CN201844820U - 双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器，其中，楔形块和两只等强度悬臂梁被封装在圆柱形金属筒内，楔形块的中间有一金属杆穿过，金属杆的两端都套有套管，楔形块的梯形顶面与弹簧相连接，两个等强度悬臂梁的自由端为球形，分别与楔形块的两个梯形面相接触。当金属杆产生位移时，会带动楔形块产生相应的位移，并促使等强度悬臂梁的自由端产生扰度变化，从而导致粘贴于等强度悬臂梁上下表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长产生移位。本实用新型结构将金属杆产生的位移转换为对光纤Bragg光栅峰值波长移位的调制。实现了位移的在线测量，实现对位移和温度的同时测量。

Description

双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器

技术领域

本实用新型涉及一种双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器，属光电子测量技术领域。

背景技术

位移测量是结构检测的重要参量。位移传感器是利用各种元件检测对象物的物理变化量，通过将该变化量换算为距离，来测量从传感器到对象物的距离位移的机器。在线测量可以实时的通过电脑显示出的数据计算出位移的大小，因此在线测量在位移测量中具有十分重要的意义。本传感器可以实现实时在线测量。

目前典型的与本实用新型最接近的文献是刘波，牛文成，杨亦飞，开桂云，董孝义，“基于光纤布喇格光栅传感器的精密位移测量”，《纳米技术与精密工程》，2005年3月第3卷，第1期。当光纤受压时，必须防止其产生失稳。因此，在该文献未涉及对光纤光栅的外部进行适当的保护，保证其在调谐过程中不发生弯曲。另外与本方案接近的文献还有“差动式光纤Bragg光栅沉降仪”。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种能在线测量位移的双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器，本实用新型结构将金属杆产生的位移转换为对光纤Bragg光栅峰值波长移位的调制，实现了位移的在线测量，实现对位移和温度的同时测量。

本实用新型的目的是这样实现的：这种双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器，包括光纤Bragg光栅、等强度悬臂梁、楔形块、套管、圆柱形金属筒、金属杆、引出光纤、弹簧；楔形块和两只等强度悬臂梁被封装在圆柱形金属筒内，楔形块的中间有一金属杆穿过，金属杆的两端都套有套管，楔形块的梯形顶面与弹簧相连接，两个等强度悬臂梁的自由端为球形，分别与楔形块的两个梯形面相接触，光纤Bragg光栅粘贴于等强度悬臂梁表面并引出圆柱形金属筒。金属杆上通过楔形块将位移传递给等强度悬臂梁，从而导致粘贴在等强度悬臂梁表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长产生移位。为了保证测量的双向性或初始的有效性，在光纤Bragg光栅标定的零点位置，这两个等强度悬臂梁已预留了一定的挠度值。光纤Bragg光栅与信号处理装置光连接。本实用新型结构将金属杆产生的位移转换为对光纤Bragg光栅峰值波长移位的调制。

这种双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器，金属杆产生位移，该位移被粘贴于等强度悬臂梁表面的光纤Bragg光栅所测量。

楔形块的顶边与弹簧相连接，弹簧起到回零的作用。

楔形块、等强度悬臂梁、弹簧、金属杆和光纤Bragg光栅被封装在一个金属圆柱筒内部，以保障安装在其内的楔形块和等强度悬臂梁只受到金属杆的作用。

为了解决光纤Bragg光栅在应变测量时由于短时间内的温度变化引起的应变、温度交叉敏感问题，本实用新型采用现有的差动温度补偿方法来解决这个问题，具体实施方案是：将等强度悬臂梁上下两面都粘贴Bragg光栅，温度变化引起的两个光纤Bragg光栅的位移变化是相同，而应力引起的两个光纤Bragg光栅的位移变化是大小相同方向相反的，假设上面Bragg光栅的波长移位为λ₁，它是温度和应力共同一起的，既λ₁＝λ_力+λ_温，同理下面Bragg光栅的波长移位λ₂＝λ_温-λ_力，将两个光纤Bragg光栅的波长移位λ₁、λ₂相减，可以去掉温度对光纤Bragg光栅的影响，λ₁-λ₂＝2λ_力，这种方法解决了应变、温度交叉敏感问题，从而提高了灵敏度。

本实用新型的工作机理：参见附图，楔形块通过金属杆将位移传递给等强度悬臂梁，从而导致粘贴在等强度悬臂梁上下表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长产生移位，光纤Bragg光栅与信号处理装置光连接，将金属杆产生的位移转换为对光纤Bragg光栅的峰值波长移位调制。

本实用新型的主要性能：当封装好的双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器的金属杆产生位移d时，等强度悬臂梁(6)所产生的扰度h：

h＝d.tanθ          (1)

式中，2θ为楔形块的顶角，等强度悬臂梁(6)所受的应变量ε为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{h_b}{l^2}\·h---\left(2\right)$

把(1)式代人(2)式得：

而光纤Bragg光栅波长位移与等强度悬臂梁自由端应变关系公式，可表示为：

Δλ_B＝(1-p_e).ε.λ_B        (4)

将(3)式代人(4)式得：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B=\frac{(1-p_e).h_b.{\mathrm{\λ}}_B.\tan \mathrm{\θ}}{l^2}\·d---\left(5\right)$

其中p_e为光纤的有效弹-光系数，h_b为等强度悬臂梁的厚度，l为等强度悬臂梁的长度，d为金属杆(4)所产生的位移，λ_B为光纤Bragg光栅的中心波长。

本实用新型的有益效果是：

1.实现了位移的在线测量：楔形块通过金属杆将位移转换等强度悬臂梁的自由端发生扰度变化，从而导致粘贴在等强度悬臂梁上下表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长产生移位，通过测得光纤Bragg光栅的波长变化就可以计算出金属杆所产生位移的大小。

2.等强度悬臂梁上下表面的光纤Bragg光栅可以实现对位移和温度的同时测量。通过粘贴于等强度悬臂梁上下表面的光纤Bragg光栅的差动式运算实现温度补偿。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

图1中：光纤Bragg光栅1、等强度悬臂梁2、楔形块3、套管4、圆柱形金属筒5、金属杆6、引出光纤7、弹簧8。楔形块3和两只等强度悬臂梁2被封装在圆柱形金属筒5内，楔形块3的中间有一金属杆6穿过，金属杆6的两端都套有套管4，楔形块3的梯形顶面与弹簧8相连接，两个等强度悬臂梁2的自由端为球形，分别与楔形块3的两个梯形面相接触，光纤Bragg光栅粘贴于等强度悬臂梁2上下表面并引出圆柱形金属筒5。

实施例1

以不锈钢材料制成的等强度悬臂梁为弹性元件为例：

1.光纤Bragg光栅的初始中心波长为λ_B＝1550000pm，有效弹-光系数为p_e＝0.22。

2.等强度悬臂梁的尺寸如下：等强度悬臂梁的长度l＝65mm，等强度悬臂梁的厚度h_b＝2mm，等强度悬臂梁固定端的宽度B＝10mm，等强度悬臂梁自由端的宽度b＝2mm。

3.用光纤光栅解调仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长值。

4.按以上设计配置实验，引出光纤的两端分别与两支并联的光纤Bragg光栅的两端连接，以实现传感光栅与信号处理装置光连接。

把上述值代入式(5)，计算结果表明，当θ＝45°时，双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器的灵敏度为6.045nm/mm；当θ＝10°时，双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器的灵敏度为0.100nm/mm

实施例2

1.光纤Bragg光栅的初始中心波长为λ_B＝1550000pm，有效弹-光系数为p_e＝0.22。

2.等强度悬臂梁的尺寸如下：等强度悬臂梁的长度l＝195mm，等强度悬臂梁的厚度h_b＝2mm，等强度悬臂梁固定端的宽度B＝10mm，等强度悬臂梁自由端的宽度b＝2mm。

3.当θ＝10°时，双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器的灵敏度为0.011nm/mm。

实施例3

1.光纤Bragg光栅的初始中心波长为λ_B＝1550000pm，有效弹-光系数为p_e＝0.22。

2.等强度悬臂梁的尺寸如下：等强度悬臂梁的长度l＝135mm，等强度悬臂梁的厚度h_b＝2mm，等强度悬臂梁固定端的宽度B＝10mm，等强度悬臂梁自由端的宽度b＝2mm。

3.当θ＝5°时，双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器的灵敏度为0.011nm/mm。

Claims (5)

1.一种双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器，包括：光纤Bragg光栅(1)、等强度悬臂梁(2)、楔形块(3)、套管(4)、圆柱形金属筒(5)、金属杆(6)、引出光纤(7)、弹簧(8)；其特征是：楔形块(3)和两只等强度悬臂梁(2)被封装在圆柱形金属筒(5)内，楔形块(3)的中间有一金属杆(6)穿过，金属杆(6)的两端都套有套管(4)，楔形块(3)的梯形顶面与弹簧(8)相连接，两个等强度悬臂梁(2)的自由端为球形，分别与楔形块(3)的两个梯形面相接触，光纤Bragg光栅粘贴于等强度悬臂梁(2)表面并引出圆柱形金属筒(5)。

2.根据权利要求1所述的双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器，其特征是：金属杆(6)产生位移，该位移被粘贴于等强度悬臂梁(2)表面的光纤Bragg光栅(1)所测量。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器，其特征在于：楔形块(3)的顶边与弹簧(8)相连接。

4.根据权利要求1或权利要求2、3所述的双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器，其特征在于：楔形块(3)、等强度悬臂梁(2)、弹簧(8)、金属杆(6)和光纤Bragg光栅(1)被封装在一个金属圆柱筒(5)内部。

5.根据权利要求1、或2、或3、或4中任一所述的双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器，其特征在于：等强度悬臂梁(2)的上下两面都粘贴Bragg光栅。

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