CN1287135C - 温度自动补偿式光纤光栅力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型传感器，特别是具有温度自动补偿功能的、能够对力进行高精度感测的光纤光栅力传感器。该传感器具有抗剪切的对称的轮辐式机构，两个光纤光栅分别粘贴在轮辐侧面中间与中性轴线成一定角度的方向上。当荷载作用于嵌入内环顶部的受力柱表面传递到轮辐式弹性体上时，该轮辐受到剪应力作用，使粘贴其上的光纤光栅周期发生变化，通过光探测器可得到两个光纤光栅的反射峰。通过测量两个光纤光栅反射峰变化量的差值，即可实现温度自动补偿的力的高精度感测。该传感器可用于荷载的压力以及相关力的高精度感测。并且，通过优化设计传感机构，亦可对液体和气体进行压力和压强的高精度感测。

Description

温度自动补偿式光纤光栅力传感器

技术领域

本发明涉及一种新型传感器，特别是具有温度自动补偿功能的、能够对力进行高精度感测的光纤光栅力传感器。

背景技术

光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中形成的一种空间周期性折射率分布，这种结构可以改变和控制光波在光纤中的传播行为。光纤光栅传感器是通过对光纤光栅的特殊封装使其对待测参量敏感，并通过光纤光栅波长的变化来感测待测参量的大小及方向。将光纤光栅传感器阵列化并与波分复用和时分复用系统相结合，埋入衬底材料和结构内部或贴装在其表面，可对材料的特性(如温度、应变、应力、压力、位移、速度、加速度等)实现多点监测。光纤光栅传感器已被广泛应用于建筑结构、航天航空、海洋探测及科学研究等诸多领域，属于一种新颖的无损检测技术。但是，当前光纤光栅传感器存在温度与应变交叉敏感效应的问题。

本发明是一种具有温度自动补偿功能的光纤光栅力传感器，是在设计具有抗剪切的对称式轮辐机构的基础上，将两个光纤光栅作为传感元件分别与中性轴线成不同的角度，交叉粘贴在同一个轮辐两个侧面的中间位置，或者与中性轴线成相同的角度，对称地粘贴在两个对称轮辐侧面的中间位置，从而进行温度自动补偿的力的测量装置。检索结果表明，目前尚没有采用轮辐式结构封装光纤光栅的方式，来实现温度自动补偿的光纤光栅力传感器的专利报导。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有温度自动补偿功能的光纤光栅力传感器，并可应用于各种荷载的压力及相关力的精确测量。其技术方案如下：

这种具有温度自动补偿功能的光纤光栅力传感器，它包括两个传感光纤光栅，单模光纤，受力柱，内环、外环、轮辐、基座、光纤耦合器、光源、光探测器等，特点是光纤光栅的粘贴位置有两种方式，具体如下：

方式1：同一轮辐粘贴。将两个光纤光栅与中性轴线分别成一定角度，交叉粘贴在同一个轮辐两个侧面的中间位置。

方式2：不同轮辐粘贴。将两个光纤光栅与中性轴线同时成相同角度，平行对称粘贴在两个对称轮辐侧面的中间位置。

传感器的连接方式：光纤耦合器(或环行器)一侧的两根光纤，分别连接两个光纤光栅；而光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源，另一根接光探测器。

本发明的有益效果是：力传感元件为两个光纤布喇格光栅，采用轮辐结构以一定角度交叉粘贴在同一个轮辐的两个侧面，或对称地粘贴在两个对称轮辐的侧面。传感光栅的粘贴角度及位置灵活，可获得多变的力传感灵敏度，且具有温度自动补偿功能，结构简洁，易于系统集成。基于光纤光栅本身的优点，这种传感器具有测量精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、适合在恶劣环境下工作等特点。

附图说明

本发明基本结构如附图所示。

图1是光纤光栅粘贴同一轮辐的传感器结构示意图。其中，(a)剖视图；(b)俯视图。

图2是光纤光栅粘贴不同轮辐的传感器结构示意图。其中，(a)剖视图；(b)俯视图。

图3是本发明的测量装置结构图。

图4是本发明承受荷载的压力典型测量值。

其中：1.光纤光栅，2.单模光纤，3.受力柱，4.内环，5.外环，6.轮辐，7.基座，8.光纤耦合器，9.光源，10.光探测器。

具体实施方式

图1是光纤光栅粘贴同一轮辐的传感器结构示意图。其中，(a)剖视图；(b)俯视图。

图2是光纤光栅粘贴不同轮辐的传感器结构示意图。其中，(a)剖视图；(b)俯视图。

这种具有温度自动补偿功能的光纤光栅力传感器，包括传感部分和测量部分，传感部分是一个圆桶结构，桶的外环5坐落在基座7上，内环4置于桶的中部，但下面与基座不相连，中央是受力柱3，内环中有4个对称的轮辐6连接在外环上，两个光纤光栅粘贴在轮辐上；测量部分包括光纤耦合器8、光源9、光探测器10；其特征在于：传感结构是圆桶内具有抗剪切的对称的轮辐式机构，两个光纤光栅(1、2)是以两种方式粘贴在轮辐上；测量部分，光纤耦合器一侧的两根光纤，分别连接两个光纤光栅；而光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源，另一根接光探测器。

两个光纤光栅粘贴在轮辐上的两种方式是：

方式1：同一轮辐粘贴：如图1所示，将两个光纤光栅中的一个光栅与中性轴线成45°的角度，而另一个光栅与中性轴线成135°的角度，交叉粘贴在同一个轮辐两个侧面的中间位置。

方式2：不同轮辐粘贴：如图2所示，将两个光纤光栅与中性轴线同时成45°或135°的角度，平行对称粘贴在两个对称轮辐侧面的中间位置。

对称的轮辐式机构可为四个轮辐或八个轮辐的对称机构；轮辐是均质、各向同性的高弹性体，其材质是金属、合金、有机材料；其横截面为矩形，而外形可为矩形、梯形及弧形。

光纤光栅为光纤布喇格光栅。

光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器，或是三端口、四端口光环行器。

光源是宽带光源或可调谐光纤激光器。

光探测器是多波长计或光纤光谱仪。

本传感器可以在-20℃～80℃之间工作。

以图3所示的光纤光栅粘贴同一轮辐的传感器为例：对于轮辐式传感结构，可以将每对轮辐视为一根两端固定的弹性梁。以四个轮辐为例，每根轮辐上承受的剪应力为所承受荷载的1/4。对于矩形截面的轮辐，剪应力呈抛物线形分布，在中性面上剪应力最大，为平均剪应力的1.5倍。由材料力学平面应力状态下的主应力公式可知：对同一轮辐，与中性面成45°和135°方向的正应力应等于最大剪应力τ_max，其计算公式如下：

${\mathrm{\τ}}_{\max }=\±\frac{\mathrm{\η}}{\mathrm{Ebh}}F=\mathrm{\ξF}---\left(1\right)$

式中η是结构因子，ξ是力传感的灵敏度系数，其值与传感机构的尺寸(轮辐截面宽度b，截面高度h等)、材料性质(杨氏模量E)以及光纤光栅粘贴的方位和质量有关。正、负号代表外力F产生的剪应力τ_max使光纤光栅产生拉伸效应或压缩效应。

由光纤光栅传感原理可知，当内环顶部表面受到均匀的垂直荷载作用时，荷载产生的力通过轮辐的剪应变对粘贴其侧面上的两个光纤光栅产生拉伸或压缩效应，导致光栅的周期发生变化。而两个光纤光栅中心波长漂移与外力P和温度变化ΔT的计算公式如下：

Δλ₁＝K_P1F+K_T1ΔT    (对光纤光栅FBG1)    (2)

Δλ₂＝-K_P2F+K_T2ΔT   (对光纤光栅FBG2)    (3)

式中K_F1、K_F2和K_T1、K_T2分别为传感器中两个光纤光栅的力和温度的灵敏度系数，K_F1和K_F2与光纤光栅的中心波长λ₀及系数ξ有关K_T1和K_T2与光纤光栅的性质和传感机构的衬底材料热力学性质有关。由于两个光纤光栅的粘贴材料一致，调整粘贴位置和角度，可使K_F＝K_F1＝-K_F2，K_T＝K_T1＝K_T2。

而由荷载引起的光纤光栅中心波长漂移量则为波长差Δλ₁₂＝Δλ₁-Δλ₂。于是，由(2)～(3)式得到波长差的大小为

Δλ₁₂＝χ₁₂F    (4)

式中χ₁₂＝K_F1-K_F2＝2K_F为力F的灵敏度系数。

由(4)式可知，两个光栅的波长差Δλ₁₂与压力F成正比例函数关系，通过测量两个光纤光栅中心波长漂移的变化值，即可推测由荷载引起的力F的大小，而与温度变化ΔT无关。因此，本发明可实现具有温度自动补偿功能的高精度的力的感测。

对于将两个光纤光栅与中性轴线成相同的角度，粘贴在两个对称轮辐侧面的传感器情况，其分析方法与此类似。

实施例

在图3中，受力柱的直径为35mm，内环直径为37mm，它们的高度为32mm。外环内直径为70mm，外环外直径为100m，高度为35mm。轮辐材料为高弹性的耐腐蚀钢材，其高为15mm，厚为2mm。嵌入内环中的受力柱顶端为弧状，高于内环5mm；内环底端距外环底端3mm，基座厚度为5mm。两个光纤光栅的长度分别为12mm和11mm，它们的布喇格自由波长分别为1551.48nm和1556.26nm，峰值反射率分别为93％和95％，带宽分别为0.23nm和0.24nm。两个光纤光栅粘贴方式有两种：

方式1：同一轮辐粘贴：将两个光纤光栅与中性轴线分别成45°和135°角，交叉粘贴在同一个轮辐两个侧面的中间位置，如图1所示。

方式2：不同轮辐粘贴：将两个光纤光栅与中性轴线同时成45°或135°角，平行对称粘贴在两个对称轮辐侧面的中间位置，如图2所示。

在-20℃～75℃之间，对该传感器施加荷载的力传感测量，测得力的灵敏度测量值为0.092nm/KN，如图4所示。并且，在上述温度范围内，用测量精度为0.02nm的多波长计进行对比测量表明，通过双光栅波长差的测量表明，温度变化对力的测量结果无影响，该传感器具有温度自动补偿功能。在实际应用中，通过光电转换器将光信号转换为电信号，再用计算机进行数据处理，则对力感测的灵敏度之提高大有益处。

Claims (7)

1.一种温度自动补偿式光纤光栅力传感器，包括传感部分和测量部分，传感部分是一个圆桶结构，桶的外环(5)坐落在基座(7)上，内环(4)置于桶的中部，但下面与基座不相连，在内环中间，桶的中央是受力柱(3)，4个对称的轮辐(6)将内环和外环连接在一起，两个光纤光栅(1、2)粘贴在轮辐上；测量部分包括光纤耦合器(8)、光源(9)、光探测器(10)；其特征在于：传感结构是圆桶内具有抗剪切的对称的轮辐式机构，两个光纤光栅是以两种方式粘贴在轮辐上：

方式1：同一轮辐粘贴：将两个光纤光栅中的一个光栅与中性轴线成45°的角度，而另一个光栅与中性轴线成135°的角度，交叉粘贴在同一个轮辐两个侧面的中间位置；

方式2：不同轮辐粘贴：将两个光纤光栅与中性轴线同时成45°或135°的角度，平行对称粘贴在两个对称轮辐侧面的中间位置；

测量部分，光纤耦合器一侧的两根光纤，分别连接两个光纤光栅；而光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源，另一根接光探测器。

2.根据权利要求1所述的温度自动补偿式光纤光栅力传感器，其特征在于：对称的轮辐式机构为四个轮辐或八个轮辐的对称机构；轮辐是均质、各向同性的高弹性体，其材质是金属或合金或有机材料；其横截面为矩形，而外形为矩形或梯形。

3.根据权利要求1所述的温度自动补偿式光纤光栅力传感器，其特征在于：光纤光栅为光纤布喇格光栅。

4.根据权利要求1所述的温度自动补偿式光纤光栅力传感器，其特征在于：光纤为单模光纤。

5.根据权利要求1所述的温度自动补偿式光纤光栅力传感器，其特征在于：光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器，或是三端口、四端口光环行器。

6.根据权利要求1所述的温度自动补偿式光纤光栅力传感器，其特征在于：光源是宽带光源或可调谐光纤激光器。

7.根据权利要求1所述的温度自动补偿式光纤光栅力传感器，其特征在于：光探测器是多波长计或光纤光谱仪。

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