CN115655426A - 一种光纤光栅称重传感器及其制造方法与传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种光纤光栅称重传感器及其制造方法与传感系统，光纤光栅称重传感器，包括：光纤，所述光纤包括具有沿预设方向刻有光纤光栅的纤芯和包覆在所述纤芯外围的柱状包层，所述柱状包层的外表面设置有多个正六边形栅格状凹槽，且相邻两个正六边形栅格共边；金属壳体组件，包括第一金属承载件和与所述第一金属承载件相对设置的第二金属承载件，所述光纤夹设于所述第一金属承载件和所述第二金属承载件之间。光纤光栅称重传感器的承载能力较高、疲劳寿命较佳且灵敏度较高。

Description

一种光纤光栅称重传感器及其制造方法与传感系统

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种光纤光栅称重传感器及其制造方法与传感系统。

背景技术

随着国民经济的发展、物流行业的兴起与繁荣、以及客运行业的振兴，公路运输在各种运输行业中占据着重要位置，其事关人民财产和生命安全。尤其是公路超重、超员等超载行为，严重影响了公路寿命、车辆和乘客安全。目前，汽车荷载标准是进行公路桥梁设计、承载能力检测评估的重要依据，而实际公路桥梁上的汽车荷载状况与现行规范标准的差异较大，由此引发桥梁的各种病害十分多见。因此，公路超载的监管工作一直是交通行业的重点。

一种相关技术中，采用光纤光栅称重传感器对车辆进行称重，具体地，在光纤的一端提供光源光线，当光纤光栅称重传感器受到压力时，光栅周期会变大，使得反射光线的波长发生漂移，其中，反射光线的波长漂移量与受到的压力成正比，从而通过检测反射光线的光谱变化，即可获知车辆重量。

然而，当被称重的车辆等物体重量过大或重量分布不均时，可能会导致光纤发生裂纹或断裂。此外，如何提高光纤光栅称重传感器的灵敏度也是业界一个重要的技术课题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供了一种光纤光栅称重传感器，承载能力较高、疲劳寿命较佳且灵敏度较高。

本发明的目的之二在于提供一种传感系统。

本发明的目的之三在于提供一种光纤光栅称重传感器的制造方法，制造方法简单，适于工业生产。

本发明实现目的之一所采用的技术方案为：一种光纤光栅称重传感器，所述光纤光栅称重传感器包括：

光纤，所述光纤包括具有沿预设方向上刻有光纤光栅的纤芯和包覆在所述纤芯外围的柱状包层，所述柱状包层的外表面具有多个正六边形栅格状凹槽，每个所述正六边形栅格状凹槽与周围的六个所述正六边形栅格状凹槽各共用一条边；以及

金属壳体组件，包括第一金属承载件和与所述第一金属承载件相对设置的第二金属承载件，所述光纤夹在所述第一金属承载件和所述第二金属承载件之间。

优选地，每个所述正六边形栅格状凹槽包括多条凹槽，每条所述凹槽的长度在50μm -70μm的范围内；每条凹槽的深度在20μm-30μm的范围内；每条凹槽的宽度在8μm -10μm范围内；所述柱状包层的厚度在55μm-60μm的范围内。

优选地，所述第一金属承载件具有第一容置槽，所述第二金属承载件具有第二容置槽，所述第一容置槽与所述第二容置槽分别用于收纳所述光纤的上半部分和下半部分。

优选地，所述第一容置槽和所述第二容置槽的槽表面还各设置有凸起结构，所述凸起结构容置在多个所述正六边形栅格状凹槽中。

优选地，所述凸起结构与所述正六边形栅格状凹槽形状适配，包括多个正六边形栅格状凸起，每个所述正六边形栅格状凸起容置在对应一个所述正六边形栅格状凹槽中。

优选地，所述正六边形栅格状凹槽中或所述正六边形栅格状凹槽中和所述正六边形栅格状凹槽外围的表面设置有粘结剂，所述粘结剂将所述光纤和所述第一金属承载件粘接在一起，以及将所述光纤和所述第二金属承载件粘接在一起。

本发明实现目的之二所采用的技术方案为：一种传感系统，包括：

所述的光纤光栅称重传感器；

光源，用于发出检测光线；

光纤环形器，包括第一端、第二端和第三端，所述第一端用于接收所述光源发出的所述检测光线，所述第二端用于将所述检测光线提供至所述光纤的一端，并接收经由所述光栅反射的反射光线，所述第三端用于输出所述反射光线；

光谱解调仪，用于接收所述第三端的所述反射光线以获得所述反射光线的光谱数据；以及

处理器，用于依据所述光谱数据计算施加在所述光纤光栅称重传感器上的物体重量。

本发明实现目的之三所采用的技术方案为：一种光纤光栅称重传感器的制造方法，所述制造方法包括：

提供光纤，所述光纤包括具有沿预设方向上刻有光纤光栅的纤芯和包覆在所述纤芯外围的柱状包层；

对所述光纤进行预处理；

对所述柱状包层的外表面进行加工，使得所述光纤的所述柱状包层的外表面形成多个正六边形栅格状凹槽，其中，每个所述正六边形栅格状凹槽与周围的六个所述正六边形栅格状凹槽各共用一条边；以及

提供第一金属承载件和第二金属承载件，将所述光纤夹设在所述第一金属承载件和所述第二金属承载件之间。

优选地，所述对所述柱状包层的外表面进行加工的步骤包括：采用飞秒激光加工工艺对应所述光纤，按照预设路径移动所述光纤使得所述光纤的所述柱状包层的外表面形成所述正六边形栅格状凹槽。

优选地，所述制造方法还包括在所述提供第一金属承载件和第二金属承载件的步骤前执行的以下步骤：

在所述第一金属承载件和所述第二金属承载件表面加工用于容置在所述正六边形栅格状凹槽中的凸起结构；及

提供粘结剂，将所述粘结剂涂附所述正六边形栅格状凹槽中或者所述正六边形栅格状凹槽中和所述正六边形栅格状凹槽外围的所述柱状包层的外表面。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

（1）本发明的光纤光栅称重传感器，通过在所述光纤的所述柱状包层的外表面形成多个正六边形栅格状凹槽，由于正六边形结构力学性能均匀，可以使得所述光纤可以随受到的压力的大小发生适当的弯曲形变抵抗载荷，从而避免所述光纤某处受到的应力过于集中，使得所述光纤整体的受力较为均匀，减少光纤发生裂纹或断裂的情况，进而可提高光纤光栅称重传感器的承载能力和疲劳寿命。

（2）本发明的光纤光栅称重传感器，通过在所述光纤的所述柱状包层的外表面形成多个正六边形栅格状凹槽，使得所述柱状包层的外表面面积增大，从而有利于增加受压接触面积，在提高承载能力的同时，还可以提高所述光纤光栅称重传感器的灵敏度，经实验测试，在同样的条件下，具有所述凹槽的光纤光栅称重传感器接收到反射光线的光谱漂移相较于未加工凹槽的光纤光栅称重传感器的反射光线的光谱漂移更大，可见，上述正六边形栅格状凹槽的设计，在提高光纤的承载能力和疲劳寿命的同时，还可以提高称重灵敏度。再进一步地说，上述凹槽的设计也使得可使用最少的材料减少自身体重的同时，有效发挥最大的功效，提高压力承载上限。

（3）本发明的光纤光栅称重传感器，通过在所述光纤的所述柱状包层的外表面形成多个正六边形栅格状凹槽，且相邻两个正六边形栅格状凹槽共边，使得多个所述正六边形栅格状凹槽可以紧密且规则地排列，不仅有利于提高所述光纤的结构强度，使得所述光纤整体的受力均匀，且可以避免正三角形拼接或正方形拼接时导致的直线形凹槽较长从而易引用光纤断裂失效的问题，进一步保证所述光纤的承载能力和疲劳寿命。

（4）本发明的制造方法，制造工艺简单，适于工业化生产。

（5）本发明的光纤光栅称重传感系统承载能力较高、疲劳寿命较佳且灵敏度较高。

附图说明

图1是本申请实施例1提供的光纤光栅称重传感器的立体图；

图2是图1所示光纤光栅称重传感器的分解图；

图3是图1所示光纤光栅称重传感器的剖视图；

图4是本申请实施例2提供的光纤光栅称重传感系统的方框图；

图5是本申请实施例3提供的光纤光栅称重传感器的制造方法的流程图；

图6是本申请实施例3提供的光纤光栅称重传感器的制造方法的制造正六边形栅格状凹槽的原理示意图；

图中：1、光纤光栅称重传感器；2、光纤；3、纤芯；31、光栅；4、柱状包层；41、正六边形栅格状凹槽；5、金属壳体组件；51、第一金属承载件；511、第一容置槽；52、第二金属承载件；521、第二容置槽；53、凸起结构；6、光源；7、光纤环形器；8、光谱解调仪；9、处理器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1

如图1-3所示，本实施例提供一种光纤光栅称重传感器1，所述光纤光栅称重传感器1包括光纤2和金属壳体组件5。所述光纤2包括纤芯3和柱状包层4，所述纤芯3具有沿预设方向排列的多个光栅31，所述柱状包层4包覆在所述纤芯3周围，所述柱状包层4具有形成在外表面的正六边形栅格状凹槽41，每个所述正六边形栅格状凹槽41与周围的六个所述正六边形栅格状凹槽41各共用一条边。所述金属壳体组件5包括第一金属承载件51和与所述第一金属承载件51相对设置的第二金属承载件52，所述光纤2夹在所述第一金属承载件51和所述第二金属承载件52之间。

在所述柱状包层4外表面设置多个正六边形栅格状凹槽41，由于正六边形结构力学性能均匀，因此所述正六边形栅格状凹槽41可以使得所述光纤2可以随受到的压力的大小发生适当的弯曲形变抵抗载荷，从而避免所述光纤2某处受到的应力过于集中，使得所述光纤2整体的受力较为均匀，减少光纤2发生裂纹或断裂的情况，进而可提高光纤光栅称重传感器1的承载能力和疲劳寿命的同时，还可以提高称重灵敏度。

多个正六边形栅格状凹槽41中，每个所述正六边形栅格状凹槽41与周围的六个所述正六边形栅格状凹槽41各共用一条边的设计，使得多个所述正六边形栅格状凹槽41可以紧密且规则地排列，不仅有利于提高所述光纤2的结构强度，使得所述光纤2整体的受力均匀，且可以避免正三角形拼接或正方形拼接时导致的直线形凹槽较长从而易引用光纤断裂失效的问题，进一步保证所述光纤2的承载能力和疲劳寿命。

多个正六边形栅格状凹槽41的设计也使得所述柱状包层4的外表面面积增大，从而有利于增加受压接触面积，在提高承载能力的同时，还可以提高所述光纤光栅称重传感器1的灵敏度，经实验测试，在同样的条件下，具有所述正六边形栅格状凹槽41的光纤光栅称重传感器1接收到反射光线的光谱漂移相较于未加工正六边形栅格状凹槽41的光纤光栅称重传感器的反射光线的光谱漂移更大，可见，上述正六边形栅格状凹槽41的设计，在提高光纤2的承载能力和疲劳寿命的同时，还可以提高称重灵敏度。再进一步地说，上述正六边形栅格状凹槽41的设计也使得可使用最少的材料减少自身体重的同时，有效发挥最大的功效，提高压力承载上限。

本实施例中，所述金属壳体组件5包括第一金属承载件51和与所述第一金属承载件51相对设置的第二金属承载件52，所述光纤2夹在所述第一金属承载件51和所述第二金属承载件52之间，可以理解，金属质地的承载件支护强度大，有较高的承载能力，能保护光纤2不易断裂、难被腐蚀，并且金属承载件耐高低温变化，也有利于延长所述光纤光栅称重传感器1的使用寿命。

本实施例中，每个所述正六边形栅格状凹槽41包括六条相互连通的凹槽，每条凹槽的长度在50μm -70μm的范围内；每条凹槽的深度在20μm-30μm的范围内；每条凹槽的宽度在8μm -10μm范围内；所述柱状包层4的厚度在55μm-60μm的范围内。选用范围内的参数既能增大接触面积，同时在受到外力的荷载下，材料本身可以通过自身弯曲变形来抵抗载荷，使得所述光纤光栅称重传感器1具有较好的承载能力、结构强度、疲劳寿命及灵敏度。

本实施例中，每条凹槽的长度为65μm，所述柱状包层4的厚度约为58μm，每条凹槽的宽度为9μm，经测算，上述参数具有较好的承载能力、结构强度、疲劳寿命及灵敏度。在其他实施例中也可根据实际需求设置其他凹槽的参数。

本实施例中，所述第一金属承载件51具有截面为半圆形的第一容置槽511，所述第二金属承载件52具有截面为半圆形的第二容置槽521，所述第一容置槽511与所述第二容置槽521分别用于收纳所述光纤2的上半部分和下半部分。可以理解，通过所述第一容置槽511和所述第二容置槽521，可以适配收纳所述光纤2，在保护光纤2的同时，也有利于保证所述光纤光栅称重传感器1的传感灵敏度。

在本实施例中，所述第一容置槽511和所述第二容置槽521的槽表面还可以各设置有凸起结构53，所述凸起结构53容置在多个所述正六边形栅格状凹槽41中。通过设置在所述第一金属承载件51和所述第二金属承载件52上设置凸起结构53，不仅可以提高所述光纤2和所述金属壳体组件5结合的结构强度，还可以增加所述光纤2的受压接触面积，在提高承载能力的同时，有效提高所述光纤光栅称重传感器1的灵敏度。

本实施例中，所述凸起结构53与所述正六边形栅格状凹槽41形状适配，如所述凸起结构53可以包括多个正六边形栅格状凸起，每个所述正六边形栅格状凸起容置在对应一个所述正六边形栅格状凹槽41中。可以理解，通过使所述凸起结构53与所述正六边形栅格状凹槽41形状适配，每个所述正六边形栅格状凸起容置在对应一个所述正六边形栅格状凹槽41中，可以使得所述第一金属承载件51和所述第二金属承载件52与所述光纤2的结合更加紧密，最大程度地增加所述光纤2的受压接触面积，提高所述光纤光栅称重传感器1的灵敏度，以及提升所述光纤2和所述金属壳体组件5的结合强度。

本实施例中，在所述正六边形栅格状凹槽41中或所正六边形栅格状凹槽41中和所述正六边形栅格状凹槽41外围的表面可以设置有粘结剂，所述粘结剂将所述光纤2和所述第一金属承载件51粘接在一起，以及将所述光纤2和所述第二金属承载件52粘接在一起。可以理解，通过所述粘结剂，可以有效提升所述光纤2和所述金属壳体组件5的结合强度；并且，通过所述粘结剂，所述金属壳体组件5可以将压力更为均匀有效地传递至所述光纤2，从而保证所述光纤2感测的灵敏度和准确度；此外，所述粘结剂也可以得到一定缓冲、包覆和保护的作用，避免光纤2被压断裂等情形的发生、延长所述光纤光栅称重传感器1使用寿命。特别是，当所述第一容置槽511和所述第二容置槽521的槽表面各设置有凸起结构53，所述凸起结构53与所述正六边形栅格状凹槽41形状适配时，所述粘结剂可以将所述凸起结构53与所述正六边形栅格状凹槽41稳靠连接，最大程度地可提高光纤光栅称重传感器1的承载能力、疲劳寿命及灵敏度。具体地，所述粘结剂可以为环氧树脂胶。

实施例2

如图4所示，本实施例提供一种光纤光栅称重传感系统，所述光纤光栅称重传感系统10包括光纤光栅称重传感器1、光源6、光纤环形器7、光谱解调仪8及处理器9。

所述光源6用于发出检测光线。所述光纤环形器7包括第一端、第二端和第三端，所述第一端用于接收所述光源6发出的所述检测光线，所述第二端用于将所述检测光线提供至所述光纤2的一端，并接收经由所述光纤2的多个所述光栅31反射的反射光线，所述第三端还用于输出所述反射光线。所述光谱解调仪8用于接收所述第三端的所述反射光线以获得所述反射光线的光谱数据。所述处理器9用于依据所述光谱数据计算施加在所述光纤光栅称重传感器1上的物体重量。

上述光纤光栅称重传感系统具有所述光纤光栅称重传感器1的全部技术特征，从而具有所述光纤光栅称重传感器1全部的技术效果，此处就不再一一赘述。

实施例3

如图5所示，本实施例提供一种光纤光栅称重传感器的制造方法，具体地，所述制造方法包括以下步骤。

步骤S1，提供光纤2。

步骤S1中，所述光纤2包括纤芯3和柱状包层4，所述纤芯3具有沿预设方向排列的多个光栅31，所述柱状包层4包覆在所述纤芯3周围。

步骤S2中，对所述光纤2进行预处理。所述预处理可以包括对所述光纤2的涂覆层进行剥离，以及使用去离子水清洗所述光纤2的步骤。

步骤S3中，对所述光纤2的柱状包层4的外表面进行加工，使得所述柱状包层4的外表面形成正六边形栅格状凹槽41，其中，每个所述正六边形栅格状凹槽41与周围的六个所述正六边形栅格状凹槽41各共用一条边。

如图6所示，所述步骤S3可以包括：使用激光刻刀采用飞秒激光加工工艺对应所述光纤2，按照预设路径移动所述光纤2使得柱状包层4的外表面形成所述正六边形栅格状凹槽41。通过飞秒激光的加工工艺，可以高效实现微米级尺寸、特殊形状、极致精度的加工，并且被加工过得材料表面均匀，无熔化痕迹，边缘光滑、清洁，具有较高的可靠性，且可以更好地贴合金属承载件。

步骤S4中，提供第一金属承载件51和第二金属承载件52。

步骤S5中，将所述光纤2夹设在所述第一金属承载件51和所述第二金属承载件52之间。

第一金属承载件51设置有第一容置槽511，第二金属承载件52设置有第二容置槽521，所述光纤2容置在第一容置槽511和第二容置槽521组合形成的容置腔内。

在第一容置槽511和第二容置槽521的内表面加工用于容置在所述正六边形栅格状凹槽41中的凸起结构53；及提供粘结剂，将所述粘结剂涂附所述正六边形栅格状凹槽41内或者所述正六边形栅格状凹槽41内和外围的所述柱状包层4的外表面。

具体地，可以采用飞秒激光工艺或者电火花放电技术在所述第一金属承载件51的所述第一容置槽511的槽表面和所述第二金属承载件52的所述第二容置槽521的槽表面分别加工所述凸起结构53，关于所述凸起结构53和所述粘结剂的结构和作用已经在上述第一方面进行了详细介绍，此处就不再赘述。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光纤光栅称重传感器，其特征在于，所述光纤光栅称重传感器包括：

光纤，所述光纤包括具有沿预设方向上刻有光纤光栅的纤芯和包覆在所述纤芯外围的柱状包层，所述柱状包层的外表面具有多个正六边形栅格状凹槽，每个所述正六边形栅格状凹槽与周围的六个所述正六边形栅格状凹槽各共用一条边；以及

金属壳体组件，包括第一金属承载件和与所述第一金属承载件相对设置的第二金属承载件，所述光纤夹在所述第一金属承载件和所述第二金属承载件之间。

2.如权利要求1所述的光纤光栅称重传感器，其特征在于，每个所述正六边形栅格状凹槽包括多条凹槽，每条所述凹槽的长度在50μm -70μm的范围内；每条凹槽的深度在20μm-30μm的范围内；每条凹槽的宽度在8μm -10μm范围内；所述柱状包层的厚度在55μm-60μm的范围内。

3.如权利要求1所述的光纤光栅称重传感器，其特征在于，所述第一金属承载件具有第一容置槽，所述第二金属承载件具有第二容置槽，所述第一容置槽与所述第二容置槽分别用于收纳所述光纤的上半部分和下半部分。

4.如权利要求3所述的光纤光栅称重传感器，其特征在于，所述第一容置槽和所述第二容置槽的槽表面还各设置有凸起结构，所述凸起结构容置在多个所述正六边形栅格状凹槽中。

5.如权利要求4所述的光纤光栅称重传感器，其特征在于，所述凸起结构与所述正六边形栅格状凹槽形状适配，包括多个正六边形栅格状凸起，每个所述正六边形栅格状凸起容置在对应一个所述正六边形栅格状凹槽中。

6.如权利要求3-5项任意一项所述的光纤光栅称重传感器，其特征在于，所述正六边形栅格状凹槽中或所述正六边形栅格状凹槽中和所述正六边形栅格状凹槽外围的表面设置有粘结剂，所述粘结剂将所述光纤和所述第一金属承载件粘接在一起，以及将所述光纤和所述第二金属承载件粘接在一起。

7.一种传感系统，其特征在于，包括：

如权利要求1-6项任意一项所述的光纤光栅称重传感器；

光源，用于发出检测光线；

光纤环形器，包括第一端、第二端和第三端，所述第一端用于接收所述光源发出的所述检测光线，所述第二端用于将所述检测光线提供至所述光纤的一端，并接收经由所述光栅反射的反射光线，所述第三端用于输出所述反射光线；

光谱解调仪，用于接收所述第三端的所述反射光线以获得所述反射光线的光谱数据；以及

处理器，用于依据所述光谱数据计算施加在所述光纤光栅称重传感器上的物体重量。

8.一种光纤光栅称重传感器的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：

提供光纤，所述光纤包括具有沿预设方向上刻有光纤光栅的纤芯和包覆在所述纤芯外围的柱状包层；

对所述光纤进行预处理；

对所述柱状包层的外表面进行加工，使得所述光纤的所述柱状包层的外表面形成多个正六边形栅格状凹槽，其中，每个所述正六边形栅格状凹槽与周围的六个所述正六边形栅格状凹槽各共用一条边；以及

提供第一金属承载件和第二金属承载件，将所述光纤夹设在所述第一金属承载件和所述第二金属承载件之间。

9.如权利要求8所述的光纤光栅称重传感器的制造方法，其特征在于，所述对所述柱状包层的外表面进行加工的步骤包括：采用飞秒激光加工工艺对应所述光纤，按照预设路径移动所述光纤使得所述光纤的所述柱状包层的外表面形成所述正六边形栅格状凹槽。

10.如权利要求8所述的光纤光栅称重传感器的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括在所述提供第一金属承载件和第二金属承载件的步骤前执行的以下步骤：

在所述第一金属承载件和所述第二金属承载件表面加工用于容置在所述正六边形栅格状凹槽中的凸起结构；及

提供粘结剂，将所述粘结剂涂附所述正六边形栅格状凹槽中或者所述正六边形栅格状凹槽中和所述正六边形栅格状凹槽外围的所述柱状包层的外表面。

Images