CN113465797A - 一种光纤光栅动态矢量拉力传感器及受力计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光纤光栅动态矢量拉力传感器及其受力计算方法，该拉力传感器包括感知件、光纤光栅和单模光纤；感知件为多个相同的敏感柱体集成在一起的中空柱体，每个所述敏感柱体上粘贴有光纤光栅，所述光纤光栅平行于敏感柱体的轴向方向设置，光纤光栅的两端与单模光纤连接，所述单模光纤缠绕在中空柱体上，串联连接每个敏感柱体上的光纤光栅，所述单模光纤的首端连接光源，尾端连接解调单元。实现了各个敏感部件的无缝衔接，降低了工艺要求，将外界力无衔接的传递到感知柱，提高传感器的感知灵敏度和精准度；同时，设置了多个敏感柱体，分别粘贴光纤光栅，避免三个光栅的中心波长会同时发生变化。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤光栅动态矢量拉力传感器及受力计算方法。
背景技术
光纤传感的机理是将光源入射的光束经由光纤送入传感前端，在传感前端内与外界被测参数发生相互作用，使传感前端中光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调后获得被测参数。
目前，光纤光栅是光纤纤芯中一段折射率周期性变化的结构，当入射光波长为λ＝2nΛ时就会被光栅反射回去，n为折射率，Λ为栅距。光纤光栅是应用最广泛、技术最成熟的点式光纤传感器之一。光纤光栅应变传感器具有重要的工程价值，相较于电阻应变片、振弦式应变计，具有诸多的优势：
1)光纤本身绝缘，抗电磁干扰的性能优异；
2)机械性能优异，径细、质软、重量轻、体积小；
3)耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能；
4)动态响应，容易集成，可以长距离传输。
光纤光栅应变传感器是栅区反射回来的中心波长变化对应力应变进行测量的技术，换言之，传感器得到的波长漂移反映的是光纤光栅所在的位置的力学信息。根据工程应用的实际效果，光纤光栅应变传感器的应用形式分为表面式和内嵌式。表面式也叫贴片式，需将光纤光栅应变片直接贴附在结构工件表面之上，由于不同的位置受力情况不同，需在不同的位置布置光纤光栅，如对孔壁的环应力、飞行器机翼结构的应变场进行监测，需沿一定方向、等间距串联布置多根光纤光栅，缠绕式、网格化密布被测结构表面，组成传感器阵列；内嵌式光纤光栅应变传感器一般针对桥梁、钢筋等结构，施工较为复杂，需要从表面打孔至需要测量应力的位置，再将多根光纤光栅串联内置封装在被测工件中，构成准分布式传感网络，应变-中心波长变化值反映的是被测结构的内部应力变化。两种应用形式的示意图如图2所示。
近十多年来，光纤光栅应变监测技术发展迅速，重要集中在传感端设计、长距离准分布式系统开发、新型应用封装技术等方面，其在石油石化、土木建筑、航空航天、交通运输、军工、电力、消防、安防、医疗等行业得到了快速应用，取得了不少工程应用成果，产生了巨大的经济效应。光纤光栅从理论、研制、生产、应用、推广都已经建立了完整的产业链，但光纤传感的发展远远不能满足市场需求，主要表现在(1)感知物理量的传感比较单一，不能满足行业的广泛需求；(2)传感的行业适用性较差，需要匹配各行业特点定制开发专用传感；(3)多物理场耦合情况下的传感单一感知能力差，传感的物理场解耦技术有待解决；(4)光纤传感的封装工艺可靠性欠缺，需要新技术、新工艺和新材料来解决；(5)光纤传感的标定检测设备匮乏且技术不成熟，严重制约传感精度等关键指标。
基于上述问题，本专利技术重点开展的是三维应力测量的方法研究和后续的算法设计、数据处理等工作。三维应力测量在现有技术中尚属空白，本专利的技术首次利用光纤光栅针对多维、多参量的复杂应变场进行立体测量，工程实用性和普适性强，大幅提升应变灵敏度、精度、测量范围等技术指标。现有技术中与本发明最接近的技术方案是：“一种光纤光栅三维矢量振动传感器”，该发明专利技术属于光纤传感三维应力测量技术领域，涉及一种中空圆柱体的机械加工结构。主要由光纤出孔、中空敏感圆柱体、传感光栅、底座固定螺孔、固定底座、传感光栅、传感光栅、惯性质量块连接构成。外界应力作用于传感器时，会通过惯性质量块传递到中空圆柱体，导致中空圆柱体产生表面应变，使得贴附于其上的光纤光栅的中心波长发生漂移。
该专利技术中的核心部件为中空敏感圆柱体，具有对称结构，由高弹性合金制成，受力部分为实心圆柱体结构，且由与敏感圆柱体相同的高弹性合金制成，与中空敏感圆柱体通过焊接密封连接。将光纤光栅粘贴在中空敏感圆柱体内表面下端应变敏感区域，制成三维矢量振动传感器。敏感圆柱体受到惯性力的作用，引起敏感圆柱体的内表面轴向应变，从而引起封装在敏感圆柱体上的光栅的波长发生变化，由于振动信号为矢量信号，会导致不同光栅的中心波长变化不同，通过三只传感光栅的中心波长变化来反应矢量振动信号的特征，包括矢量振动的幅度、频率以及振动方向，从而检测出被测物体的振动幅度和频率以及振动方向。
现有技术中，感知部件采用的是完整、对称的中空圆柱体，产生轴向应变的区域为中空圆柱体的内表面，外界振动是通过惯性质量块传递给应变感应单元。当外界的矢量振动信号产生时，由于中空敏感圆柱体是完整的、对称的，三只光栅的中心波长会同时发生变化，这会降低传感器对三维应力场的矢量的分辨能力，同时，该内表面积过大，中心波长的变化量较小，更加不利于灵敏度的提升。
在现有技术中，惯性质量块与中空敏感圆柱体是通过焊接密封联结的，这不仅会增加工艺难度，而且即便是同种材料，在焊接时难免会产生缝隙、应力集中、两相分离等缺陷，在实际工程使用中，有可能会发生松动导致传感器报废。正因如此，连接处的固定方式也是需要考虑的地方。光纤光栅的排布采用简单的并联结构，这会增加后期的解调设备成本。该技术应用于三维应力测量有很大的局限，传感器的精度、灵敏度、分辨能力有待进一步提高，结构设计和光栅排布并不能适用于工程现场。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤光栅动态矢量拉力传感器，应用于三维应力场的监测，拟解决现有传感器的监测变量单一、无法判断多个方向的受力等问题。
本申请提供一种光纤光栅动态矢量拉力传感器，包括：感知件、光纤光栅和单模光纤；所述感知件为多个相同的敏感柱体集成在一起的中空柱体，每个所述敏感柱体上粘贴有光纤光栅，所述光纤光栅平行于敏感柱体的轴向方向设置，光纤光栅的两端与单模光纤连接，所述单模光纤缠绕在中空柱体上，串联连接每个敏感柱体上的光纤光栅，所述单模光纤的首端连接光源，尾端连接解调单元。
在本申请实施例提供的光纤光栅动态矢量拉力传感器中，采用多个相同的敏感柱体集成形成中空柱体，实现了各个敏感部件的无缝衔接，降低了工艺要求，将外界力无衔接的传递到感知柱，提高传感器的感知灵敏度和精准度；同时，设置了多个敏感柱体，分别粘贴光纤光栅，避免三个光栅的中心波长会同时发生变化。
优选的，所述感知件的两端分别设有一组安装组件，其中一组安装组件连接被测物，另一组安装组件固定在工程结构上。工程结构可以为任意桥梁、房屋等工程的建筑物，以建筑材料制成的各种称重构件相互连接成一定形式的组合体。确保被测物体被测量时，另一端不会发生相对移动。
在上述任意一项实施例的基础上优选的，所述安装组件包括基座和把手；所述把手安装固定在基座上，且与感知件连接；所述基座安装在感知件上。
在本实施例提供的传感器中，靠近被测物体一端的基座与感应体为一体成型，靠近固定端的基座，与感应体固定连接，进一步提高了各部件的无缝连接性，能够将外界力无衔接的传递到感知柱，提高传感器的感知灵敏度和精准度。
在上述任意一项实施例的基础上优选的，所述基座上设有尾缆端子，所述单模光纤的首端和尾端分别固定在尾缆端子上。
在上述任意一项实施例的基础上优选的，所述基座为圆柱体，所述把手的最大长度小于底座的直径。
在上述任意一项实施例的基础上优选的，每组所述安装组件中，在把手中部设有固定孔。
本实施例提供的安装组件中，把手和固定孔可以进行简易操作，只需将一端固定即可，另一端连接待测物体；施工极为方便。把手是受力和传递端，用于感知外界一定频率的振动、三维的拉力和压缩、沿圆周方向的扭转等，这些外力作用会通过把手、基座传递给感知件的各个分立式感知柱，当外界受力的种类、方向发生变化时，感知柱的每个表面的应变区域也会发生相应的变化。
在上述任意一项实施例的基础上优选的，所述感知件为圆柱形中空柱体，所述敏感柱体为沿圆柱形中空柱体的外部圆周方向依次开槽形成。
在上述任意一项实施例的基础上优选的，每个所述敏感柱体至少有三个受力面。
在本实施例中，根据开槽的多少传感器的感知件可以设计成三柱式、四柱式、五柱式，乃至n柱式，通过开凹槽的方式增加了传感器对三维应力的灵敏度和分辨力，提高了传感器对复杂应力场的状态感知能力。三柱式传感器感知件有9个表面，四柱式传感器感知件有12个表面，n柱式传感器感知件有3n个表面，每个表面面对不同大小和方向的传递应力时，动作大小有所差异，中心波长漂移量会有所不同。在这些感知柱上粘贴(或玻璃焊接)光纤光栅，无需考虑各个方向的角度，后续通过标定及计算能够得到外界的三维拉力大小和方向，提高了感应灵敏度和计算精度。
本发明还提供一种受力计算方法，应用于上述拉力传感器中，包括
从解调出的光信号中，获取每个光纤光栅的中心波长漂移量，根据漂移量，得出每个敏感柱体的受力方向；
利用传感器的测试标定曲线，计算每个敏感柱体的每个方向的受力大小；
利用得出的每个敏感柱的受力方向和该敏感柱的受力大小，得出传感器的受力仿真拟合曲线，采用插值计算法，计算得出传感器的受力分析结果。
进一步优选的，在根据中心波长漂移量计算每个敏感柱体的受力方向时，若漂移量为正，则敏感柱体光纤光栅侧受力记为拉伸力；若漂移量为负，则敏感柱体光纤光栅侧受力记为压缩力。
本实施例提供的受力计算方法，可以计算出每个敏感柱的受力方向和受力大小，得出传感器的受力仿真拟合曲线，得出传感器的受力分析结果，充分考虑了每个敏感柱的受力情况，提高了检测精度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本申请背景技术中光纤光栅的结构示意图；
图2(a)为本申请背景技术提到的现有技术中片式光纤光栅传感器工程示意图
图2(b)为本申请背景技术提到的现有技术中内嵌式光纤光栅传感器工程示意图；
图3为本申请是实施例提供的光纤光栅动态矢量拉力传感器的示意图。
图4为本申请是实施例提供的光纤光栅动态矢量拉力传感器的侧视示意图。
图5为本申请是实施例提供的光纤光栅动态矢量拉力传感器的受力分析示意图。
图中：
201、光纤光栅；202、密封材料；203、应变片；204、被测工件；205、固定孔；
1、把手；2、基座；3、感知件；4、敏感柱体；5、尾缆端子；6、固定孔；7、光纤光栅； 8、单模光纤；
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
如图3所示，本申请提供一种光纤光栅动态矢量拉力传感器，包括：感知件3、光纤光栅7和单模光纤8；
所述感知件3为多个相同的敏感柱体4集成在一起的中空柱体，每个所述敏感柱体4上黏贴有光纤光栅7，所述光纤光栅7平行于敏感柱体4的轴向方向设置，光纤光栅7的两端与单模光纤8连接，所述单模光纤8缠绕在中空柱体上，串联连接每个敏感柱体4上的光纤光栅 7，所述单模光纤8的首端连接光源，尾端连接解调单元。感知件的主体部分材料采用不锈钢、碳钢、弹簧钢等材料，充分保证了工程应用的安全系数。
在本申请实施例提供的光纤光栅7动态矢量拉力传感器中，采用多个相同的敏感柱体4 集成形成中空柱体，实现了各个敏感部件的无缝衔接，降低了工艺要求，将外界力无衔接的传递到感知柱，提高传感器的感知灵敏度和精准度；同时，设置了多个敏感柱体4，分别粘贴光纤光栅7，避免三个光栅的中心波长会同时发生变化。
所述感知件3的两端分别设有一组安装组件，其中一组安装组件连接被测物，另一组安装组件固定在工程结构上。工程结构可以为任意桥梁、房屋等工程的建筑物，以建筑材料制成的各种称重构件相互连接成一定形式的组合体。确保被测物体被测量时，另一端不会发生相对移动。
所述安装组件包括基座2和把手1；所述把手1安装固定在基座2上，且与感知件3连接；所述基座2安装在感知件3上。在本实施例提供的传感器中，靠近被测物体一端的基座2与感应体为一体成型，靠近固定端的基座2，与感应体固定连接，进一步提高了各部件的无缝连接性，能够将外界力无衔接的传递到感知柱，提高传感器的感知灵敏度和精准度。
所述基座2上设有尾缆端子5，所述单模光纤8的首端和尾端分别固定在尾缆端子5上。所述基座2为圆柱体，所述把手1的最大长度小于底座的直径。每组所述安装组件中，在把手1中部设有固定孔6。本实施例提供的安装组件中，把手1和固定孔6可以进行简易操作，只需将一端固定即可，另一端连接待测物体；施工极为方便。把手1是受力和传递端，用于感知外界一定频率的振动、三维的拉力和压缩、沿圆周方向的扭转等，这些外力作用会通过把手1、基座2传递给感知件3的各个分立式感知柱，当外界受力的种类、方向发生变化时，感知柱的每个表面的应变区域也会发生相应的变化。
所述感知件3为圆柱形中空柱体，所述敏感柱体4为沿圆柱形中空柱体的外部圆周方向依次开槽形成。每个所述敏感柱体4至少有三个受力面。
如图4所示，本发明专利的传感器具有多个敏感表面，以三柱式传感器为例，如图5剖面图所示。感知件3的中心是镂空的，有A、B、C三个柱子，共有9个表面，分别命名为A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3。特征在于B和C关于把手对称，A1、B1、C1是方向朝外的表面，而A2、A3、B2、B3、C2、C3是朝内的表面。
在本实施例中，根据开槽的多少传感器的感知件3可以设计成三柱式、四柱式、五柱式，乃至n柱式，通过开凹槽的方式增加了传感器对三维应力的灵敏度和分辨力，提高了传感器对复杂应力场的状态感知能力。三柱式传感器感知件3有9个表面，四柱式传感器感知件3有 12个表面，n柱式传感器感知件3有3n个表面，每个表面面对不同大小和方向的传递应力时，动作大小有所差异，中心波长漂移量会有所不同。在这些感知柱上粘贴(或玻璃焊接)光纤光栅7，无需考虑各个方向的角度，后续通过标定及计算能够得到外界的三维拉力大小和方向，提高了感应灵敏度和计算精度。
本发明还提供一种受力计算方法，应用于上述拉力传感器中，包括
从解调出的光信号中，获取每个光纤光栅7的中心波长漂移量，根据漂移量，得出每个敏感柱体的受力方向；
利用传感器的测试标定曲线，计算每个敏感柱体的每个方向的受力大小；
利用得出的每个敏感柱的受力方向和该敏感柱的受力大小，得出传感器的受力仿真拟合曲线，采用插值计算法，计算得出传感器的受力分析结果。
进一步优选的，在根据中心波长漂移量计算每个敏感柱体的受力方向时，若漂移量为正，则敏感柱体受力记为拉伸力；若漂移量为负，则敏感柱体受力记为压缩力。
如图5所示，本专利的具体实施过程是：将把手1的一端固定，另一端输入三维应力，包括一定频率的振动、三维的拉力和压缩、沿圆周方向的扭转、纵向的剪切等。以下对三柱式传感器、四柱式传感器、五柱式传感器，直至n柱式传感器进行受力实施过程简要分析：
1)当传感器把手1端仅受到传感器轴向的单一方向拉或压力A时，感知件3的所有感知柱受力大小相等方向相同，外界力大小等于所有感知柱受力大小之和，该结果等同于现在市场上的普通拉力传感器所测量的结果；
2)当传感器受到竖直平面内向下方向的某一压力B时，位于竖直平面内传感器上部的感知柱将受到拉伸力，并且正上方的感知柱受力最大，位于竖直平面内传感器下部的感知柱将受到压缩力，并且正下方的感知柱受力最大，位于竖直平面内传感器前后两侧的对应位置感知柱受力大小和方向相同，通过不同位置的感知柱受力方向，采用插值办法精准计算外界力的方向，通过各感知柱的受力大小加上不同方向的权重计算出合力或某一方向的分力的大小，其中计算得出的传感器轴向方向力的大小即为市场上普通拉力传感器的大小，由此可见普通拉力传感器在偏载力检测方面存在严重缺陷；
3)当传感器受到不同方向力(A、B、C)的作用时，通过不同位置的感知柱受力方向，采用插值办法精准计算外界合力的方向，通过各感知柱的受力大小加上不同方向的权重计算出合力或某一方向的分力的大小，其中计算得出的传感器轴向方向力的大小即为市场上普通拉力传感器的大小，由此可见普通拉力传感器在复杂力学耦合工况检测方面存在严重缺陷。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质 (包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/ 或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种光纤光栅动态矢量拉力传感器，其特征在于，包括：感知件(3)、光纤光栅(7)和单模光纤(8)；
所述感知件(3)为多个相同的敏感柱体(4)集成在一起的中空柱体，每个所述敏感柱体(4)上设有光纤光栅(7)，所述光纤光栅(7)平行于敏感柱体(4)的轴向方向设置，光纤光栅(7)的两端与单模光纤(8)连接，所述单模光纤(8)缠绕在中空柱体上，串联连接每个敏感柱体(4)上的光纤光栅(7)，所述单模光纤(8)的首端连接光源，尾端连接解调单元。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅动态矢量拉力传感器，其特征在于，所述感知件(3)的两端分别设有一组安装组件，其中一组安装组件连接被测物，另一组安装组件固定。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅动态矢量拉力传感器，其特征在于，所述安装组件包括基座(2)和把手(1)；所述把手(1)安装固定在基座(2)上，且与感知件(3)连接；所述基座(2)安装在感知件(3)上。
4.根据权利要求3所述的光纤光栅动态矢量拉力传感器，其特征在于，所述基座(2)上设有尾缆端子(5)，所述单模光纤(8)的首端和尾端分别固定在尾缆端子(5)上。
5.根据权利要求3所述的光纤光栅动态矢量拉力传感器，其特征在于，所述基座(2)为圆柱体，所述把手(1)的最大长度小于底座的直径。
6.根据权利要求2所述的光纤光栅动态矢量拉力传感器，其特征在于，每组所述安装组件中，在把手(1)中部设有固定孔(6)。
7.根据权利要求1所述的光纤光栅动态矢量拉力传感器，其特征在于，所述感知件(3)为圆柱形中空柱体，所述敏感柱体(4)为沿圆柱形中空柱体的外部圆周方向依次开槽形成。
8.根据权利要求7所述的光纤光栅动态矢量拉力传感器，其特征在于，每个所述敏感柱体(4)至少有三个受力面。
9.一种受力计算方法，其特征在于，应用于上述权利要求1-8中任意一项所述的光纤光栅动态矢量拉力传感器中，包括
从解调出的光信号中，获取每个光纤光栅的中心波长漂移量，根据漂移量，得出每个敏感柱体的受力方向；
利用传感器的测试标定曲线，计算每个敏感柱体的每个方向的受力大小；
利用得出的每个敏感柱的受力方向和该敏感柱的受力大小，得出传感器的受力拟合曲线，采用插值计算法，计算得出传感器的受力分析结果。
10.根据权利要求9所述的受力计算方法，其特征在于，在根据中心波长漂移量计算每个敏感柱体的受力方向时，若漂移量为正，则敏感柱体光纤光栅侧受力记为拉伸力；若漂移量为负，则敏感柱体光纤光栅侧受力记为压缩力。
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