CN201237522Y - 一种光栅称重传感器 - Google Patents

Abstract

一种光栅称重传感器。本实用新型涉及衡器配置的传感器，特别是光电技术与称重衡器结合的光栅传感器。本传感器的关键结构是荷载托盘的支撑梁上开有二个相同形状平行的盲孔，孔的轴向与荷载垂直，孔的上、下端面都贴有光纤Bragg光栅，光纤Bragg光栅与信号处理装置光纤连接。本实用新型结构简单，具有耐恶劣环境、抗噪声电磁干扰、寿命长、测量结果重复性好等优点。

Description

一种光栅称重传感器

技术领域

本实用新型涉及衡器配置的传感器，特别是光电技术与称重衡器结合的光栅传感器。

背景技术

称重器具即衡器是确定物体的重量或者作为质量函数的其他参数的一种计量仪表。为了把衡器引入生产工艺过程中去，对衡器提出了新的要求。而电子技术及微电子技术的迅猛发展为满足这些要求提供了新的手段，电子技术不断渗入衡器制造业，电子秤诞生了并取得了长足的发展。现有的电子式传感器通常有压电式、电阻式、电容式称重传感器，是根据力-电转换原理，由非电量转换为电量进行测量和传输的，有易受电磁干扰，寿命短等缺点，难以在有电磁干扰和易燃、易爆环境中工作。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于双孔平行梁的光纤Bragg光栅称重传感器，其结构简单，具有耐恶劣环境、抗噪声电磁干扰、寿命长、测量结果重复性好等优点。

解决本实用新型的技术问题所采用的方案是：支撑着荷载托盘的支撑梁上开有二个相同形状平行的盲孔，孔的轴向与荷载垂直，孔的上、下端面都贴有光纤Bragg光栅，光纤Bragg光栅与信号处理装置光纤连接。二盲孔在支撑梁上对称设置，孔之间带有通槽。

本实用新型的有益效果是：

光纤Bragg光栅(FBG)传感器采用光信号进行测量和传输，通过外界参量对其Bragg波长调制来获取传感信息，波长编码是一种绝对测量方式，具有自校正功能，并具有耐恶劣环境、抗噪声电磁干扰、寿命长、测量结果重复性好等优点，可以实现现场的无电测量，从而实现现场的本安测量。同时，光纤Bragg光栅集传感与传输于一体，可复用多个传感器组成传感器网络的优点，在现场测量中形成总线式测量。综上所述本称重传感器有下述优点：

1.检测的实时性：常用的光纤光栅解码仪可提供50～1000Hz的检测频率，可满足一般称重的实时监测要求。

2.远程传感网络：插入损耗低和窄带的波长反射提供了远程传感的可能性，并且有利于在光纤中的复用，可实现光纤网络中的星型、串联、并联和环型等连接。

3.检测的可靠性：光纤Bragg光栅的传感信号为光栅调制的Bragg波长值，该波长值可进行自标定和自校准。对光纤传感而言，波长编码具有抗干扰能力强的特点：①当忽略光纤中的非线性效应时，普通的传输光纤是不会影响传输波长的频率特性；②从本质上排除了曾长期困扰其它光纤传感器的光强起伏干扰，比如：光源强度的起伏，光纤微弯效应引起的随机起伏和耦合损耗等。

4.消除温度的影响：环境温度的影响可以通过粘贴在双孔悬臂梁1#和2、3#和4#位置上的传感光栅的波长移位相减来消除。

5.测量量程可调：根据4只光纤Bragg光栅的Bragg波长移位与荷载G的关系式(6)，可通过选择双孔平行梁的特征指标长度l、高度h、以及厚度b来获得所需的测量量程。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图中各标号依次表示：托盘1、盲孔2、光纤Bragg光栅3、支撑梁4、底座5。

本实用新型的工作机理：在图1中，偏离称台中心位置的载荷G对弹性元件的作用效果等于一个平移导作用于中心点的力G₀和因平移产生的力矩M_x＝x₁G，M_y＝y₁G独立作用的叠加。其中：G₀的作用效果在上下梁包括弯矩、剪力和轴力，其中剪力与轴力相对很小，梁的应变主要于来自弯矩，上下梁弯矩分布上下梁相同，大小关于y轴对称，各贴光栅处弯矩为：M_G1＝-M_G2＝M_G3＝-M_G4＝-G1/2；M_x的作用效果为上下梁对称分布的弯矩，各贴光栅处弯矩为载荷在x轴方向上偏离距离x相关：M_x1(x)＝-M_x3(x)；M_x2(x)＝-M_x4(x)；M_y的作用效果为使梁在垂直于x轴的方向扭转，在梁上光栅粘贴处不产生形变效果。本方案利用弹性元件自身结构特点对称重传感器进行了温度和偏载补偿，从而从4只FBG中心波长移位得出了与载荷的关系。

本实用新型的主要性能：双孔平行梁是一种典型的高精度小量程称重传感器的弹性元件，图1为双孔平行梁中弹性元件的结构图(梁厚度为b，未在图中标示)；在1#～4#处粘贴光纤光栅传感器，粘贴位置为敏感区域，按材料力学分析，是应力曲线最密集的地方，也是产生最大形变量的区域。

载荷对称台的作用力大小等于载荷自重G，下面我们分析如何选择光纤光栅传感器的粘贴位置和如何从各光栅的Bragg中心波长变化中分离偏载和温度移位的部分，得出G的大小。由理论力学平移定理，偏离称台中心位置(x，y)的载荷G对弹性元件的作用效果等于一个平移作用于中心点的力G₀和因平移产生的力矩M_x＝xG，M_y＝yG独立作用的叠加。其中，G₀的作用效果在上下梁包括弯矩、剪力和轴力，其中剪力与轴力相对很小，梁的应变主要来自弯矩，

由材料力学知识可知，弯矩M引起的形变为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{yM}}{{\mathrm{EI}}_y}---\left(1\right)$

其中，y为考察点相对于中性面的高度，E为弹性元件材料的杨氏模量，I_y为考察点所在截面的惯性矩。从式(1)中可以看出梁的应变大小和惯性矩I_y有关，梁臂越薄，梁的应变越大，所以圆弧区域是应力集中的区域。因此，光纤光栅传感器应该粘贴在平行梁双孔内最薄的四处，设梁上最薄处(即光纤光栅传感器的安装处)高度为h。由于上下梁弯矩分布相同，大小水平对称分布，各贴光栅处弯矩为：M_G1＝M_G3＝-Gl/2，M_G2＝M_G4＝Gl/2；M_x的作用效果弯矩为载荷在x轴方向上偏离距离x的函数，上下梁对称分布：M_x1(x)＝-M_x3(x)；M_x2(x)＝-M_x4(x)；M_y的作用效果为使梁在垂直于x轴的方向扭转，光栅粘贴在梁厚度方向的中心平面上时不会因M_y产生形变。各光栅帖附处的弯矩为G₀和M_x的总和：

$M_i=M_{G_{p}i}+M_{\mathrm{xi}}\left(x\right)(i=\mathrm{1,2,3,4})---\left(2\right)$

由于孔内各光栅粘贴的位置，有y₁＝y₂＝-h/2，y₃＝y₄＝h/2，I_y＝bh³/12，代入式(1)和(2)，可得各光栅粘贴处因载荷引起的形变量为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{6(\mathrm{Gl}/2+M_{x1}\left(x\right))}{b{h}^{2}E}\\ {\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{6(-\mathrm{Gl}/2+M_{x2}\left(x\right))}{b{h}^{2}E}\\ {\mathrm{\ϵ}}_3=-\frac{6(\mathrm{Gl}/2-M_{x1}\left(x\right))}{b{h}^{2}E}\\ {\mathrm{\ϵ}}_4=-\frac{6(-\mathrm{Gl}/2-M_{x2}\left(x\right))}{b{h}^{2}E}\end{array}\right.---\left(3\right)$

光栅随双孔平行梁形变，载荷引起光栅形变量即为ε，若考虑测量过程中温度变化了ΔT，则载荷和温度引入的Bragg波长λ_B的移位量Δλ为：

Δλ_B＝S_εε+S_αΔT   (4)

式中，S_ε为应变灵敏度，S_α为表观温度灵敏度。其中第二项中载荷引起形变量ε与载荷放置位置x有关，第一项与环境温度有关。环境温度的影响可以通过将光栅1与2，3与4的波长移位相减来消除：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1,2}}=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2=S_{\mathrm{\ϵ}}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2)\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{3,4}=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_3-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_4=S_{\mathrm{\ϵ}}({\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)\end{array}\right.---\left(5\right)$

再对Δλ_1，2和Δλ_3，4求差值，并代入表示各形变量ε的式(3)，则可得到一个消除载荷位置因素且同载荷重量G成线性关系的波长变化关系式：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_s=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1,2}}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{3,4}}=\frac{12{\mathrm{GlS}}_{\mathrm{\ϵ}}}{b{h}^{2}E}---\left(6\right)$

具体实施方式

以不锈钢材料制成的双孔平行梁为实施例

1.双孔平行梁的尺寸信息如下：2l＝26mm，h＝14mm，b＝25mm，d＝5mm，H＝62mm；

2.按附图1配置实验；

3.用添加已知的质量砝码来改变荷载量；

4.用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长。

5.测量结果为：Bragg波长的移位-荷载量为传感器的灵敏度为15.5pm/kg，即荷载每产生1kg的变化时，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位15.5pm。因此，荷载分辨率为0.07kg。

以上结果可用以下经验工程公式表示为：

Δλ＝15.5G   (4)

其中，波长移位量Δλ的单位为pm，荷载量G的单位为kg。

Claims (2)

1、一种光栅称重传感器，其特征是：支撑着荷载托盘的支撑梁上开有二个相同形状平行的盲孔，孔的轴向与荷载垂直，孔的上、下端面都贴有光纤Bragg光栅，光纤Bragg光栅与信号处理装置光纤连接。

2、按权利要求1所述的光栅称重传感器，其特征是：二盲孔在支撑梁上对称设置，孔之间带有通槽。

Images