CN203011405U - 一种基于光纤光栅应变传感器的门禁传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供基于光纤光栅应变传感器的门禁传感装置，光纤光栅应变传感器包括壳体以及位于壳体内的光纤和悬臂梁；光纤一端串接有形变光栅和测温光栅，另一端引出壳体；悬臂梁包括两根，形变光栅粘贴于其中一根悬臂梁的下表面，测温光栅粘贴在另一根悬臂梁的上表面，两根悬臂梁一端固定于壳体内部，另一端设有磁铁。门禁传感装置包括上述光纤光栅应变传感器和大磁铁，大磁铁的大小视能够使得光纤光栅应变传感器的磁铁受到排斥力而定。本光纤光栅应变传感器采用机械形变而使光纤光栅波长变化的工作原理，依靠光纤来传输波长变化量，从而可以串联式大范围的分布。利用本光纤光栅应变传感器实现门禁传感，通过计算波长变化量分辨门的开关状态。

Description

一种基于光纤光栅应变传感器的门禁传感装置

技术领域

本实用新型属于光纤传感领域开关量传感技术，尤其涉及一种新型光纤光栅应变传感器及以此传感器基础上制作而成的门禁传感装置。

背景技术

近年来光纤传感，尤其是光纤光栅传感以其本质安全、抗干扰能力强、耐腐蚀、无源监测和分布式大范围测量等优点，越来越为人们所重视。这种传感器的工作原理是把待测参量转换为光纤光栅布拉格波长的变化，通过监测光纤光栅的波长变化即可获知待测参量的值。

在石油、变电所、化工、能源等场所，需要对场所门窗的开关状态进行监测。目前这种监测主要采用的是传统的电类连通传感器、红外对射等方式，由于电信号远距离传输不方便，不能组网，需要增加许多二次仪表、中继站和电源等设备，传输成本高，且不能运用在一些防爆，强电磁场等场合，难以满足实际需要，因此光纤光栅传感器以其自身优势，日益得到青睐。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于光纤光栅应变传感器的门禁传感装置，实现门窗开关状态的监测。

本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为： 

一种光纤光栅应变传感器，其特征在于：它包括壳体以及位于壳体内的光纤和悬臂梁；光纤一端串接有形变光栅和测温光栅，另一端引出壳体；悬臂梁包括两根，形变光栅粘贴于其中一根悬臂梁的下表面，测温光栅粘贴在另一根悬臂梁的上表面，两根悬臂梁一端固定于壳体内部，另一端设有磁铁。

按上述方案，所述的磁铁上方设有限位螺钉，限位螺钉通过固定块固定在壳体内部。

一种门禁传感装置，其特征在于：它包括上述光纤光栅应变传感器和大磁铁，大磁铁的大小视能够使得光纤光栅应变传感器的磁铁受到排斥力而定。

按上述方案，所述的光纤光栅应变传感器设置在门窗框上，大磁铁设置在门窗上，且大磁铁与光纤光栅应变传感器内部磁铁处于同圆心位置。

本实用新型的有益效果为：

1、本光纤光栅应变传感器采用机械形变而使光纤光栅波长变化的工作原理，依靠光纤来传输波长变化量，从而可以串联式大范围的监测。

2、本光纤光栅应变传感器采用一对光纤光栅分别粘贴在不同悬臂梁上，一根做形变，一根做温度补偿，因为两根光栅都粘贴在同种材料及同种形状的材料上，且同时置于非常接近的小范围内，因此当两根光栅所处的环境温度发生变化时，两根光栅的Bragg波长总是随温度沿同一方向同步漂移而相对位置不变，从而巧妙的实现温度补偿，从而提高了测量精度。

3、利用本光纤光栅应变传感器实现门禁传感，当门窗关闭时，门窗上固定的大磁铁与形变光栅悬臂梁上的小磁铁产生同极相斥的斥力，带动悬臂梁上的形变光栅拉伸，使该光栅的反射波长变大；当门窗开启时，门窗上固定的大磁铁远离小磁铁，形变光栅受到悬臂梁的回弹力，从而收缩，使光栅的反射波长恢复变小，通过计算波长变化量，就能分辨门窗的开关状态。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为图2的受力弯曲图。

图4为悬臂梁受力分析图。

图中：1、固定块；2、磁铁；3、悬臂梁；4、测温光栅；5、壳体；6、大磁铁座；7、大磁铁；8、限位螺钉；9、形变光栅。

具体实施方式

图1为本实用新型一实施例的结构示意图，图2为图1的侧视图，光纤光栅应变传感器包括壳体5以及位于壳体5内的光纤和悬臂梁3；光纤一端串接有形变光栅9和测温光栅4，另一端引出壳体5；悬臂梁3包括两根，形变光栅9粘贴在其中一根悬臂梁的下表面，测温光栅4粘贴在另一根悬臂梁的上表面，两根悬臂梁一端固定于壳体5内部，另一端设有磁铁2。磁铁2上方设有限位螺钉8，限位螺钉8通过固定块1固定在壳体5内部。门禁传感装置包括上述光纤光栅应变传感器和大磁铁7，大磁铁可固定在大磁铁座6上。

使用时，光纤光栅应变传感器设置在门窗框上，大磁铁做6设置在门窗上，且在门窗关闭时，大磁铁7与光纤光栅应变传感器的磁铁2处于同圆心位置。本实用新型中，由于采用的Bragg光栅并利用匹配滤波解调方法的系统，温度变化导致传感光栅Bragg波长的漂移会造成系统的静态工作点发生变动,从而使输出信号不稳定，传统的温度补偿方法主要有:采用两种不同热膨胀系数的金属进行管式封装和采用负膨胀材料进行封装。上述两种方法或是结构复杂,又或材料比较特殊,实现起来都比较困难。本实用新型中采用一对光纤光栅分别粘贴在不同悬臂梁上，一根做形变，一根做温度补偿，由于两根光栅粘贴的悬臂梁采用同种材料与形状，且置于非常接近的小范围内，因此两根光栅处于相同温度环境中，受温度的影响等同。当温度变化时，两根光栅的Bragg波长总是随温度向同一方向漂移，而相对位置不变，从而巧妙的实现温度补偿。当门窗关闭时，门窗上固定的大磁铁与形变光栅悬臂梁上的小磁铁产生同极相斥的斥力，带动悬臂梁上的形变光栅拉伸，使该光栅的反射波长变大，其如图3所示；当门窗开启时，门窗上固定的大磁铁远离小磁铁，形变光栅受到悬臂梁的回弹力，从而收缩，使光栅的反射波长恢复变小。计算波长变化量就能分辨门窗的开关状态，同时该新型光纤光栅门禁开关传感装置解决了传感器无法串联的问题。

其中形变光栅9和测温光栅4分别粘贴在两根悬臂梁的上下表面，并在粘贴中施加相同预应力，而后将两根光纤光栅熔接。其中金属薄片悬臂梁3为高弹性、高屈服强度的不锈钢。入射光经光纤尾端进入悬臂梁上表面的形变光栅9，通过测温光栅4，最后再到光纤尾端出光，如此可进入下一个传感器形成多个传感器串联。

当门窗关闭时，固定在门窗上的大磁铁与形变光栅悬臂梁上的小磁铁产生排斥力，使悬臂梁弯曲，并带动该光栅拉伸。悬臂梁一端与壳体5刚性连接，所以悬臂梁3上的应变可表示为：

                            （1），

式中

为应变，F为磁铁产生的排斥力，l为悬臂梁工作距离，A为悬臂梁横截面积，x为光栅粘接点与固定端距离，h为悬臂梁厚度，E为悬臂梁材料的弹性模量，如图4所示。

由于形变光栅紧密粘贴在悬臂梁上，因此悬臂梁产生的形变可导致光纤光栅产生的相应的形变。当门窗关闭时，大磁铁与小磁铁处于同心位置时F达到最大，

也达到最大；当门开启时，F变小，

也会变小。

由耦合模理论可知：当光纤光栅仅受应变作用时，光纤光栅的中心反射波长漂移与轴向应变的关系为：

                         （2），

式中Δλ_B为中心反射波长漂移值，λ_B为原始中心波长，P_e光纤光栅的弹光系数，Δε为光栅所产生的形变。

可见轴向应变的变化会导致光纤光栅中心反射波长的变化。当系统处于监测状态时，由控制室的解调仪内宽带光源发出的光通过光缆进入每一路的传感器中，当待测门窗开关状态发生改变时，传感器中形变光栅的布拉格反射波长随之发生变化，通过对反射回解调仪的光信号的解调及与之相连的上位机分析计算，得出监测物体的开关状态。

本实用新型光纤光栅门禁传感装置可实现精确监测，同时传感器之间可通过串联方式相接，可适用于多种特殊场合（防爆，强电磁干扰，无需电源）。

Claims (4)

1.一种光纤光栅应变传感器，其特征在于：它包括壳体以及位于壳体内的光纤和悬臂梁；光纤一端串接有形变光栅和测温光栅，另一端引出壳体；悬臂梁包括两根，形变光栅粘贴于其中一根悬臂梁的下表面，测温光栅粘贴在另一根悬臂梁的上表面，两根悬臂梁一端固定于壳体内部，另一端设有磁铁。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述的磁铁上方设有限位螺钉，限位螺钉通过固定块固定在壳体内部。

3.一种基于光纤光栅应变传感器的门禁传感装置，其特征在于：它包括光纤光栅应变传感器和大磁铁，光纤光栅应变传感器为权利要求1或2所述的光纤光栅应变传感器，大磁铁的大小视能够使得光纤光栅应变传感器的磁铁受到排斥力而定。

4.根据权利要求3所述的门禁传感装置，其特征在于所述的光纤光栅应变传感器设置在门窗框上，大磁铁设置在门窗上，且大磁铁与光纤光栅应变传感器内部磁铁处于同圆心位置。

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