CN110940442A - 一种基于法布里-珀罗原理的高灵敏度测力计及测力方法 - Google Patents
一种基于法布里-珀罗原理的高灵敏度测力计及测力方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及紧密测量设备领域，具体涉及一种基于法布里‑珀罗原理的高灵敏度测力计及测力方法。它包括光纤，光线保护套，弹性薄片，弹性薄片夹具，受力变形体，受力杆和FBG光纤温度传感器。基本原理是利用薄片在失稳以后的工况下，压缩量与中间位置挠度之间的关系来放大轴向位移变化量，从而达到高精度的监测。通过压杆原理，可以使弹性薄片很小的轴线位移变成很大的中点法向位移，通常情况下，放大倍数可以达到6倍以上，因而可以提高测量精度。同时通过结构设计，本发明的测量装置的工作温度可以在0‑80℃之间，可测量结构在静力和动力作用下的拉力或压力的大小。而且该测力计不会受任何电磁信号的干扰，温度对力的影响可以通过温度补偿修正。
Description
技术领域
本发明涉及紧密测量设备领域，具体涉及一种基于法布里-珀罗原理的高灵敏度测力计及测力方法。
背景技术
EFPI传感器多用于测量压强、应变或者温度等参数，但是都是基于最简单的结构形式和机理。以测力计为例，都是用一个梁或者圆柱体等形状的物体作为受压变形体，用FBG或者EFPI传感器测出受力变形体受力后发生的应变，再根据受力变形体的刚度即可确定力的大小。缺点是材料的变形都较小，会导致测量精度低；如果变形较大，又导致变形体容易发生疲劳，从而刚度降低并产生零漂。测量精度问题限制了测量装置的使用范围。
发明内容
为此，本发明要解决现有技术中测量精度低的技术问题，从而提供一种长度短且精度高的基于法布里-珀罗原理的测力计及测力方法。
本发明提供一种基于法布里-珀罗原理的高灵敏度测力计，包括光纤，光线保护套，弹性薄片，弹性薄片夹具，受力变形体，受力杆和FBG光纤温度传感器。
所述受力变形体形成有密封的容纳腔，并在测力计受力后，受力变形体发生变形，导致弹性薄片发生轴向位移。
所述两个夹具一个固定在受力变形体密封腔内的底部，一个固定在密封腔内的顶部，并分别夹持住所述弹性薄片两端。
所述弹性薄片沿着所述外壳的轴向设置在所述容纳腔内，对着光纤端面的一面为反光面，并且所述膜片中心发生位移时时能够使所述弹性薄片受轴向的挤压力而发生弹性形变。
所述光纤从所述外壳上伸入并对准所述弹性薄片反光面的中间位置。
优选地，本发明的基于法布里-珀罗原理的测力计测力方法，所述夹具与所述弹性薄片两端为铰接或者刚性连接。
包括以下步骤:
当外力发生变化时，受力变形体发生变形，使得两个夹具之间的距离发生变化，即弹性薄片受到轴向拉伸或压缩，从而使得弹性薄片中点挠度发生变化。通过测量弹性薄片挠度的变化量来反映力的大小。
通过EFPI光纤传感器测量弹性薄片中间位置的挠度，使用FBG光纤温度传感器测量温度。
根据测量得到的温度和挠度得到待检测的力的大小。
优选地，本发明的基于法布里-珀罗和压杆失稳原理的测力计，
薄片受压失稳的的计算公式为
，其中抗弯刚度为EI=Ewt3/12，Pcr为轴向载荷，所述弹性薄片的长度为l，宽度为w，厚度为t，弹性模量为E，μ与边界条件有关，两端铰接，μ=1，两端刚接，μ=0.5。由于薄片的厚度t非常小，所以失稳的荷载Pcr很小。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明的基于法布里-珀罗与压杆原理的测力计的基本原理是利用薄片在失稳以后的工况下，压缩量与中间位置挠度之间的关系来放大受力变形体顶部和底部中心点的相对移动距离，从而达到高精度的监测力的大小。通过压杆原理，可以使很小的轴向位移（即受力变形体顶部和底部中心点的相对移动距离）变成很大的法向位移，通常情况下，放大倍数可以达到6倍以上，因而可以极大地缩短整个测量装置的总长度并且确保测量精度。同时本发明的测量装置的工作温度可以在-30-80℃之间，可测量静力和动力的大小和环境温度。不会受任何电磁信号的干扰，温差很大时，可以通过FBG读取的温度进行温度补偿。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的基于法布里-珀罗原理和压杆失稳的传感器的原理示意图。
图2是基于法布里-珀罗原理和压杆失稳的测力计的结构示意图。
图3是图1工况中，中点法向最大挠度ymax与轴向压杆位移x之间的关系曲线图。
图4是图1工况中，中点法向最大挠度ymax对x的导数与轴向位移x之间的关系曲线图。
图5是两端为铰接时，基于法布里-珀罗原理和压杆失稳的传感器的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
参见图1－5：1-光纤（端部可以有FBG），2-光线保护套，3-弹性薄片，4-弹性薄片的夹具，5-受力变形体，6-受力杆。
实施例1
本发明提供了一种基于法布里-珀罗原理的高灵敏度测力计，方案如图1、图2所示：
包括光纤（1），光纤保护套（2），弹性薄片（3），弹性薄片夹具（4），受力变形体（5），受力杆（6）和FBG光纤温度传感器。
受力变形体（5）受到外力时顶部和底部中心点之间的距离会发生变化，即两个弹性薄片夹具能够在轴向（图2中上下方向）上发生相对移动，从而推动弹性薄片（3）在轴向发生压缩，使得弹性波片中点的挠度发生变化，进而使得EFPI的干涉腔长的发生改变。所述两个弹性薄片夹具（4）分别与受力变形体容纳腔内顶部和底部的中心点，且在夹住弹性薄片（3）的两端。
所述弹性薄片（3）沿着所述外壳的轴向设置在受力变形体（5）内，对着光纤端部的一面为反光面，并且所述受力变形体（5）发生变形时能够使所述弹性薄片（3）受所述外壳轴向的拉力或压力，进而使得中点处的挠度发生变化。
所述受力变形体（5）是密封腔。
所述光纤1从所述受力变形体（5）上伸入并对准所述弹性薄片（3）反光面的中间位置，所述光纤（1）优选套设在光纤保护套（2）内起到保护光纤（1）的作用。
所述FBG传感器可以对EFPI测力计进行温度补偿。
所述弹性薄片夹具（4）与所述弹性薄片（3）优选为刚性连接，也即弹性薄片（3）的两端伸入到弹性薄片夹具（4）内并受弹性薄片夹具（4）夹紧固定，也就是两端固定连接，如图1和图2所示。当然也可以为铰接，如图5所示。
弹性薄片（3）对着光纤1的那一面为反光面，在法布里-珀罗光纤传感器中起到反射镜的作用，可以是抛光处理的表面或者涂覆反光涂层。
如图1所示，本实施例的一种基于法布里-珀罗原理的高灵敏度测力计的基本原理是利用薄片在失稳以后的工况下，压缩量与中间位置（优选为中点位置）挠度之间的关系来放大受压膜片中点的挠度变化量，从而达到高精度的监测。通过弹性薄片夹具（4）夹住弹性薄片（3），弹性薄片（3）可以是金属材料，也可以是非金属材料，但是面向光纤（1）端头的一侧是反光的。夹住弹性薄片（3）以后，对弹性薄片（3）的中点有一个背离光纤反向的扰动，这样，在挤压弹性薄片（3）的过程中，腔长会越来越大。当然，腔长越来越小也可以，但是要适当的调节好初始腔长。这里以弹性薄片（3）失稳方向背离光纤为例，也就是弹性薄片（3）的中点向下运动。
力发生改变时，传感器的受力变形体（5）发生变形，受力变形体（5）的顶部和底部的中心点之间的距离发生变化，从而带动上下两个弹性薄片夹具（4）的间距发生变化，也就是弹性薄片（3）会被拉伸或压缩，这样，弹性薄片（3）中点的挠度会变化，也就是干涉腔长发生了变化，通过测出干涉腔长的变化程度和受力变形体（5）的刚度，来反映外部力的大小。
如图3和图4所示，轴向为x，重点的挠度方向（也就是光纤所在的方向）为y，弹性薄片（3）的长度为l，宽度为w，厚度为t，弹性模量为E，则抗弯刚度为EI=Ewt3/12。因为t很小，所以弹性薄片（3）的抗弯刚度也很小。因此失稳的荷载为Pcr也很小，其中μ与边界条件有关，两端铰接，μ=1，两端刚接，μ=0.5。
通过失稳以后的压杆的方法来进行测量，是本专利的核心设计思想，也就是弹性薄片（3）失稳以后，压杆位移x和中点最大挠度y之间的关系。通过理论分析，在图1的工况下，可以得到中点法向最大挠度ymax与失稳后的轴向压杆位移x之间的关系曲线图如图3所示。中点法向最大挠度ymax对x的导数与轴向位移x之间的关系曲线图如图4所示。从图3中可以看出，按照轴向压缩量从0.3mm到0.4mm的过程中，法向的中点挠度变化量，也就是干涉腔长的变化量达到了0.76mm，也就是对轴向位移的放大倍数达到了7.6倍。通过压杆原理，可以使很小的轴线位移变成很大的法向位移，通常情况下，放大倍数可以达到6倍以上，因而可以极大地缩短整个测量装置的总长度并且确保测量精度。同时通过结构设计，上述实施例的测量装置的工作温度可以在0-80℃之间，可测量结构静力和动力的大小以及环境温度。温度的影响可以通过FBG温度传感器进行温度补偿来实现。
上述实施例的技术方案基于非本征法布里-珀罗干涉(EFPI)原理和压杆原理，提出一种全新的高精度高灵敏度的测力计的新型结构，能够高精度的测出-30-80℃下的力的大小。光学上使用的是EFPI最简单的形式，即一根光纤垂直于一个起到反射镜作用的反光面，可以是全反射，也可以是非全反射，方便制作，重点在于传感器的结构形式和密封装置。测力计可以放大力对受力变形体变形程度的影响，从而提高测力计的灵敏度和精度。
实施例2
本实施例提供一种基于法布里-珀罗原理的高灵敏度测力计测力方法，
包括以下步骤:
对受力杆（6）施加拉力或压力，受力变形体（3）发生变形，使得受力变形体（5）的顶部和底部的中心点之间的距离发生变化，从而带动上下两个弹性薄片夹具（4）的间距发生变化，也就是弹性薄片（3）会被拉伸或压缩，这样，弹性薄片13中点的挠度会变化，也就是干涉腔长发生了变化，通过测出干涉腔长的变化程度和受力变形体（5）的刚度，来反映外部力的大小。
通过EFPI光纤传感器测量弹性薄片中间位置的挠度，使用FBG光纤温度传感器测量温度。
根据测量得到的挠度和测力计的刚度即可得到待检测的力的大小，必要时进行温度补偿。
优选地，弹性薄片受到的轴向载荷的计算方法为
，其中抗弯刚度为EI=Ewt3/12，Pcr为轴向载荷，所述弹性薄片（3）的长度为l，宽度为w，厚度为t，弹性模量为E，μ与边界条件有关，两端铰接，μ=1，两端刚接，μ=0.5。
本实施例的基于法布里-珀罗原理和压杆失稳原理的测力计的方法的优点与实施例1中所述优点相同。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种基于法布里-珀罗原理的高灵敏度测力计，其特征在于，包括光纤（1）、弹性薄片（3）、弹性薄片夹具（4）、和受力变形体（5）、非本征法布里珀罗干涉（EFPI）光纤传感器和FBG光纤温度传感器；
所述受力变形体（5）成有密封的容纳腔，内部有夹具和弹性薄片以及光纤；
所述夹具（4）固定在所述外壳上并分别夹持住所述弹性薄片（3）两端；
所述弹性薄片（3）沿着所述外壳的轴向设置在所述容纳腔内，对着光纤（1）端面的一面为反光面，并且所述外壳伸缩时能够使所述弹性薄片（3）受所述外壳轴向的挤压力而发生压杆失稳导致的弹性形变，从而使弹性薄片中点处的挠度发生变化；
所述光纤（1）被保护套（2）保护，且从所述外壳（5）上伸入外壳内并对准所述弹性薄片（3）反光面的中间位置；
所述EFPI光纤传感器和FBG光纤温度传感器, 均设置在所述光纤（1）位于所述容纳腔部分的端部。
2.根据权利要求1所述的一种基于法布里-珀罗原理的高灵敏度测力计，其特征在于，所述夹具（4）与所述弹性薄片（3）两端为铰接或者刚性连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于法布里-珀罗原理的高灵敏度测力计，其特征在于，
利用受力变形体（5）受力后导致受力变形体顶部和底部之间的距离发生变化，也就是弹性薄片（3）沿着轴线方向有一定的拉伸或压缩量，由于弹性薄片（3）已经失稳，因此，这个压缩量会导致弹性薄片（3）的中点发生很大的挠度变化，挠度变化量一般为轴向拉伸或压缩量的6倍以上；从而改变了弹性薄片（3）中点到光纤（1）断面的距离，即改变了EFPI传感器的腔长，通过腔长的改变量与力的大小之间的关系进行标定，即可做成测力计。
4.根据权利要求3所述的一种基于法布里-珀罗原理的高灵敏度测力计，其特征在于，受力变形体（5）是密封连接的；光纤（1）通过保护套（2）和受力变形体（5）确保光纤插入受力变形体（5）的地方不会进水汽和杂质等影响光谱的干扰因素。
5.一种基于法布里-珀罗原理的高灵敏度测力计测力方法，其特征在于，
包括以下步骤:
对受力杆（6）上施加待检测的力的大小，使得受力变形体（5）发生变形，从而导致弹性薄片（3）沿着轴线方向发生压缩，从而导致弹性薄片（3）的中心点的挠度发生变化；
通过EFPI光纤传感器测量弹性薄片中间位置的挠度，使用FBG光纤温度传感器测量温度；
根据挠度、受力变形体的刚度和相应的温度补偿得到待检测的实际力的大小。
6.根据权利要求5所述的一种基于法布里-珀罗原理的高灵敏度测力计测力方法，其特征在于，弹性薄片（3）受到轴向压力的载荷的计算方法为
，其中抗弯刚度为EI=Ewt3/12，Pcr为轴向载荷，所述弹性薄片（3）的长度为l，宽度为w，厚度为t，弹性模量为E，μ与边界条件有关，两端铰接，μ=1，两端刚接，μ=0.5。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200331 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |