长度的一半(光纤光栅两个栅区的长度都为2d)，Δx3为光纤光栅2受到导杆的作用力后接触位置移动的垂直距离。
在导杆力Fd作用下，光纤光栅2的第二栅区22产生的应力为：
其中S为光纤光栅2第一栅区21或第二栅区22的横截面面积，E为光纤光栅2的杨氏模量。
则导杆力Fd为：
其中，α为光纤光栅2的第二栅区22在导杆力作用下偏离位置与原平恒位置的夹角。
对整个传感器进行力学分析易得，导杆3对顶盖4的作用力与导杆3对光纤光栅2的作用力相等，可表示为
Fd＝(k2-k3)Δx2 (5)
而形变量满足下面的关系式：
Δx1-Δx3＝Δx2 (6)
由应变、温度引起光纤光栅波长变化为：
Δλ＝λB(1-Pe)ΔεFBG+λB(αFBG+ξ)ΔT (7)
其中Δλ为光纤光栅2的波长变化量，λB为光纤光栅2反射波中心波长，Pe为光电常数(Pe≈0.22)，αFBG为光纤光栅2的热膨胀系数(αFBG＝5.5×10-7/℃)，ξ为热光系数(ξ＝6.7×10-6/℃)，ΔT为温度变化值。
测量时光纤光栅2的两个栅区的波长变化量分别为：
Δλ1＝λB1(1-Pe)ΔεFBG1+λB1(αFBG+ξ)ΔT (8)
Δλ2＝λB2(1-Pe)ΔεFBG2+λB2(αFBG+ξ)ΔT (9)
测量时只有导杆力作用下光纤光栅2的第二栅区22在受到应力变化的影响，则：
ΔεFBG1＝0 (10)
把(2)、(10)式带入(8)、(9)式整理可得：
Δλ1＝λB1(αFBG+ξ)ΔT (11)
求解(11)、(12)式可得：
进一步地联立(1)、(4)、(5)、(6)和(13)式可得：
其中，
根据上述公式在收到光纤光栅2反馈的波长后，可以准确计算出本传感器顶盖所受得作用力。
以上所述的仅是本发明的一种实施方式，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。
Claims (2)
1.一种光纤光栅压力传感器，其特征为：
包括顶盖、底座、光纤光栅、导杆、第一弹簧、第二弹簧和第三拉簧；
底座上端面开有安装槽，底座开有贯穿其两侧侧壁的通孔，通孔经过安装槽，光纤光栅穿过底座的通孔，光纤光栅两端伸出底座外侧，光纤光栅分别与处于安装槽两侧的通孔内壁固定连接，处于安装槽内的光纤光栅中部通过中心支撑臂与安装槽底部固定，中心支撑臂与两侧安装槽侧壁之间的光纤光栅为两个栅区，两个栅区的长度相同，两个栅区的中心波长不同且测量时两个栅区不会出现中心波长重合区域；
顶盖设有与底座安装槽配合的凸台，凸台下端面开有竖直的导向槽，导杆上端伸入导向槽内，导杆的下端与光纤光栅的任意一个栅区的中点接触；
第一弹簧上端抵靠在顶盖上，第一弹簧下端抵靠在底座上，第二弹簧上端抵靠在导向槽上壁，第二弹簧下端抵靠在导杆上端面上，第三拉簧下端与导杆固定，第三拉簧上端与顶盖的凸台固定；
初始状态时，第一弹簧和第二弹簧具有可被压缩的余量，并且第一栅区和第二栅区保持水平状态；
所述的顶盖上端面开有与导向槽相通的螺纹孔，调节螺栓与顶盖的螺纹孔配合，调节螺栓的下端伸入导向槽内，第二弹簧上端抵靠在调节螺栓的下端，第二弹簧下端抵靠在导杆上端面上；
底座的安装槽内壁上部开有限位环槽，顶盖的凸台侧壁上部设有与限位环槽配合的限位凸环，限位凸环的下端伸入限位环槽内，初始状态时，限位凸环下端面与限位环槽上端面之间具有间隙。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征是：
第一弹簧的倔强系数大于第二弹簧的倔强系数，第二弹簧的倔强系数大于第三拉簧的倔强系数。
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