CN117928416B - 一种mems光纤表面式应变计 - Google Patents

Abstract

一种MEMS光纤表面式应变计，用于固定在被测物体表面测量物体在相应载荷情况下的应变，具有左侧固定部、右侧固定部和设置在所述左侧固定部和右侧固定部之间的四边形结构，所述四边形结构通过对角线连接部连接于左侧固定部和右侧固定部，设置在所述四边形结构第一边上的准直器和设置在所述四边形结构第二边上的闪耀光栅，所述第一边与所述第二边为所述四边形结构中的相邻的两个边。通过相邻边之间的角度变化实现四边形结构形变的监测。

Description

一种MEMS光纤表面式应变计

技术领域

本发明涉及位移测量技术领域，具体涉及一种MEMS光纤表面式应变计。

背景技术

应变测量技术广泛应用于工业、军事、航空航海以及通讯等各种领域。现有技术中的应变测量技术利用应变传感器对监测物体应变进行测量，应变传感器通常通过胶水、焊接、螺栓等方式固定在被测物体表面，当物体表面产生应变时，应变可传导至应变传感器引起应变传感器输出信号改变，从而实现应变的测量。市面上常见的有电子应变计，振动丝应变计、光纤光栅应变计，电子应变计是通过其传感器内部的电阻应变片来实现应变测量；振动丝应变计在受到外界应变影响后，振动丝的固有频率发生变化从而实现应变的测量；光纤光栅应变计的光栅在受到外接拉伸时，反射波长改变实现应变的测量。这几类技术有以下缺陷：1、长期稳定性差，电子应变片、振动丝、光纤光栅在长期使用时均会发生蠕变、漂移等现象，使传感器性能下降；2、电阻应变片、振动丝应变计均为有源器件，易受电磁干扰；3、光纤光栅应变计受到光纤光栅拉伸量的限制分辨率低、精度差。

中国授权专利CN115560682B公开了一种位移测量装置，具有顶部支撑梁和两个竖直支撑梁，将闪耀光栅芯片和准直单元分别固定在竖直支撑梁和顶部支撑梁，通过微小角度的测量，获得微小位移的测量，然而该文件中由于顶部支撑梁和两个竖直支撑梁连接位置设置的角点有可能存在不一致的结构，如该角点的缺口公差不同，导致两个竖直支撑梁在外力作用下倾斜角度不同，变形不一致，导致存在微小位移测量不精确；且该位移测量装置中由于两个竖直支撑梁依靠下部角点固定连接，当顶部支撑梁受到微小的侧向载荷或振动时，对顶部支撑梁产生绕下部固定角点的弯矩，使该测量结构十分不稳定，竖直支撑梁和顶部支撑梁的角度不断变化，不利于位移的稳定测量。中国专利CN206514980U公开了一种双光纤光栅土压力传感器，在平行四边形内部设置有拉伸光纤光栅，当平行四边形变形时，引起光栅内部光的波长改变，根据该波长计算应变，然后根据应变计算膜片的压力，该传感器的光纤光栅在长期使用时均会发生蠕变、漂移等现象，光纤光栅应变计受到光纤光栅拉伸量的限制分辨率低、精度差。

发明内容

为了克服现有技术中诸多问题中的至少一者，本发明提供了一种可进行精确测量的MEMS光纤表面式应变计。

一种可进行精确测量的MEMS光纤表面式应变计，用于固定在被测物体表面测量物体在相应载荷情况下的应变，具有左侧固定部、右侧固定部和设置在所述左侧固定部和右侧固定部之间的四边形结构，通过所述左侧固定部和右侧固定部与被测物体固定连接，所述四边形结构通过对角线连接部连接于左侧固定部和右侧固定部，例如四边形结构通过左下位置和右上位置与左侧固定部和右侧固定部连接，或通过左上位置和右下位置与左侧固定部和右侧固定部固定连接；所述四边形结构具有两个横边和两个竖边，两个横边的边长相等，两个竖边的边长相等，设置在所述四边形结构第一边上的准直器和设置在所述四边形结构第二边上的闪耀光栅，所述第一边与所述第二边为所述四边形结构中的相邻的两个边。当被测物体在相应载荷作用下发生变形，所述左侧固定和右侧固定部之间的距离随之发生变化，并通过相应的力作用与四边形的对角线连接部，使四边形发生形变，有朝着平行四边形变化的趋势，因此四边形的四个角产生于被测物体应变对应的角度变化，相邻边之间的角度变化引起准直器与闪耀光栅之间的角度发生变化，从而实现四边形结构形变的监测，进而根据四边形形变计算获得左侧固定部与右侧固定部之间应变量。

可选的一个实施例中，通过调整该四边形结构的相邻两边的距离比值，调整两相应邻边在相同距离之间的变化，利用四边形结构邻边之间的角度变化量的调节，可实现调整应变计的灵敏度，优选设置竖边与横边的比值为1:1至1:3的范围，可以在被测物体产生相应应变时获得最佳的测量范围与灵敏度。

可选的一个实施例中，所述左侧固定部设置有左侧连接孔，右侧固定部设置有右侧连接孔，通过现有技术中的螺栓、销钉等连接装置与所述左侧连接孔和右侧连接孔配合，将左侧固定部与右侧固定部固定连接在被测物体上。

优选的，所述横边与所述竖边连接处形成四个角点，在所述角点形成有变形结构，优选所述变形结构为圆弧形的槽，利用在角点设置的变形结构，在四边形结构受力变形时，防止角点位置的应力集中，同时可增加四边形在变形过程中的倾斜角度，增加闪耀光栅对角度测量的精确度，从而提高对应变测量的精确度。

在一个可选的实施中，所述圆弧形的槽与横边的表面相切，水平相对的两个槽的圆心的连线与所述横边的长度方向平行，利用该圆弧形槽的内壁实现弹性变形，防止四边形结构变形过程应力集中，导致的不可逆损伤。

在一个可选的实施中，所述准直器通过准直器支架固定在所述横边上，在所述横边上固定连接有所述准直器支架，所述准直器安装与所述准直器支架上；所述闪耀光栅通过芯片固定杆固定在与所述横边相邻的竖边上，所述芯片固定杆固定连接在所述竖边上，所述闪耀光栅安装在所述芯片固定杆上。闪耀光栅用于反射所述准直器的入射光，将其固定在竖边，当竖边产生角度微小倾斜时，使闪耀光栅位置发生变化，因此设置闪耀光栅位于竖边上保持准直器固定不变，减少变形量对准直器的扰动对测量结果的影响。

在一个优选的实施中，在邻近闪耀光栅一侧的左侧固定部或右侧固定部设置有薄弱结构和U形槽，所述薄弱结构形成在对角线连接部与左侧连接孔或右侧连接孔之间，所述薄弱结构的厚度小于所述左侧固定部或右侧固定部的厚度，所述薄弱结构布置在沿厚度方向的中间位置；所述U形槽围绕所述左侧连接孔或右侧连接孔并将所述左侧固定部或右侧固定部沿厚度方向贯通形成，所述薄弱结构的沿竖直方向的一部分贯通形成为U形槽的一部分，所述U形槽设置为两个，并沿左侧连接孔和右侧连接孔的连线对称设置。闪耀光栅的工作面与准直器入射光发生角度变化时，输出信号（反射光波长）将发生改变，当准直器入射光与闪耀光栅相对工作面的垂直面发生角度变化时，将会导致反射信号丢失，发生扭转时，同样会导致信号丢失。为了减小结构安装变形可能导致的光谱丢失问题，在左侧连接孔或右侧连接孔加工了薄弱结构和U形槽，这俩处结构可以吸收在应变计安装时由于安装面不平引起的结构变形，使该变形不至于传导至四边形结构处。当应变计受到左右方向的拉压载荷时，该形变主要由四边形结构吸收，当受到由被测物体表面不平整时产生的垂直于纸面的弯矩或者整体受到扭矩时，薄弱结构和U形槽产生变形可以吸收这部分载荷，使该载荷不至于作用至平行四边形结构，引起光谱劣化（一定范围内，超过合理范围可能损毁应变计），这样的结构可以降低应变计安装的要求，增加其适应性。

在一个优选的实施例中，所述左侧连接孔和右侧连接孔的外周部分厚度相同，且大于左侧固定部和右侧固定部的厚度，从而使得所述外周部分伸出左侧固定部和右侧固定部，形成在MEMS光纤表面式应变计安装时，仅左侧连接孔和右侧连接孔的外周部分与被测物体的表面接触，降低了MEMS光纤表面式应变计与被测物体的接触面积，降低了被测物体安装表面不平整度产生的应变计潜在的应变，提高了应变测量精度。

由上述技术方案可见，本申请的MEMS光纤表面式应变计，提高了应变测量的精度，增加了应变计抗干扰性抗震动性能，提高了应变计测量过程中的稳定性，降低应变计安装的表面要求，增加其适应性，避免了现有技术应变测量时的缺陷。

附图说明

附图用于更好的理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是本发明实施例的MEMS光纤表面式应变计的结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是应变计受拉压载荷时的示意图；

1-左侧固定部,11-左侧连接孔，2-右侧固定部，21-右侧连接孔，22-薄弱结构，23-U形槽，3-四边形结构，31-横边，32-竖边，33-角点，41-准直器，42-准直器支架，51-闪耀光栅，52-芯片固定杆，6-外周部分。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“ 包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除 存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

本发明提供一种可进行精确测量的MEMS光纤表面式应变计，用于固定在被测物体表面测量物体在相应载荷情况下的应变，如图1所示具有左侧固定部1、右侧固定部2和设置在所述左侧固定部1和右侧固定部2之间的四边形结构3，通过所述左侧固定部1和右侧固定部2与被测物体固定连接，所述四边形结构3通过对角线连接部连接于左侧固定部1和右侧固定部2，例如图1中的四边形结构通过左下位置和右上位置与左侧固定部1和右侧固定部2连接，或通过左上位置和右下位置与左侧固定部1和右侧固定部2固定连接；所述四边形结构具有两个横边31和两个竖边32，两个横边31的边长相等，两个竖边32的边长相等，设置在所述四边形结构第一边上的准直器41和设置在所述四边形结构第二边上的闪耀光栅51，所述第一边与所述第二边为所述四边形结构3中的相邻的两个边。当被测物体在相应载荷作用下发生变形，所述左侧固定和右侧固定部2之间的距离随之发生变化，并通过相应的力作用与四边形的对角线连接部，使四边形发生形变，有朝着平行四边形变化的趋势，因此四边形的四个角产生于被测物体应变对应的角度变化，相邻边之间的角度变化引起准直器41与闪耀光栅51之间的角度发生变化，从而实现四边形结构3形变的监测，进而根据四边形形变计算获得左侧固定部1与右侧固定部2之间应变量。

可选的一个实施例中，通过调整该四边形结构的相邻两边的距离比值，调整两相应邻边在相同距离之间的变化，利用四边形结构邻边之间的角度变化量的调节，可实现调整应变计的灵敏度，优选设置竖边32与横边31的比值为1:1至1:3的范围，可以在被测物体产生相应应变时获得最佳的测量范围与灵敏度。

可选的一个实施例中，所述左侧固定部1设置有左侧连接孔11，右侧固定部2设置有右侧连接孔21，通过现有技术中的螺栓、销钉等连接装置与所述左侧连接孔11和右侧连接孔21配合，将左侧固定部1与右侧固定部2固定连接在被测物体上。

优选的，所述横边31与所述竖边连接处形成四个角点33，在所述角点33形成有变形结构，优选所述变形结构为圆弧形的槽，利用在角点33设置的变形结构，在四边形结构受力变形时，防止角点33位置的应力集中，同时可增加四边形在变形过程中的倾斜角度，增加闪耀光栅51对角度测量的精确度，从而提高对应变测量的精确度。

在一个可选的实施中，所述圆弧形的槽与横边31的表面相切，水平相对的两个槽的圆心的连线与所述横边31的长度方向平行，利用该圆弧形槽的内壁实现弹性变形，防止四边形结构3变形过程应力集中，导致的不可逆损伤。

在一个可选的实施中，所述准直器41通过准直器支架42固定在所述横边31上，所述准直器41连接有光纤（未图示出），在所述横边31上固定连接有所述准直器41支架，所述准直器41安装与所述准直器支架42上；所述闪耀光栅51通过芯片固定杆52固定在与所述横边31相邻的竖边32上，所述芯片固定杆52固定连接在所述竖边32上，所述闪耀光栅51安装在所述芯片固定杆52上。闪耀光栅51用于反射所述准直器41的入射光，将其固定在竖边32，当竖边32产生角度微小倾斜时，使闪耀光栅51位置发生变化，因此设置闪耀光栅51位于竖边32上保持准直器41固定不变，减少变形量对准直器41的扰动对测量结果的影响。

在一个优选的实施中，在邻近闪耀光栅51一侧的左侧固定部1或右侧固定部2设置有薄弱结构22和U形槽23，所述薄弱结构22形成在对角线连接部与左侧连接孔11或右侧连接孔21之间，所述薄弱结构22的厚度小于所述左侧固定部1或右侧固定部2的厚度，所述薄弱结构22布置在沿厚度方向的中间位置；所述U形槽23围绕所述左侧连接孔11或右侧连接孔21并将所述左侧固定部1或右侧固定部2沿厚度方向贯通形成，所述薄弱结构22的沿竖直方向的一部分贯通形成为U形槽23的一部分，所述U形槽23设置为两个，并沿左侧连接孔11和右侧连接孔21的连线对称设置。闪耀光栅51的工作面与准直器41入射光发生角度变化时，输出信号（反射光波长）将发生改变，当准直器41入射光与闪耀光栅51相对工作面的垂直面发生角度变化时，将会导致反射信号丢失，发生扭转时，同样会导致信号丢失。为了减小结构安装变形可能导致的光谱丢失问题，在左侧连接孔11或右侧连接孔21加工了薄弱结构22和U形槽23，这俩处结构可以吸收在应变计安装时由于安装面不平引起的结构变形，使该变形不至于传导至四边形结构3处。如图3中所示，当应变计受到左右方向的拉压载荷时，该形变主要由四边形结构3吸收；当受到由被测物体表面不平整时产生的垂直于纸面的弯矩或者整体受到扭矩时，薄弱结构22和U形槽23产生变形可以吸收这部分载荷，使该载荷不至于作用至平行四边形结构3，引起光谱劣化（一定范围内，超过合理范围可能损毁应变计），这样的结构可以降低应变计安装的要求，增加其适应性。

在一个优选的实施例中，所述左侧连接孔11和右侧连接孔21的外周部分6厚度相同，如图2中所示，且大于左侧固定部1和右侧固定部2的厚度，从而使得所述外周部分6伸出左侧固定部1和右侧固定部2，形成在MEMS光纤表面式应变计安装时，仅左侧连接孔11和右侧连接孔21的外周部分6与被测物体的表面接触，降低了MEMS光纤表面式应变计与被测物体的接触面积，降低了被测物体安装表面表面不平整度产生的应变计潜在的应变产生，提高了应变测量精度。

Claims (9)

1.一种MEMS光纤表面式应变计，用于固定在被测物体表面测量物体在相应载荷情况下的应变，具有左侧固定部、右侧固定部和设置在所述左侧固定部和右侧固定部之间的四边形结构，通过所述左侧固定部和右侧固定部与被测物体固定连接；其特征在于，所述四边形结构通过对角线连接部连接于左侧固定部和右侧固定部，所述四边形结构具有两个横边和两个竖边，两个横边的边长相等，两个竖边的边长相等，设置在所述四边形结构第一边上的准直器和设置在所述四边形结构第二边上的闪耀光栅，所述第一边与所述第二边为所述四边形结构中的相邻的两个边，通过调整该四边形结构的相邻两边的距离比值，实现测量灵敏度的调节。

2.根据权利要求1中所述的MEMS光纤表面式应变计，其特征在于，设置竖边与横边的比值为1:1至1:3。

3.根据权利要求1中所述的MEMS光纤表面式应变计，其特征在于，所述左侧固定部设置有至少一个左侧连接孔，右侧固定部设置有至少一个右侧连接孔，通过所述左侧连接孔和右侧连接孔配合，将左侧固定部与右侧固定部固定连接在被测物体上。

4.根据权利要求1中所述的MEMS光纤表面式应变计，其特征在于，所述横边与所述竖边连接处形成四个角点，在所述角点形成有变形结构。

5.根据权利要求4中所述的MEMS光纤表面式应变计，其特征在于，所述变形结构为圆弧形的槽。

6.根据权利要求5中所述的MEMS光纤表面式应变计，其特征在于，所述圆弧形的槽与横边的表面相切，水平相对的两个槽的圆心的连线与所述横边的长度方向平行。

7.根据权利要求1中所述的MEMS光纤表面式应变计，其特征在于，所述准直器通过准直器支架固定在所述横边上，在所述横边上固定连接有所述准直器支架，所述准直器安装于所述准直器支架上；所述闪耀光栅通过芯片固定杆固定在与所述横边相邻的竖边上，所述芯片固定杆固定连接在所述竖边上，所述闪耀光栅安装在所述芯片固定杆上。

8.根据权利要求1中所述的MEMS光纤表面式应变计，其特征在于，在邻近闪耀光栅一侧的左侧固定部或右侧固定部设置有薄弱结构和U形槽，所述薄弱结构形成在对角线连接部与左侧连接孔或右侧连接孔之间，所述薄弱结构的厚度小于所述左侧固定部或右侧固定部的厚度，所述薄弱结构布置在沿厚度方向的中间位置；所述U形槽围绕所述左侧连接孔或右侧连接孔并将所述左侧固定部或右侧固定部沿厚度方向贯通形成。

9.根据权利要求3中所述的MEMS光纤表面式应变计，其特征在于，所述左侧连接孔和右侧连接孔的外周部分厚度相同，且大于左侧固定部和右侧固定部的厚度。