CN113008424B - 一种基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置，主要由主体、悬臂梁、弹性元件和压力盖组成。主体包括第一侧壁和底盖，第一侧壁的一端设置有环形凹槽。悬臂梁的一侧设置有第一光纤光栅，悬臂梁的另一侧设置有第二光纤光栅。弹性元件的一端固定在底盖的内侧，另一端抵接在悬臂梁的下侧端面。压力盖包括第二侧壁、顶盖和顶杆，第二侧壁滑动设置在环形凹槽内，顶杆设置在顶盖的内侧。悬臂梁两侧设置有第一光纤光栅和第二光纤光栅，既可有效地起到温度补偿的作用，又可提高传感装置灵敏度。通过设置弹性元件实现在小土压力测量中的高灵敏度、在大土压力测量中的大量程，适用于不同大小土压力量测情况。
Description
技术领域
本发明涉及传感装置领域，特别涉及一种基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置。
背景技术
压力传感装置是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置，广泛应用于智能建筑、铁路交通、航空航天、水利水电、电力、船舶、机床、管道等众多行业。目前市场上的压力传感装置从敏感元件上主要分为电阻应变式和光纤光栅式，电阻应变式压力传感装置虽然具有精度高、测量范围广、使用寿命长、频率响应较好等优点，但易受电磁干扰，在一些易燃易爆、强电磁干扰等恶劣环境中，电阻应变式压力传感装置的优点无法体现。而光纤光栅式压力传感装置作为近年快速发展起来的一种新型压力传感装置件，克服了传统的电阻应变式压力传感装置的不足，分辨率高，不受电磁干扰，广泛应用于各种复杂环境。
目前现有的光纤光栅压力传感装置难以兼顾大量程、高灵敏度与小体积。量程增大，体积尺寸会随之增大，对周围土体原有结构及应力分布产生影响，土压力测量产生偏差；灵敏度提高，量程会随之减小，不能用于大土压力的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置，便于变换传感装置量程。
本发明所采用的技术方案是：一种基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置，包括：
主体，包括第一侧壁和底盖，所述第一侧壁为环状薄壁，所述底盖设置在所述第一侧壁的一端，所述第一侧壁的另一端设置有环形凹槽；
悬臂梁，包括固定端和悬臂端，所述固定端固定在所述第一侧壁的内侧，所述悬臂梁的一侧设置有第一光纤光栅，所述悬臂梁的另一侧设置有第二光纤光栅；
弹性元件，所述弹性元件的一端固定在所述底盖的内侧，所述弹性元件的另一端抵接在所述悬臂梁的悬臂端；以及
压力盖，包括第二侧壁、顶盖和顶杆，所述顶盖设置在所述第二侧壁的一端，所述第二侧壁的另一端滑动设置在所述环形凹槽内，所述顶杆设置在所述顶盖的内侧，所述顶杆和所述弹性元件位于同一垂线上。
有益效果：该基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置设置有第一光纤光栅和第二光纤光栅，分别固定在该悬臂梁的上下两个表面，既可有效地起到温度补偿的作用，又可提高该基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置灵敏度。通过设置弹性元件实现在小土压力测量中的高灵敏度、在大土压力测量中的大量程，适用于不同大小土压力量测情况。该悬臂梁、第一光纤光栅和第二光纤光栅充分接触且协同变形，解决了裸光纤光栅由于其脆弱、纤细、容易折断且抗剪能力差等特点和难以在土木工程中直接达到实际应用的问题，且能够变换传感装置量程，实现大压力测量。
进一步地，所述主体和所述压力盖均设置为圆柱形。
进一步地，所述顶杆设置在所述顶盖的中心，所述弹性元件设置在所述底盖的中心。
进一步地，所述悬臂梁设置为等强度梁，所述悬臂梁为扇形，所述悬臂梁沿固定端至悬臂端逐渐缩窄于一点，所述悬臂端抵接在所述弹性元件上方。
进一步地，所述弹性元件为弹簧，所述弹簧无受力地设置在所述底盖上。
进一步地，所述弹簧可拆卸地设置在所述底盖上。
进一步地，所述第一侧壁的内侧设置有卡板，所述悬臂梁可拆卸地设置在所述卡板上。
进一步地，所述悬臂梁的两侧上设置有第一凹槽和第二凹槽，所述第一光纤光栅设置在所述第一凹槽内，所述第二光纤光栅设置在所述第二凹槽内。
进一步地，所述第一侧壁上设置有光纤光栅出口，所述光纤光栅出口处设置有保护管套。
进一步地，所述主体、悬臂梁和压力盖均采用PLA材料制成。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明：
图1为本发明实施例的内部结构示意图；
图2为本发明实施例的整体结构示意图；
图3为本发明实施例的压力盖结构示意图；
图4为本发明实施例的悬臂梁安装示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1至图4，本发明实施例提供一种基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置，主要由主体、悬臂梁3、弹性元件4和压力盖组成。该主体包括第一侧壁102和底盖101，该第一侧壁102为环状薄壁，该底盖101设置在该第一侧壁102的一端，该第一侧壁102的另一端设置有环形凹槽。该悬臂梁3包括固定端和悬臂端，该固定端固定在该第一侧壁102的内侧，该悬臂梁3的一侧设置有第一光纤光栅，该悬臂梁3的另一侧设置有第二光纤光栅。该弹性元件4的一端固定在该底盖101的内侧，该弹性元件4的另一端抵接在该悬臂梁3的悬臂端，即该弹性元件4在自然状态下恰好触碰到该悬臂梁3的下侧端面，此时弹性元件4未受到悬臂梁3的压力。该压力盖包括第二侧壁202、顶盖201和顶杆203，该顶盖201设置在该第二侧壁202的一端，该第二侧壁202的另一端滑动设置在该环形凹槽内，该顶杆203设置在该顶盖201的内侧，该顶杆203恰好接触到该悬臂梁3的上侧端面时，该第二侧壁202位于该环形凹槽内，该顶杆203和该弹性元件4位于同一垂线上。该压力盖受到土压力时，该顶杆203给予该悬臂梁3和弹性元件4向下的压力，直至该弹性元件4、该悬臂梁3与该顶杆203受力平衡，该悬臂梁3受到上覆压力后发生变形，带动该第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移，从而实现土体上覆压力的精准测量。该基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置设置有第一光纤光栅和第二光纤光栅，分别固定在该悬臂梁3的上下两个表面，既可有效地起到温度补偿的作用，又可提高该基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置灵敏度。通过设置弹性元件4实现在小土压力测量中的高灵敏度、在大土压力测量中的大量程，适用于不同大小土压力量测情况。该悬臂梁3、第一光纤光栅和第二光纤光栅充分接触且协同变形，解决了裸光纤光栅由于其脆弱、纤细、容易折断且抗剪能力差等特点，难以在土木工程中直接达到实际应用的问题，且能够变换传感装置量程，实现大压力测量。
优选的，该主体和该压力盖均设置为圆柱形。
优选的，该顶杆203设置在该顶盖201的中心，该弹性元件4设置在该底盖101的中心。具体的，该悬臂梁3的悬臂端与该顶杆203和弹性元件4位于同一轴线上，将顶杆203设置在中心能够精准的传递上覆压力，受力结构更加稳定。
优选的，该悬臂梁3设置为等强度梁，该悬臂梁3为扇形，该悬臂梁3沿固定端至悬臂端逐渐缩窄于一点，该悬臂端抵接在该弹性元件4上方。将固定端设置较宽有利于该悬臂梁3的稳定，解决了该悬臂梁3在受到顶杆203压力容易断裂的问题。该悬臂端收窄为一点使得该上覆压力集中受力于一点，便于精准测量，且使得该第一光纤光栅、第二光纤光栅应变均匀。
优选的，该弹性元件4为弹簧，该弹簧4无受力地设置在该底盖101上。具体的，能够通过装配不同弹性系数的弹簧实现该基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置在小土压力测量中的高灵敏度、在大土压力测量中的大量程，适用于不同大小土压力量测情况。
优选的，该弹簧可拆卸地设置在该底盖101上。具体的，通过3D熔融沉积技术打印出主体，该底盖101上设置有用于安装弹簧的卡位，便于安装和更换不同弹性系数的弹簧。
优选的，该第一侧壁102的内侧设置有卡板，该悬臂梁3可拆卸地设置在该卡板上。具体的，通过3D熔融沉积技术打印出的第一侧壁102上设置有卡板，该悬臂梁3通过卡板可拆卸的安装在该第一侧壁102上，结构简单，便于悬臂梁3的安装。
优选的，该悬臂梁3的两侧上设置有第一凹槽和第二凹槽，该第一光纤光栅设置在该第一凹槽内，该第二光纤光栅设置在该第二凹槽内。设置第一凹槽和第二凹槽能够使第一光纤光栅和第二光纤光栅稳定的固定在该悬臂梁3内，避免外露。
优选的，该第一侧壁102上设置有光纤光栅出口，该光纤光栅出口处设置有保护管套。具体的，该第一光纤光栅和第二光纤光栅通过出口穿出该第一侧壁102，该第一光纤光栅和第二光纤光栅通过保护管套进行汇聚，与光纤光栅解调仪相连。该保护管套能够避免第一光纤光栅和第二光纤光栅的穿出部分受到损伤。
优选的，该主体、悬臂梁3和压力盖均采用PLA材料制成。具体的，该主体、悬臂梁3和压力盖均通过3D熔融沉积技术打印制成，实现了一体化封装，提高了传感装置的制作效率，降低了制作成本，且体积小，重量轻。
原理上，在悬臂梁3悬臂端作用向下的集中力F，设悬臂梁3承担F1，弹簧承担F2，则
F＝F1+F2 (1)
对于悬臂梁3，当施加向下集中力F1于悬臂端，各梁截面最大应变均为：
悬臂端挠度为：
其中，ε为悬臂梁3截面最大应变；f为悬臂端初始挠度；l为悬臂梁3的长度；E为悬臂梁3的弹性模量；b为悬臂梁3固定端宽度；h为悬臂梁3的截面高度。
此时，悬臂梁3上表面受拉，下表面受压，第一光纤光栅与第二光纤光栅波长均有变化，波长变化量：
Δλ1＝λ(1+Pe)ε+ΔλT (4)
Δλ2＝-λ(1+Pe)ε+ΔλT (5)
其中，Δλ1为第一光纤光栅波长变化量；Δλ2为第二光纤光栅波长变化量；λ为中心波长；Pe为有效弹光系数；ΔλT为温度引起的波长变化量。
波长变化差Δλ为第一光纤光栅波长变化量减去第二光纤光栅波长变化量，则：
Δλ＝Δλ1-Δλ2＝2λ(1+Pe)ε (6)
因此，与单个测量光栅相比，该传感装置既可以进行温度补偿，又可以提高灵敏度。
联立式(2)(3)(6)，可得：
对于弹簧，有：
其中，k为弹簧的弹性系数。
联立(7)(9)，得作用在悬臂梁3悬臂端总集中力为：
具体地，在环形凹槽内表面涂抹润滑剂，第二侧壁202嵌入环形凹槽，此时在未施加压力的情况下，由于压力盖自重等使悬臂梁3产生初始挠曲，使弹簧产生压缩，记录下初始波长变化差Δλ0。当压力盖上表面受到均布压力p，压力盖下移，通过顶杆203向悬臂梁3端施加集中力F，波长变化差为Δλ，则均布压力为：
其中，A为压力盖上表面面积。
在式(11)中，虽然Δλ是有范围限制的，但可通过改变弹簧的弹性系数k提高传感装置的量程，以此实现压力传感装置量程的变换。
本发明是通过具体实施过程进行说明的,在不脱离本发明范围的情况下,还可以对本发明进行各种变换及等同代替,因此,本发明专利不局限于所公开的具体实施过程,而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。
Claims (10)
1.一种基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置，其特征在于，包括：
主体，包括第一侧壁和底盖，所述第一侧壁为环状薄壁，所述底盖设置在所述第一侧壁的一端，所述第一侧壁的另一端设置有环形凹槽；
悬臂梁，包括固定端和悬臂端，所述固定端固定在所述第一侧壁的内侧，所述悬臂梁的一侧设置有第一光纤光栅，所述悬臂梁的另一侧设置有第二光纤光栅，所述悬臂梁设置为等强度梁，所述悬臂梁为扇形，所述悬臂梁沿固定端至悬臂端逐渐缩窄于一点，所述悬臂端抵接在弹性元件上方；
弹性元件，所述弹性元件的一端固定在所述底盖的内侧，所述弹性元件的另一端抵接在所述悬臂梁的悬臂端；以及
压力盖，包括第二侧壁、顶盖和顶杆，所述顶盖设置在所述第二侧壁的一端，所述第二侧壁的另一端滑动设置在所述环形凹槽内，所述顶杆设置在所述顶盖的内侧，所述顶杆和所述弹性元件位于同一垂线上。
2.根据权利要求1所述的基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置，其特征在于：所述主体和所述压力盖均设置为圆柱形。
3.根据权利要求2所述的基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置，其特征在于：所述顶杆设置在所述顶盖的中心，所述弹性元件设置在所述底盖的中心。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置，其特征在于：所述弹性元件为弹簧，所述弹簧无受力地设置在所述底盖上。
5.根据权利要求4所述的基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置，其特征在于：所述弹簧可拆卸地设置在所述底盖上。
6.根据权利要求1所述的基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置，其特征在于：所述第一侧壁的内侧设置有卡板，所述悬臂梁可拆卸地设置在所述卡板上。
7.根据权利要求1所述的基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置，其特征在于：所述悬臂梁的两侧上设置有第一凹槽和第二凹槽，所述第一光纤光栅设置在所述第一凹槽内，所述第二光纤光栅设置在所述第二凹槽内。
8.根据权利要求7所述的基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置，其特征在于：所述第一侧壁上设置有光纤光栅出口，所述光纤光栅出口处设置有保护管套。
9.根据权利要求1所述的基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置，其特征在于：所述主体、悬臂梁和压力盖均采用PLA材料制成。
10.根据权利要求4所述的基于熔融沉积的变量程光纤光栅压力传感装置，其特征在于：所述压力盖受到的压力与所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅之间的波长变化差存在下式关系
其中，p为所述压力盖受到的压力；k为所述弹簧的弹性系数；l为所述悬臂梁的长度；E为所述悬臂梁的弹性模量；b为所述悬臂梁固定端宽度；h为所述悬臂梁的截面高度；λ为所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的中心波长；Pe为所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的有效弹光系数；A为所述压力盖上表面面积；Δλ为压力作用后所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅之间的波长变化差；Δλ0为初始波长变化差。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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