CN114459646B - 一种增敏型温度自补偿光纤光栅力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增敏型温度自补偿光纤光栅力传感器，在对径受压圆环的内壁上设置多个夹角已知的光纤光栅传感器，根据对径受压圆环内壁的应力函数，得知相应夹角处光纤光栅传感器所受应力的相互关系，由此能够计算得出温度补偿的波长与应力变化导致的波长之间的关系，还能够将各处测得的波长变化量转化为单侧点波长变化量的倍数，在自动补偿温度对光纤光栅反射窄带光中心波长漂移量的同时、可以提高光纤光栅应变响应灵敏度，实现增敏。

Description

一种增敏型温度自补偿光纤光栅力传感器

技术领域

本发明涉及光纤光栅技术领域，具体涉及一种增敏型温度自补偿光纤光栅力传感器。

背景技术

光纤光栅因其质量轻、使用安全可靠、尺寸小、灵敏度高，可以同时测量温度和压力等优点而被广泛应用于各个领域。裸光纤的应力和温度响应灵敏度较低，直接用于传感领域比较困难，必须对其进行增敏处理；另外，光纤光栅测力环传感器受温度影响较大，常用的补偿系数法效果并不理想，导致测量结果的误差相对较大。因此补偿温度对光纤光栅传感器波长的影响、提高灵敏度对光纤传感来说意义重大。

发明内容

针对现有技术的光纤光栅传感器存在应力敏感度不高、易受温度影响的缺陷，本发明提供一种基于对径受压圆环的增敏型温度自补偿光纤光栅力传感器，在自动补偿温度对光纤光栅反射窄带光中心波长漂移量的同时、可以提高光纤光栅应变响应灵敏度，实现增敏效果。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种增敏型温度自补偿光纤光栅力传感器，包括圆环，所述圆环直立放置在接触面上，加载杆在圆环顶部施压，圆环在加载杆和接触面之间形成对径受压，以加载杆所在位置为0度，沿顺时针方向，在所述圆环内侧一周0°、90°、180°、270°处均匀布置4个光纤光栅测点，每个测点处设置光纤光栅FBG传感器，当力传感器受到外界温度和大小相等的对径压力同时作用时，假设圆环内侧各处温升相等，根据圆环内侧的边缘应力函数，通过计算即可得出因温度而改变的波长量与测点总波长变化量之间的关系，无需温度补偿模块就能够实现温度自补偿，通过将4个测点的波长变化量转化为单个测点波长变化量的倍数，达到增敏目的。

假设圆环的内外径分别为a和b，厚度为t，加载杆施加的加载力为P，r是极径，θ是极角，则圆环内侧边缘的周向应力为：

所述温度自补偿的实现过程为：圆环内侧0°、90°、180°、270°处分别记为A、B、C、D，圆环内侧各处温升相等，在圆环材料屈服极限σ_s内，当整个圆环温度均匀升高时，定义温度改变导致光纤光栅中心波长的变化量为Δλ₁，对径受压的圆环，沿力的作用线两侧受力呈对称分布，故A、C处受力相等，B、D处受力相等，记A和C处因受力发生的波长变化量均为Δλ₂，B和D因受力发生的波长变化量均为Δλ₃，光纤光栅传感器在A和C处即受压方向实际测得的波长变化量为x，在与受压方向垂直的方向即B和D处实际测得的波长变化量为y，则有：

Δλ₁+Δλ₂＝x,Δλ₁+Δλ₃＝y； (1)；

将θ＝0°和180°以及90°和270°分别代入圆环内侧边缘应力函数，由A和C处受力大小相等，B和D处受力大小相等，得知A、C处和B、D处受力大小相等，方向相反，从而可得：

Δλ₂＝-Δλ₃ (2)；

然后，根据公式(1)和(2)能够求得温度补偿的波长为：

增敏的实现过程为，以Δλ_A、Δλ_B、Δλ_C、Δλ_D分别表示光纤光栅传感器在A、B、C、D四处测得的波长变化量，则根据四个测点的受力关系结合式(1)和(2)，能够得出：

Δλ_A+Δλ_C-(Δλ_B+Δλ_D)＝4Δλ₂； (3)

即，将4个测点的波长变化量转化为单个光纤光栅FBG在A点处测得的波长变化量的四倍，实现了增敏的效果。

有益效果：本发明所提出的增敏型温度自补偿光纤光栅力传感器，在对径受压圆环的内壁上设置多个夹角已知的光纤光栅传感器，根据对径受压圆环内壁的应力函数，得知相应夹角处光纤光栅传感器所受应力的相互关系，由此能够计算得出温度补偿的波长与应力变化导致的波长之间的关系，还能够将各处测得的波长变化量转化为单侧点波长变化量的倍数，在自动补偿温度对光纤光栅反射窄带光中心波长漂移量的同时、可以提高光纤光栅应变响应灵敏度，实现增敏。

附图说明

图1本发明的光纤光栅力传感器的结构示意图；

图2本发明的对径受压圆环的结构简图；

图3不同力作用下圆环内侧周向应力曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，一种增敏型温度自补偿光纤光栅力传感器，包括圆环，所述圆环为薄壁圆环，直立放置在接触面上，加载杆在圆环顶部施压，圆环在加载杆和接触面之间形成对径受压，在圆环内侧一周布置夹角已知的n个光纤光栅测点，当力传感器受到外界温度和大小相等的对径压力同时作用时，假设圆环内侧各处温升相等，则由温度改变导致FBG测点中心波长的变化量相等；圆环内壁受拉应力和压应力处改变的波长变化量未知但所受应力符合对径受压圆环的应力函数(该函数是与夹角有关的应力函数，即后文所述σ_θ)；若已知受力方向，受拉应力和压应力处所受应力在数值上的关系可由应力函数推导得出，光纤光栅在各测点处测得的总波长变化量已知，这样即可计算得出因温度而改变的波长量与测点总波长变化量之间的关系，进而可以将其补偿；同时，可由圆环内侧的应力函数σ_θ，推导间隔已知角度测点的应力，进而可以将n个测点不同的波长变化量通过计算处理转化为单测点波长变化量的倍数，实现在相同应力作用下增敏的目的。

如图2所示，记圆环内、外半径分别为a、b，厚度为t，受对径压力P作用，r是极径，θ是极角，取函数：

其中

A₀＝-Pb/2π(b²-a²)

B₀＝Pa²b/π(b²-a²)

式中m＝2，4，……；且：

ξ_m＝mη₁-η₂η₃/η₄

k＝b/a

η₁＝k^m-2+(m+1)k^-m-2-(m+2)k^-m

η₂＝(m-2)k^m+m²k^-m-2-(m-1)(m+2)k^-m

η₃＝k^m-2-(m+1)k^-m-2+mk^-m

η₄＝k^m-mk^-m-2+(m-1)k^-m

不计体力时，角向应力分量(即对径受压圆环的应力函数)为：

计算圆环对径受压时，将各系数带入上式(2)，即可得到圆环内侧边缘的周向应力：

在一个具体的实施例中，以加载杆所在位置为0度，沿顺时针方向，在所述圆环内侧一周0°、90°、180°、270°处均匀布置4个光纤光栅测点，每个测点处设置光纤光栅FBG传感器，圆环在加载杆和接触面之间形成对径受压，无需温度补偿模块就能够实现温度自补偿，通过将4个测点的波长变化量转化为单个测点波长变化量的倍数，达到增敏目的。

在圆环材料屈服极限σ_s内，不同力P(P₁>P₂>P₃>P₄)作用下圆环内侧周向应力如图3所示，圆环内侧0°、90°、180°、270°处分别记为A、B、C、D，根据图3可知，A、C处所受应力大小相等、方向相同，B、D处所受应力大小相等、方向相同。

所述温度自补偿和增敏的实现过程为：圆环内侧各处温升相等，加载杆施加的加载力为P，当整个圆环温度均匀升高时，假设温度改变导致光纤光栅中心波长的变化量为Δλ₁，根据图3可知，对径受压的圆环，沿力的作用线两侧受力呈对称分布，故A、C处受力相等，B、D处受力相等，记A和C处因受力发生的波长变化量为Δλ₂，B和D因受力发生的波长变化量为Δλ₃，光纤光栅传感器在A和C处即受压方向和与其垂直方向即B和D处实际测得的波长变化量分别为x和y，

则有：Δλ₁+Δλ₂＝x,Δλ+₁Δλ＝y₃； (4)

根据圆环内侧边缘的周向应力函数(σ_θ)_r＝a，将θ＝0°和180°以及90°和270°分别代入上述公式(3)，得知，A和C处所受应力大小相等，B和D处所受应力大小相等，且A、C处和B、D处所受应力大小相等，方向相反，由此可得：

Δλ₂＝-Δλ₃ (5)；

进而，根据公式(4)和(5)能够求得温度补偿的波长为：

同时，以Δλ_A、Δλ_B、Δλ_C、Δλ_D分别表示光纤光栅传感器在A、B、C、D四处测得的波长变化量，根据四个测点的受力关系及上述公式(4)和(5)，能够得出：

Δλ_A+Δλ_C-(Δλ_B+Δλ_D)＝2x-2y＝4Δλ₂ (7)；

由此可见，使用本发明所述的力传感器，不仅能实现温度自补偿，还能够实现增敏效果，相较于单个光纤光栅FBG在A点处测得的波长变化量增大到了四倍，实现了增敏的效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种增敏型温度自补偿光纤光栅力传感器，包括圆环，所述圆环直立放置在接触面上，加载杆在圆环顶部施压，圆环在加载杆和接触面之间形成对径受压，其特征在于，以加载杆所在位置为0度，沿顺时针方向，在所述圆环内侧一周0°、90°、180°、270°处均匀布置4个光纤光栅测点，每个测点处设置光纤光栅FBG传感器，当力传感器受到外界温度和大小相等的对径压力同时作用时，假设圆环内侧各处温升相等，根据圆环内侧边缘的周向应力函数，通过计算即可得出因温度而改变的波长量与测点总波长变化量之间的关系，无需温度补偿模块就能够实现温度自补偿，通过将4个测点的波长变化量转化为单个测点波长变化量的倍数，达到增敏目的；具体为：

假设圆环的内外径分别为a和b，厚度为t，加载杆施加的加载力为P，r是极径，θ是极角，则圆环内侧边缘的周向应力函数为：

所述温度自补偿的实现过程为：圆环内侧0°、90°、180°、270°处分别记为A、B、C、D，圆环内侧各处温升相等，在圆环材料屈服极限σ_s内，当整个圆环温度均匀升高时，定义温度改变导致光纤光栅中心波长的变化量为△λ₁，对径受压的圆环，沿力的作用线两侧受力呈对称分布，故A、C处受力相等，B、D处受力相等，记A和C处因受力发生的波长变化量均为△λ₂，B和D因受力发生的波长变化量均为△λ₃，光纤光栅传感器在A和C处即受压方向实际测得的波长变化量为x，在与受压方向垂直的方向即B和D处实际测得的波长变化量为y，则有：

△λ₁+△λ₂＝x,△λ₁+△λ₃＝y； (1)；

将θ＝0°和180°以及90°和270°分别代入圆环内侧边缘的周向应力函数，由A和C处受力大小相等，B和D处受力大小相等，得知A、C处和B、D处受力大小相等，方向相反，从而可得：△λ₂＝-△λ₃ (2)；

然后，根据公式(1)和(2)能够求得温度补偿的波长为：

增敏的实现过程为，以Δλ_A、Δλ_B、Δλ_C、Δλ_D分别表示光纤光栅传感器在A、B、C、D四处测得的波长变化量，则根据四个测点的受力关系结合式(1)和(2)，能够得出：

△λ_A+△λ_C-(△λ_B+△λ_D)＝4△λ₂； (3)

即，将4个测点的波长变化量转化为单个光纤光栅FBG在A点处测得的波长变化量的四倍，实现了增敏的效果。