CN114459645B - 一种基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器，采用的光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，在高铁受电弓中使用时具有很高的可靠性和稳定性，通过内部敏感元件光纤光栅反射的光信号的中心波长移动量来检测压力，实现了在高铁受电弓中稳定地检测压力的功能。本发明在一根光纤中写入两个光栅，同时实现了温度补偿、感知高铁受电弓的变化情况。本发明的光纤光栅形状感知传感器测量结果具有良好的重复性，便于构成各种形式的光纤传感网络，可用于外界参量的绝对测量，也可在一根光纤中写入多个光栅构成传感阵列，通过多个串联的传感器实现准分布式测量。
Description
技术领域
本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器。
背景技术
压力传感器是能感受压力信号，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器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器虽然具有精度高、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器的优点无法体现。光纤光栅式压力传感器作为近年快速发展起来的一种新型压力传感器件，克服了传统的电阻应变式压力传感器的不足，分辨率高，不受电磁干扰，广泛应用于各种复杂环境；现有的应用于受电弓的光纤光栅接触压力传感器在实际使用过程中，由于传动部位的接触，检测的数据容易出现偏差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器，用于在高铁受电弓中稳定地检测压力。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器，包括外形为柱形的主体，主体的侧面设有凸台，凸台的上表面对称设有上下贯穿且左右贯穿的偶数个出纤保护孔，凸台的侧面对称设有与出纤保护孔贯穿的出纤孔；主体的上表面设有受力面，包括内受力面和环状包围在内受力面外侧的外受力面；内受力面的中间设有适配孔，适配孔的形状与需要配合的轴向结构的截面形状相同；内受力面和外受力面之间设有布纤槽；布纤槽内设有刻写在同一根光纤上的两段光纤光栅；布纤槽的两侧设有穿纤孔；主体的中部设有至少三个弹性铰链，其中两个弹性铰链为同向设置，另一个弹性铰链与两个同向设置的弹性铰链对向设置。
按上述方案，布纤槽包括第一布纤槽和第二布纤槽，光纤光栅包括第一光纤光栅和第二光纤光栅；第一布纤槽内设有第一光纤光栅，第一光纤光栅用于通过波长漂移检测压力变化情况；第二布纤槽内设有第二光纤光栅，第二光纤光栅用于通过波长漂移进行温度补偿。
进一步的，穿纤孔包括第一穿纤孔、第二穿纤孔和第三穿纤孔；第一穿纤孔和第二穿纤孔分别设置在第一光纤光栅的两端外侧，用于在设置第一光纤光栅的时候对光纤的两端进行挂重预拉升。
按上述方案，还包括输出光纤和光纤连接接头，作为光纤光栅压力传感器的光信号传输光纤。
进一步的，第二穿纤孔和第三穿纤孔之间的光纤及输出光纤的外部套装有软套管或铠装光缆套管，用于连接出纤保护孔或保护输出光纤。
按上述方案，主体采用304不锈钢材料制成；光纤光栅为布拉格光栅光纤。
按上述方案，出纤保护孔包括第一出纤保护孔和第二出纤保护孔；出纤孔包括第一出纤孔和第二出纤孔。
一种用于制造基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器的方法，包括以下步骤：
S1：通过线切割和铣削加工和制作外形为柱形的主体，主体的侧面设有凸台，凸台的上表面对称设有上下贯穿且左右贯穿的偶数个出纤保护孔，凸台的侧面对称设有与出纤保护孔贯穿的出纤孔；主体的上表面设有受力面，包括内受力面和环状包围在内受力面外侧的外受力面；内受力面的中间设有适配孔，适配孔的形状与需要配合的轴向结构的截面形状相同；内受力面和外受力面之间设有第一布纤槽和第二布纤槽；第一布纤槽的两端设有第一穿纤孔和第二穿纤孔，第二布纤槽的一端设有第三穿纤孔；主体的中部设有至少三个弹性铰链，其中两个弹性铰链为同侧设置，另一个弹性铰链与两个同向设置的弹性铰链对侧设置；
S2：在同一根光纤上刻写第一光纤光栅和第二光纤光栅；将光纤穿过第一穿纤孔和第二穿纤孔，使第一光纤光栅布设在第一布纤槽中；在第一光纤光栅的两端施加预张力，同时使用硅橡胶在第一光纤光栅的两端点胶，再用胶水粘接第一光纤光栅与第一布纤槽之间的间隙，硅橡胶用于防止胶水流失；
S3：第一光纤光栅粘接固化后，将光纤的另一端套上保护用的软管，并穿过第三穿纤孔，使第二光纤光栅伸出软管并布设在第二布纤槽内；将第二光纤光栅微微拱起，使其不受载荷力的影响，并按步骤S2的方法进行点胶并与第二布纤槽粘接。
一种基于圆弧铰链的光纤光栅压力测量方法，包括以下步骤：
S1：将高铁受电弓的纵向轴装配到基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器的适配孔中；
S2：高铁受电弓上下移动接触到适配孔时，基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器的主体的内受力面和外受力面受到压力，将力分别传递给第一弹性铰链、第二弹性铰链和第三弹性铰链；弹性铰链产生形变使得光纤光栅的反射峰的波长漂移，光纤光栅压力传感器输出压力检测信号；
S3：当高铁受电弓离开适配孔时，第一弹性铰链、第二弹性铰链和第三弹性铰链恢复原状，光纤光栅的反射峰的波长恢复原状，光纤光栅压力传感器复位。
本发明的有益效果为：
1.本发明的一种基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器，采用的光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，在高铁受电弓中使用时具有很高的可靠性和稳定性，通过内部敏感元件光纤光栅反射的光信号的中心波长移动量来检测压力，实现了在高铁受电弓中稳定地检测压力的功能。
2.本发明在一根光纤中写入两个光栅，同时实现了温度补偿、感知高铁受电弓的变化情况。
3.本发明的光纤光栅形状感知传感器测量结果具有良好的重复性，便于构成各种形式的光纤传感网络，可用于外界参量的绝对测量，也可在一根光纤中写入多个光栅构成传感阵列，通过多个串联的传感器实现准分布式测量。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的光纤槽布纤示意图。
图3是本发明实施例的弹性铰链示意图。
图中：1.基体；2.第一出纤保护孔；3.第二出纤保护孔；4.第一出纤孔；5.第二出纤孔；6.第一穿纤孔；7.第二穿纤孔；8.第三穿纤孔；9.第一布纤槽；10.第二布纤槽；11.第一弹性铰链；12.第二弹性铰链；13.第三弹性铰链；14.安装适配孔；15.内受力面；16.外受力面；17.第一光纤光栅；18.第二光纤光栅；19.光纤。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，本发明的实施例包括基体1、第一出纤保护孔2、第二出纤保护孔3、第一出纤孔4、第二出纤孔5、第一穿纤孔6、第二穿纤孔7、第三穿纤孔8、第一布纤槽9、第二布纤槽10、第一弹性铰链11、第二弹性铰链12、第三弹性铰链13、安装适配孔14、内受力面15、外受力面16、第一光纤光栅17、第二光纤光栅18、光纤19。
基体1的中心位置设有安装适配孔14，用于配合高铁受电弓的圆柱型的安装结构，安装适配孔14的形状与配合的轴向结构的截面形状相同。
基体1的上表面设有内受力面15和外受力面16，分别用于承载高铁受电弓在竖直方向的轴向压力变化；
基体1的内受力面15和外受力面16之间设有第一布纤槽9和第二布纤槽10，用于在基体1的上表面引导布设光纤，起到很好的保护作用，不至于在受力时压断光纤。
第一布纤槽9内设有第一光纤光栅17，第一光纤光栅17用于通过波长漂移检测压力变化情况；第二布纤槽10内设有第二光纤光栅18，第二光纤光栅18用于通过波长漂移进行温度补偿。
基体1上设有第一穿纤孔6、第二穿纤孔7和第三穿纤孔8，第一穿纤孔6用于在设置第一光纤光栅17的时候方便光纤两端进行挂重预拉升，并同时点胶。
基体1的中间部分成对称设置有第一弹性铰链11、第二弹性铰链12和第三弹性铰链13，用于使基体1产生形变带动光纤光栅的放射波长发生漂移，从而测得压缩和拉升的压力变化。第一弹性铰链11与第三弹性铰链13的开口方向相同，第二弹性铰链12的开口方向与第一弹性铰链11和第三弹性铰链13的方向相反；当受到上下的压力时，弹性铰链用于将压力的变化转变成横向的拉升压缩变化。
基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器的制造方法的具体步骤如下：
S1：采用线切割和铣削的方法提前加工和制作基体和结构。
S2：第一光纤光栅17和第二光纤光栅18的安装位置如图2所示。制作时，第一光纤光栅17、第二光纤光栅18同时位于单根光纤19的上面。先将光纤19穿过第一穿纤孔6和第二穿纤孔7，布设在第一布纤槽9的位置，并在两端施加预张力，同时使用硅橡胶在第一光纤光栅17的两端点胶。在此基础上用胶水粘接光栅区域，硅橡胶用于防止胶水流失。
S3：设置好第一光纤光栅17之后，将光纤19穿过第三穿纤孔8，将第二光纤光栅18布设在第二布纤槽10里面作为温度补偿光栅。并将第二穿纤孔7和第三穿纤孔8之间的光纤用软管做保护。因为第二光纤光栅18用于温度补偿，此时在粘接时应将第二光纤光栅18微微拱起，使其不受载荷力的影响。
基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器的压力测量方法的具体步骤如下：
S1：将高铁受电弓的纵向轴安装连接到基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器的安装适配孔14中；
S2：当高铁受电弓上下移动时，基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器的基体1的内受力面15和外受力面16受到压力，进一步将力分别传递给第一弹性铰链11、第二弹性铰链12和第三弹性铰链13，通过使弹性铰链变形从而使得光栅反射峰的波长漂移，光纤光栅压力传感器测得所受压力；
S3：当高铁受电弓与安装适配孔14的接触离开时，第一弹性铰链11、第二弹性铰链12和第三弹性铰链13恢复原状，使得光栅反射峰的波长恢复原状。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器，其特征在于：包括外形为柱形的主体，主体的侧面设有凸台，凸台的上表面对称设有上下贯穿且左右贯穿的偶数个出纤保护孔，凸台的侧面对称设有与出纤保护孔贯穿的出纤孔；
主体的上表面设有受力面，包括内受力面和环状包围在内受力面外侧的外受力面；内受力面的中间设有适配孔，适配孔的形状与需要配合的轴向结构的截面形状相同；
内受力面和外受力面之间设有布纤槽；布纤槽内设有刻写在同一根光纤上的两段光纤光栅；布纤槽的两侧设有穿纤孔；
主体的中部设有至少三个弹性铰链，其中两个弹性铰链为同侧设置，另一个弹性铰链与两个同侧设置的弹性铰链对侧设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器，其特征在于：布纤槽包括第一布纤槽和第二布纤槽，光纤光栅包括第一光纤光栅和第二光纤光栅；第一布纤槽内设有第一光纤光栅，第一光纤光栅用于通过波长漂移检测压力变化情况；第二布纤槽内设有第二光纤光栅，第二光纤光栅用于通过波长漂移进行温度补偿。
3.根据权利要求2所述的一种基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器，其特征在于：穿纤孔包括第一穿纤孔、第二穿纤孔和第三穿纤孔；第一穿纤孔和第二穿纤孔分别设置在第一光纤光栅的两端外侧，用于在设置第一光纤光栅的时候对光纤的两端进行预拉升。
4.根据权利要求1所述的一种基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器，其特征在于：还包括输出光纤和光纤连接接头，作为光纤光栅压力传感器的光信号传输光纤。
5.根据权利要求4所述的一种基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器，其特征在于：第二穿纤孔和第三穿纤孔之间的光纤及输出光纤的外部套装有软套管或铠装光缆套管，用于连接出纤保护孔或保护输出光纤。
6.根据权利要求1所述的一种基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器，其特征在于：主体采用304不锈钢材料制成；光纤光栅为布拉格光栅光纤。
7.根据权利要求1所述的一种基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器，其特征在于：出纤保护孔包括第一出纤保护孔和第二出纤保护孔；
出纤孔包括第一出纤孔和第二出纤孔。
8.一种用于制造权利要求1至7中任意一项所述的基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：通过线切割和铣削加工和制作外形为柱形的主体，主体的侧面设有凸台，凸台的上表面对称设有上下贯穿且左右贯穿的偶数个出纤保护孔，凸台的侧面对称设有与出纤保护孔贯穿的出纤孔；主体的上表面设有受力面，包括内受力面和环状包围在内受力面外侧的外受力面；内受力面的中间设有适配孔，适配孔的形状与需要配合的轴向结构的截面形状相同；内受力面和外受力面之间设有第一布纤槽和第二布纤槽；第一布纤槽的两端设有第一穿纤孔和第二穿纤孔，第二布纤槽的一端设有第三穿纤孔；主体的中部设有至少三个弹性铰链，其中两个弹性铰链为同向设置，另一个弹性铰链与两个同向设置的弹性铰链对向设置；
S2：在同一根光纤上刻写第一光纤光栅和第二光纤光栅；将光纤穿过第一穿纤孔和第二穿纤孔，使第一光纤光栅布设在第一布纤槽中；在第一光纤光栅的两端施加预张力，同时使用硅橡胶在第一光纤光栅的两端点胶，再用胶水粘接第一光纤光栅与第一布纤槽之间的间隙，硅橡胶用于防止胶水流失；
S3：第一光纤光栅粘接固化后，将光纤的另一端套上保护用的软管，并穿过第三穿纤孔，使第二光纤光栅伸出软管并布设在第二布纤槽内；将第二光纤光栅微微拱起，使其不受载荷力的影响，并按步骤S2的方法进行点胶并与第二布纤槽粘接。
9.一种基于权利要求1至7中任意一项所述的基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器的压力测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将高铁受电弓的纵向轴装配到基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器的适配孔中；
S2：高铁受电弓上下移动接触到适配孔时，基于圆弧铰链的光纤光栅压力传感器的主体的内受力面和外受力面受到压力，将力分别传递给第一弹性铰链、第二弹性铰链和第三弹性铰链；弹性铰链产生形变使得光纤光栅的反射峰的波长漂移，光纤光栅压力传感器输出压力检测信号；
S3：当高铁受电弓离开适配孔时，第一弹性铰链、第二弹性铰链和第三弹性铰链恢复原状，光纤光栅的反射峰的波长恢复原状，光纤光栅压力传感器复位。
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- 2022-01-18 CN CN202210056027.7A patent/CN114459645B/zh active Active
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