CN212539361U - 一种轮辐式温度补偿光纤光栅称重传感装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种轮辐式温度补偿光纤光栅称重传感装置，包括有传感器和光纤光栅解调单元，传感器均包括有弹性体和八个光纤光栅，弹性体包括有轮毂、轮缘和轮辐，轮辐包括有八个通孔，八个光纤光栅的栅区均采用金属化封装且均焊接于轮辐的上端面上或均焊接于轮辐的下端面上，每个光纤光栅位于相邻两个通孔之间，八个光纤光栅中，其中四个光纤光栅邻近于轮毂的位置，另外四个光纤光栅邻近于轮缘的位置，八个光纤光栅串联在同一根光纤中，光纤与光纤光栅解调单元对应的采集通道连接。本实用新型光纤光栅均焊接于轮辐上，避免了应变片脱胶失效的情况，提高了称重传感器的使用寿命，且可实现温度的自补偿，可以在外界环境变化比较大的地方使用。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器技术领域，具体是一种轮辐式温度补偿光纤光栅称重传感装置。
背景技术
目前广泛使用的称重传感器采用电阻式应变片原理，设计应变梁结构，通过多只电阻应变片对应变梁的应变情况进行监测，进而解析出产品的承重信息。由于使用环境恶劣，频发应变片脱胶失效情况，影响称重传感器的正常使用。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种轮辐式温度补偿光纤光栅称重传感装置，具有测量精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀和适合恶劣环境尤其是高低温环境下工作等特点。
本实用新型的技术方案为：
一种轮辐式温度补偿光纤光栅称重传感装置，包括有传感器和光纤光栅解调单元，每个传感器均包括有弹性体和八个光纤光栅，所述的弹性体包括有轮毂、轮缘和轮辐，所述的轮缘设置于轮毂的外周，所述的轮辐位于轮毂和轮缘之间且轮毂和轮缘通过轮辐相互连接，所述的轮毂、轮缘和轮辐三者同圆心，所述的轮缘上设置有一圈安装孔，一圈紧固螺钉穿过对应的安装孔将轮缘与安装底座连接，所述的轮毂的中心位置设置有中心螺纹通孔，待测物体通过螺杆与轮毂的中心螺纹通孔连接，所述的轮辐包括有八个上下贯通的通孔，所述的八个通孔沿轮辐的圆周均匀分布，所述的八个光纤光栅的栅区均采用金属化封装，八个光纤光栅均焊接于轮辐的上端面上或均焊接于轮辐的下端面上，所述的八个光纤光栅均沿轮辐的径向设置，且每个光纤光栅位于相邻两个通孔之间，八个光纤光栅中，其中四个光纤光栅邻近于轮毂的位置，另外四个光纤光栅邻近于轮缘的位置，且四个邻近轮毂的光纤光栅和四个邻近于轮缘的光纤光栅为间隔分布结构，所述的八个光纤光栅串联在同一根光纤中，所述的光纤与光纤光栅解调单元对应的采集通道连接。
所述的八个光纤光栅均激光焊接于轮辐的上端面上或均焊接于轮辐的下端面上。
所述的轮缘上设置有光纤穿孔，所述的光纤由光纤穿孔穿出后与光纤光栅解调单元对应的采集通道连接。
所述的弹性体为一体塑型结构。
所述的八个光纤光栅的中心波长均不等，且顺次递增，递增波长差为大于等于3nm。
所述的八个光纤光栅的反射率均≥70％。
所述的光纤光栅解调单元的数字信号输出端与上位机进行连接。
本实用新型的优点：
本实用新型金属化封装的光纤光栅均焊接于轮辐上，避免了原有应变片脱胶失效的情况，大大提高了称重传感器的使用寿命；本实用新型可实现温度的自补偿，可以在外界环境变化比较大的地方使用。
附图说明
图1是本实用新型传感器的结构示意图。
图2是本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
见图1和图2，一种轮辐式温度补偿光纤光栅称重传感装置，包括有传感器1和四通道光纤光栅解调单元2，每个传感器1均包括有弹性体和八个光纤光栅，弹性体包括有轮毂11、轮缘12和轮辐13，轮缘12设置于轮毂11的外周，轮辐13位于轮毂11和轮缘12之间且轮毂11和轮缘12通过轮辐13相互连接，轮毂11、轮缘12和轮辐13三者同圆心，轮缘12上设置有一圈安装孔14，一圈紧固螺钉穿过对应的安装孔14将轮缘12与安装底座连接，轮毂11的中心位置设置有中心螺纹通孔15，待测物体通过螺杆与轮毂的中心螺纹通孔15连接，轮辐13包括有八个上下贯通的通孔16，八个通孔16沿轮辐13的圆周均匀分布，使得轮辐13形成8根轮辐条结构，八个光纤光栅17的栅区均采用金属化封装，八个光纤光栅17均激光焊接于轮辐13的上端面上，八个光纤光栅17均沿轮辐13的径向设置，且每个光纤光栅17位于相邻两个通孔16之间，八个光纤光栅17中，其中四个光纤光栅17邻近于轮毂11的位置，另外四个光纤光栅17邻近于轮缘12的位置，且四个邻近轮毂11的光纤光栅17和四个邻近于轮缘12的光纤光栅17为间隔分布结构，八个光纤光栅17串联在同一根光纤18中，轮缘12上设置有光纤穿孔，光纤18由光纤穿孔穿出后与四通道光纤光栅解调单元2对应的一路采集通道连接，四通道光纤光栅解调单元2的数字信号输出端与上位机3进行连接，通过上位机3的软件可实现对光纤光栅称重传感装置的检测和控制。
其中，弹性体为一体塑型结构，八个光纤光栅的中心波长分别是λ1＝1527nm、λ2＝1532nm、λ3＝1537nm、λ4＝1542nm、λ5＝1547nm、λ6＝1552nm、λ7＝1557nm、λ8＝1562nm，反射率均≥80％。
由光纤光栅传感原理可知，当轮毂11顶部受到均匀垂直压力F作用时，该力通过轮辐13对焊接其正面上的八个光纤光栅产生拉伸或压缩效应，其中，四个邻近于轮缘12的光纤光栅17受到拉伸作用，四个邻近轮毂11的光纤光栅17受到压缩作用，从而导致八个光栅的周期发生变化。由光纤光栅传感原理可得，八个光纤光栅的中心波长λ1～λ8、八个光纤光栅中心波长的漂移量Δλ1～Δλ8、八根轮辐的最大应变ε1m～ε8m的关系为：
式(1)中，Pe为光纤的有效弹光系数，χ为应变传递因子，0<χ<1，χ与机构设计、衬底材料性质、光纤光栅焊接质量等有关，考虑到光纤光栅的温度效应，Δλn与力F和温度变化△T的关系分别为：
Δλn＝KFnF+KTnΔT(n＝0～8) (2)；
式(2)中，KFn和KTn分别为光纤光栅的受力F和温度的灵敏度系数，KFn、KTn与光纤光栅的性质和传感机构衬底材料的热力学性质有关，由于八个光纤光栅的焊接材料一致，调整焊接位置和角度并使之一致，可使：
KF2＝KF4＝KF6＝KF8＝-KF1＝-KF3＝-KF5＝-KF7 (3)；
KT＝KT2＝KT4＝KT6＝KT8＝KT1＝KT3＝KT5＝KT7 (4)；
由力F引起的光栅串的波长差为：
Δλ＝(λ1+λ3+λ5+λ7+Δλ1+Δλ3+Δλ5+Δλ7)-(λ2+λ4+λ6+λ8+Δλ2+Δλ4+Δλ6+Δλ8) (5)；
由式(3)、(4)两式得到光纤光栅中心波长的漂移量：
Δλ1＝Δλ3＝Δλ5＝Δλ7＝-KFXF+KTT，Δλ2＝Δλ4＝Δλ6＝Δλ8＝KFYF+KTT (6)；
式(6)中的X为1、3、5和7，Y为2、4、6、8；
将式(6)代入式(5)中得到Δλ与外力F的关系为：
Δλ＝-(KF1+KF3+KF5+KF7+KF2+KF4+KF6+KF8)F+(λ1+λ3+λ5+λ7-λ2-λ4-λ6-λ8) (7)；
式(7)中，ξ＝KF1+KF3+KF5+KF7+KF2+KF4+KF6+KF8为力F的灵敏度系数，式(7)是轮辐式温度自动补偿型光纤光栅测力传感原理的基本关系式。由式(7)可知，八个光纤光栅组成光栅串的波长差Δλ与外力F成正比关系，且与温度变化无关。这说明，利用该传感器，通过测量八个光纤光栅中心波长的漂移变化值，即可感测外力(或载荷)的大小，能够实现具有温度自动补偿功能的高精度力的感测。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种轮辐式温度补偿光纤光栅称重传感装置，其特征在于：包括有传感器和光纤光栅解调单元，每个传感器均包括有弹性体和八个光纤光栅，所述的弹性体包括有轮毂、轮缘和轮辐，所述的轮缘设置于轮毂的外周，所述的轮辐位于轮毂和轮缘之间且轮毂和轮缘通过轮辐相互连接，所述的轮毂、轮缘和轮辐三者同圆心，所述的轮缘上设置有一圈安装孔，一圈紧固螺钉穿过对应的安装孔将轮缘与安装底座连接，所述的轮毂的中心位置设置有中心螺纹通孔，待测物体通过螺杆与轮毂的中心螺纹通孔连接，所述的轮辐包括有八个上下贯通的通孔，所述的八个通孔沿轮辐的圆周均匀分布，所述的八个光纤光栅的栅区均采用金属化封装，八个光纤光栅均焊接于轮辐的上端面上或均焊接于轮辐的下端面上，所述的八个光纤光栅均沿轮辐的径向设置，且每个光纤光栅位于相邻两个通孔之间，八个光纤光栅中，其中四个光纤光栅邻近于轮毂的位置，另外四个光纤光栅邻近于轮缘的位置，且四个邻近轮毂的光纤光栅和四个邻近于轮缘的光纤光栅为间隔分布结构，所述的八个光纤光栅串联在同一根光纤中，所述的光纤与光纤光栅解调单元对应的采集通道连接。
2.根据权利要求1所述的一种轮辐式温度补偿光纤光栅称重传感装置，其特征在于：所述的八个光纤光栅均激光焊接于轮辐的上端面上或均焊接于轮辐的下端面上。
3.根据权利要求1所述的一种轮辐式温度补偿光纤光栅称重传感装置，其特征在于：所述的轮缘上设置有光纤穿孔，所述的光纤由光纤穿孔穿出后与光纤光栅解调单元对应的采集通道连接。
4.根据权利要求1所述的一种轮辐式温度补偿光纤光栅称重传感装置，其特征在于：所述的弹性体为一体塑型结构。
5.根据权利要求1所述的一种轮辐式温度补偿光纤光栅称重传感装置，其特征在于：所述的八个光纤光栅的中心波长均不等，且顺次递增，递增波长差为大于等于3nm。
6.根据权利要求1所述的一种轮辐式温度补偿光纤光栅称重传感装置，其特征在于：所述的八个光纤光栅的反射率均≥70％。
7.根据权利要求1所述的一种轮辐式温度补偿光纤光栅称重传感装置，其特征在于：所述的光纤光栅解调单元的数字信号输出端与上位机进行连接。
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| CN202021439913.0U CN212539361U (zh) | 2020-07-20 | 2020-07-20 | 一种轮辐式温度补偿光纤光栅称重传感装置 |
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|---|---|---|---|---|
| CN114323410A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-12 | 长飞光纤光缆股份有限公司 | 一种轮辐式光纤光栅压力传感器 |
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- 2020-07-20 CN CN202021439913.0U patent/CN212539361U/zh active Active
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| CN114323410A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-12 | 长飞光纤光缆股份有限公司 | 一种轮辐式光纤光栅压力传感器 |
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