CN202075071U - 一种光纤布拉格光栅式杆力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光纤布拉格光栅式杆力传感器，包括第一关联平行梁、第二关联平行梁，其特征在于、第一光纤布拉格光栅应变传感器和第二光纤布拉格光栅应变传感器沿第一关联平行梁的轴线对称地粘贴在该关联平行梁中一个梁的外侧；第三光纤布拉格光栅应变传感器和第四光纤布拉格光栅应变传感器沿第二关联平行梁的轴线对称地粘贴在该关联平行梁一个梁的外侧；第一光纤布拉格光栅应变传感器、第三光纤布拉格光栅应变传感器串行联接；第二光纤布拉格光栅应变传感器、第四光纤布拉格光栅应变传感器串行联接。该光纤布拉格光栅式杆力传感器具有抗电磁干扰、精度高、动态响应快、体积小重量轻、结构简单等特点，更具可靠性，稳定性和简易性。

Description

一种光纤布拉格光栅式杆力传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤布拉格光栅式杆力传感器，能消除温度对光纤布拉格光栅传感器的影响，并有效提高光纤布拉格光栅式杆力传感器的精度和灵敏度，属于光纤传感领域。

背景技术

光纤布拉格光栅传感器作为光纤传感器中的一个非常重要的分支，逐渐成为传感器研究的焦点与热点。现在利用光纤布拉格光栅原理制作的传感器已广泛地应用于测量应变、温度、压力和液位等物理量，且制造出的传感器具有体积小，测量精度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，可靠性和稳定性好，耐久性好等优点。

在杆力传感系统中，当前的主流技术是基于电阻应变式的变换方式。通过传感器弹性元件将杆力负荷变换成表面应变，经电阻应变计感应测试应变，再通过电子测量技术将电阻应变计的电阻变化转换成电流或电压信号输出。这种电阻应变式杆力传感器虽然已得到很好的应用，但测量精度与可靠性方面仍然存在一些固有的缺陷。例如，在较大的使用温度范围内，电阻应变计的电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；应变计的机械滞后效应在高温情况下显著增大；应变计的应变极限随温度的升高明显下降。在电测技术中，虽然可以采用热敏电阻补偿、串并联电阻补偿以及有源电路分段补偿等零位温度补偿技术在一定范围内可以减小其零位输出漂移，但是由于技术的限制，这种基于电阻应变式杆力传感器还不能达到很高的精度与灵敏度水平；不能防御雷电、电磁干扰和电磁冲击等。

鉴于传统杆力传感器存在的缺陷，光纤布拉格光栅杆力传感器在所需测量精度、动态响应、抗电磁干扰、全温度与气压范围传感器零位输出的稳定性与可靠性等指标参数都要比传统的电阻应变式传感器高出很多。

但是，在光纤布拉格光栅传感领域，应变和温度是两个能够直接导致光纤布拉格光栅中心波长产生漂移的物理量，即光纤布拉格光栅对温度和应变交叉敏感。由于光纤布拉格光栅对温度和应变都敏感，在测量应变时，温度的影响很难消除，从而限制了其实际应用；同时，已有的光纤布拉格光栅传感器的精度和灵敏度相对较低，需要进一步提高。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种光纤布拉格光栅式杆力传感器，能在测量杆力的同时消除温度的影响，并有效地提高光纤布拉格光栅式杆力传感器的灵敏度，制作工艺简单，信号处理简便，解决了光纤布拉格光栅传感器交叉敏感性的问题。

技术方案

一种光纤布拉格光栅式杆力传感器，包括第一关联平行梁1、第二关联平行梁2，其特征在于、第一光纤布拉格光栅应变传感器3和第二光纤布拉格光栅应变传感器4沿第一关联平行梁1的轴线对称地粘贴在该关联平行梁1中一个梁的外侧；第三光纤布拉格光栅应变传感器5和第四光纤布拉格光栅应变传感器6沿第二关联平行梁2的轴线对称地粘贴在该关联平行梁2一个梁的外侧；第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第三光纤布拉格光栅应变传感器5串行联接；第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第四光纤布拉格光栅应变传感器6串行联接。

所述的第三光纤布拉格光栅应变传感器3、第四光纤布拉格光栅应变传感器4、第三光纤布拉格光栅应变传感器5和第四光纤布拉格光栅应变传感器6为相同材料，具有相同结构和中心波长。

所述的第三光纤布拉格光栅应变传感器3、第四光纤布拉格光栅应变传感器4、第三光纤布拉格光栅应变传感器5和第四光纤布拉格光栅应变传感器6为贴片式光纤布拉格光栅传感器或裸光纤布拉格光栅传感器。

有益效果

本发明提出的一种光纤布拉格光栅式杆力传感器，能够快速地、简便地测得待测力的大小，并在传感系统内部解决温度补偿的问题，且利用两个光纤光栅应变传感器中心波长漂移量取平均的方法有效地提高了光纤布拉格光栅杆力传感器的精度和灵敏度。该光纤布拉格光栅式杆力传感器具有抗电磁干扰、精度高、动态响应快、体积小重量轻、结构简单等特点，更具可靠性，稳定性和简易性；另外该杆力传感器成本相对低廉，适用于比较狭小的空间，能够排除温度的影响，测量弹性元件受力大小。

附图说明

图1：为本发明实施例光纤布拉格光栅式杆力传感器结构示意图

1-第一关联平行梁；2-第二关联平行梁；3-第一光纤布拉格光栅应变传感器；4-第二光纤布拉格光栅应变传感器；5-第三光纤布拉格光栅应变传感器；6-第四光纤布拉格光栅应变传感器；1-1-第一关联平行梁面一；1-2-第一关联平行梁面二；2-1-第二关联平行梁面一；2-2-第二关联平行梁面二。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例：附图1为本发明实施例的一种光纤布拉格光栅式杆力传感器，其中包括第一关联平行梁1、第二关联平行梁2、第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第三光纤布拉格光栅应变传感器5、第四光纤布拉格光栅应变传感器6：第一光纤布拉格光栅应变传感器3和第二光纤布拉格光栅应变传感器4对称地粘贴在第一关联平行梁1的1-1面上与长方形空心矩形框平行的中轴线上；第三光纤布拉格光栅应变传感器5和第四光纤布拉格光栅应变传感器6对称地粘贴在第二关联平行梁2的2-1面上与长方形空心矩形框平行的中轴线上；第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第三光纤布拉格光栅应变传感器5串行联接；第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第四光纤布拉格光栅应变传感器6串行联接。

其中第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第三光纤布拉格光栅应变传感器5、第四光纤布拉格光栅应变传感器6均为裸光纤布拉格光栅，且第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第二光纤布拉格光栅应变传感器4为完全相同的裸光纤布拉格光栅；第三光纤布拉格光栅应变传感器5、第四光纤布拉格光栅应变传感器6为完全相同的裸光纤布拉格光栅；但两对光纤布拉格光栅的中心波长不同。

当一束入射光波在光开关的控制下分别进入第一光纤布拉格光栅应变传感器3、第三光纤布拉格光栅应变传感器5串行联接后的其中一端和第二光纤布拉格光栅应变传感器4、第四光纤布拉格光栅应变传感器6串行联接后的其中一端，根据弹性元件的特性和光纤布拉格光栅模式耦合理论可知，弹性元件关联平行梁的每一个面上以与宽边平行的中轴线为界，两边的受力弯曲趋势是相反的，一半被拉伸，一半被压缩，且变化量相同，粘贴在其上的光纤布拉格光栅同样一根被拉伸，一根被压缩，且中心波长变化量相同，方向相反；由于弹性元件为金属结构且不大，可以看成是等温度体，两根光纤布拉格光栅感受到的温度是相同的。

给上述光纤布拉格光栅式杆力传感器施加z向力，由弹性元件的结构可知，与施加力方向垂直的关联平行梁1发生形变，而与施加力方向平行的关联平行梁2侧向刚度大，不发生轴向应变，只考察关联平行梁1上粘贴的光纤布拉格光栅应变传感器3和光纤布拉格光栅应变传感器4中心波长的变化。

Claims (3)

1.一种光纤布拉格光栅式杆力传感器，包括第一关联平行梁(1)、第二关联平行梁(2)，其特征在于、第一光纤布拉格光栅应变传感器(3)和第二光纤布拉格光栅应变传感器(4)沿第一关联平行梁(1)的轴线对称地粘贴在该关联平行梁(1)中一个梁的外侧；第三光纤布拉格光栅应变传感器(5)和第四光纤布拉格光栅应变传感器(6)沿第二关联平行梁(2)的轴线对称地粘贴在该关联平行梁(2)一个梁的外侧；第一光纤布拉格光栅应变传感器(3)、第三光纤布拉格光栅应变传感器(5)串行联接；第二光纤布拉格光栅应变传感器(4)、第四光纤布拉格光栅应变传感器(6)串行联接。

2.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅式杆力传感器，其特征在于：所述的第三光纤布拉格光栅应变传感器(3)、第四光纤布拉格光栅应变传感器(4)、第三光纤布拉格光栅应变传感器(5)和第四光纤布拉格光栅应变传感器(6)为相同材料，具有相同结构和中心波长。

3.根据权利要求1或2所述的光纤布拉格光栅式杆力传感器，其特征在于：所述的第三光纤布拉格光栅应变传感器(3)、第四光纤布拉格光栅应变传感器(4)、第三光纤布拉格光栅应变传感器(5)和第四光纤布拉格光栅应变传感器(6)为贴片式光纤布拉格光栅传感器或裸光纤布拉格光栅传感器。 

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