溫度自補償光纖光柵拉力傳感器的製作方法

2023-05-30 10:51:56

專利名稱：溫度自補償光纖光柵拉力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及工程量具，特別涉及一種溫度自補償的光纖光柵拉力傳感器。
背景技術：
目前，各種力傳感器例如應變、壓電類被廣泛應用於力值測量中。力值測量包括靜 態力測量和動態力測量，靜態力測量主要是應用應變式傳感器，它可以長時間的對某一靜 態力值進行監視，但是由於應變片動態響應的局限性，它不適合用於動態力的測量；而壓電 類力傳感器則具有較高的動態頻響，因此適合於動態力的測量，但由於電荷量無法長時間 存儲，故壓電類傳感器不適合靜態力的測量。同時，由於電子傳感器自身存在抗雷擊性能 差、抗電磁幹擾性能差、測量距離較近的缺陷，故造成了可靠性差、測量範圍小、測量精度不 高的問題。光纖光柵技術起源於上世紀七十年代，九十年代進入我國。目前國內有多家研究 機構開始利用此項技術進行參數測試或製作產品。對於航空、航天及石油工業等特殊環境 下需要利用到的力傳感器，其特點是既要有較高的動態響應和較好的靜態力值測量的線性 度，也要有防電磁幹擾及較好的溫漂特性。

發明內容
本發明的目的正是針對上述現有技術存在的缺陷，提供一種溫度自補償的光纖光 柵拉力傳感器，其目的是實現靜態與動態拉壓力的綜合測試，同時能夠抗電磁幹擾並具有 溫度自補償功能。本發明的目的是通過以下措施來實現的一種溫度自補償光纖光柵拉力傳感器，其特點在於包括基座，該基座具有一個內 空腔，該內空腔的一端設置一個頂面為斜面的懸臂梁安裝臺，該基座靠所述的懸臂梁安裝 臺的一端的中軸的上方設有光纖入口，在所述的懸臂梁安裝臺下沿所述的基座的軸線方向 設有通孔並設置一個延長杆套筒，在基座的另一端設有光纖出口和基座固定螺孔，在所述 的懸臂梁安裝臺的斜面上通過一固定壓塊翹設一根懸臂梁，該懸臂梁是二階厚度等腰三角 形懸臂梁，在該懸臂梁的等腰三角形之頂端的對稱位置有一鋼繩安裝孔，在所述的懸臂梁 的自由端下方在所述基座的內空腔內通過一個橫軸固定一個軸承，一條鋼繩自所述的鋼繩 安裝孔繞過所述的軸承後固定在所述的彈簧的一端，該彈簧的另一端固定在延長杆上，該 延長杆置於所述的延長杆套筒中並將延長杆的外螺紋端伸出在所述的基座外，一刻有第一 光纖光柵和第二光纖光柵的光纖經所述的光纖入口、懸臂梁至所述的光纖出口設置，而且 所述的第一光纖光柵和第二光纖光柵沿所述的懸臂梁上的對稱位置貼設。所述的二階厚度等腰三角形懸臂梁的結構是該懸臂梁的正投影呈等腰三角形，而 梁的厚度呈二階階梯形分布，即所述的等腰三角形的中垂剖面的厚度分別為h和、，所述 的第一光纖光柵和第二光纖光柵分別貼設在二階厚度等腰三角形懸臂梁的厚度為h和、 的兩部分的對稱位置。
還有拉力固定件，該拉力固定件的一端有一個內螺紋孔，以與所述的延長杆的外 螺紋端連接，另一端具有拉力連接孔，該拉力連接孔供待測拉力件的連接。還有外延長杆，該外延長杆的一端具有內螺紋孔，另一端為外螺紋端，該外延長杆 內螺紋孔與所述的延長杆的外螺紋端連接匹配，外延長杆外螺紋端與所述的拉力固定件的 內螺紋孔相匹配。所述的懸臂梁與所述的基座的中軸線之間的角度為0° 20°。本發明的技術效果如下本發明通過光纖光柵對懸臂梁的應變測量實現對彈簧受到的拉力的精確測量，通 過懸臂梁的設計實現溫度自補償。所述的懸臂梁設計成等腰三角形是為了讓光柵的調製不 會產生啁啾，而設計成二階厚度的臺階型是為了實現溫度自補償。光柵光纖本身具有抗雷擊性能好、抗電磁幹擾性能強、測量距離較遠的優點，因此 本發明具有可靠性好、測量範圍大、測量精度高的特點。


圖1是本發明溫度自補償光纖光柵拉力傳感器主剖視圖；圖2是本發明溫度自補償光纖光柵拉力傳感器的俯視圖；圖3是本發明配套使用的外延長杆示意圖；圖4是本發明配套使用的拉力固定件示意圖；圖5是本發明配套使用的固定座示意圖；圖6是本發明溫度自補償光纖光柵拉力傳感器的二階階梯懸臂梁的示意圖。圖中1-基座、2-光纖入口、3-固定螺孔、4-光纖出口、5-固定壓塊、6-懸臂梁、 7-軸、8-軸承、9-延長杆套筒、10-延長杆、11-延長杆外螺紋端、12-光纖、13-鋼繩、14-彈 簧、15-彈簧出口、16-第一光纖光柵、17-第二光纖光柵、18-懸臂梁安裝臺、19-鋼繩安裝 孔、21-外延長杆外螺紋端、22-外延長杆內螺紋孔、31-拉力固定件的內螺紋孔、32-拉力連 接孔、41-固定座外螺紋端、42-固定座固定孔。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明，但不應限制本發明的保護分 為。先請參閱圖1和圖2，由圖可見，本發明溫度自補償光纖光柵拉力傳感器，包括基 座1，該基座1具有一個內空腔，該內空腔的一端設置一個頂面為斜面的懸臂梁安裝臺18， 該基座1靠所述的懸臂梁安裝臺18的一端的中軸的上方設有光纖入口 2，在所述的懸臂梁 安裝臺下沿所述的基座1的軸線方向設有通孔15並設置一個延長杆套筒9，在基座1的另 一端設有光纖出口 4和基座固定螺孔3，在所述的懸臂梁安裝臺18的斜面上通過一固定壓 塊5翹設一根懸臂梁6，該懸臂梁6是二階厚度等腰三角形懸臂梁，在該懸臂梁6的等腰三 角形之頂端的對稱位置有一鋼繩安裝孔19，在所述的懸臂梁6的自由端下方在所述基座1 的內空腔內通過一個橫軸7固定一個軸承8，一條鋼繩13自所述的鋼繩安裝孔19繞過所述 的軸承8後固定在所述的彈簧14的一端，該彈簧14的另一端固定在延長杆10上，該延長 杆10置於所述的延長杆套筒9中並將延長杆10的外螺紋端11伸出在所述的基座1外，一刻有第一光纖光柵16和第二光纖光柵17的光纖12經所述的光纖入口 2、懸臂梁6至所述 的光纖出口 4設置，而且所述的第一光纖光柵16和第二光纖光柵17沿所述的懸臂梁6上 的對稱位置貼設。所述的二階厚度等腰三角形懸臂梁的結構是該懸臂梁的正投影呈等腰三角形，而 梁的厚度呈二階階梯形分布，即所述的等腰三角形的中垂剖面的厚度分別為h和、，所述 的第一光纖光柵16和第二光纖光柵7分別貼設在二階厚度等腰三角形懸臂梁的厚度為Ii1 和、的兩部分的對稱位置。圖3是本發明配套使用的外延長杆示意圖，該外延長杆的一端具有內螺紋孔22， 另一端為外螺紋端21，該外延長杆內螺紋孔22與所述的延長杆10的外螺紋端11連接匹 配，外延長杆外螺紋端21與所述的拉力固定件的內螺紋孔31相匹配。圖4是本發明配套使用的拉力固定件示意圖，該拉力固定件的一端有一個內螺紋 孔31，以與所述的延長杆10的外螺紋端連接，另一端具有拉力連接孔32，該拉力連接孔32 供待測拉力件的連接。所述的懸臂梁與所述的基座的中軸線之間的角度為0° 20°。同樣，本發明也可以配套其他如萬向節等配件使用。圖5是本發明配套使用的固定座示意圖，固定座的外螺紋端41用來連接光纖光柵 拉力傳感器內螺紋孔3，固定座的固定孔42供用戶固定本發明的固定座，將本發明光纖光 柵拉力傳感器固定在設置的地方。請參見圖6，圖6是本發明溫度自補償光纖光柵拉力傳感器的二階階梯懸臂梁的 示意圖。懸臂梁6設計成等腰三角形是為了讓光柵的調製不會產生啁啾，而設計成臺階型 是為了實現溫度自補償。這兩點在下文中有計算說明。應變通過影響光纖光柵的光柵常數和彈光效應引起波長漂移，而溫度則由於熱漲 和熱光效應使得布拉格反射波長發生變化，對於均質、等厚、等腰三角狀懸臂梁，軸向應力 分布均勻，兩者對光纖光柵波長漂移的總貢獻可分別表示為^ = {\-Ρε)εχ+{α + ξ)Μ
ΑΒ式中ε χ為軸向應變，Δ T為溫差；pe為有效彈光係數，α和ξ分別為光纖的熱 膨脹係數和熱光係數。當懸臂梁設計成如圖6所示的二階等腰三角形懸臂梁，圖中界線AB是懸臂梁厚 度的分界線，界線AB與懸臂梁固定端的距離為a，與自由端Q距離為b。界線AB的左、右兩 側的上表面共面，兩側厚度分別為Ii1和、。一定長度的第一光纖光柵16和第二光纖光柵 17沿軸向剛性粘貼於上表面AB界線兩側，AB界線兩側的光纖光柵的長度相等，以保證測量 過程中兩側光柵反射譜峰值接近相等，θ為懸臂梁的二分之一頂角。若材料的楊氏模量為Ε，自由端垂直於表面的壓力為P，ω (b)是自由端Q點受力P 後所產生的角位移，第一光纖光柵16和第二光纖光柵17的波長偏移之差Δ λΜ可以推導 並用下式表達參見文獻餘有龍，譚華耀，廖信義，鍾永康，關柏鷗.免受溫度影響的光纖 光柵位移傳感器.光學學報，2000，20 (4) :539 Μ2ΛΛβ = \f ;Λ/ 「 / >(6)
由公式可以看出，任意時刻，第一光纖光柵16和第二光纖光柵17的波長偏移之差 Δ入都和二階等腰三角形懸臂梁的自由端Q點受力P後所產生的角位移ω (b)成正比， 與環境溫度無關。不同量程的拉力傳感器可以通過更換不同彈性係數的彈簧14和更換不 同厚度或材料的懸臂梁6來實現。本發明因為彈簧14的所承受的拉力與光纖光柵的波長漂移量並不成正比，有一 定的函數關係，所以需要在出廠前給用戶提供彈簧拉力和光纖光柵波長漂移量的修正函數 曲線，修正函數曲線可以通過用標準拉力計與本發明裝置連接，對標準拉力計施加一個從0 到本發明最大量程的外力，同時本發明裝置與光纖光柵解調儀連接，解調測得光纖光柵波 長漂移量，將所得到的光纖光柵波長漂移量與施加的外力對應，便可得到彈簧拉力-光纖 光柵波長漂移量差的標定曲線。本發明的工作原理如圖1所示，彈簧14與鋼絲繩13相連，在外力作用下彈簧14 受到拉力，通過鋼絲繩13和軸承8使力作用在懸臂梁6上，懸臂梁6在外力的作用下發生 彎曲變形，第一光纖光柵16和第二光纖光柵17受到應變，產生波長變化，通過光纖傳至光 纖光柵分析儀，得到第一光纖光柵16和第二光纖光柵17的波長偏移之差，按照給出的拉 力-光纖光柵波長漂移量差的標定曲線進行插值，從而實現拉力的測量。經實驗表明，本發明溫度自補償光纖光柵拉力傳感器可以實現靜態與動態拉壓力 的綜合測試，同時具有溫度自補償功能，而且具有抗雷擊性能好、抗電磁幹擾性能強、測量 距離較遠、可靠性好、測量範圍大、測量精度高的優點，另外還具有不同量程的靈活擴展性。以上所述的實施例，只是本發明較優選的具體實施方式
的一種，本領域的技術人 員在本發明的技術方案範圍內進行的通常變化和替換都應包含在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種溫度自補償光纖光柵拉力傳感器，其特徵在於包括基座(1)，該基座(1)具有 一個內空腔，該內空腔的一端設置一個頂面為斜面的懸臂梁安裝臺(18)，該基座(1)靠所 述的懸臂梁安裝臺(18)的一端的中軸的上方設有光纖入口 0)，在所述的懸臂梁安裝臺 下沿所述的基座(1)的軸線方向設有通孔(1 並設置一個延長杆套筒(9)，在基座(1)的 另一端設有光纖出口(4)和基座固定螺孔(3)，在所述的懸臂梁安裝臺(18)的斜面上通過 一固定壓塊( 翹設一根懸臂梁(6)，該懸臂梁(6)是二階厚度等腰三角形懸臂梁，在該懸 臂梁(6)的等腰三角形之頂端的對稱位置有一鋼繩安裝孔(19)，在所述的懸臂梁(6)的自 由端下方在所述基座(1)的內空腔內通過一個橫軸(7)固定一個軸承(8)，一條鋼繩(13) 自所述的鋼繩安裝孔(19)繞過所述的軸承(8)後固定在所述的彈簧(14)的一端，該彈簧 (14)的另一端固定在延長杆(10)上，該延長杆(10)置於所述的延長杆套筒(9)中並將延 長杆(10)的外螺紋端(11)伸出在所述的基座(1)外，一刻有第一光纖光柵(16)和第二光 纖光柵(17)的光纖(1 經所述的光纖入口 O)、懸臂梁(6)至所述的光纖出口(4)設置， 而且所述的第一光纖光柵(16)和第二光纖光柵(17)沿所述的懸臂梁(6)上的對稱位置貼 設。
2.根據權利要求1所述的溫度自補償光纖光柵拉力傳感器，其特徵在於所述的二階 厚度等腰三角形懸臂梁的結構是該懸臂梁的正投影呈等腰三角形，而梁的厚度呈二階階梯 形分布，即所述的等腰三角形的中垂剖面的厚度分別為Ii1和、，所述的第一光纖光柵(16) 和第二光纖光柵(17)分別貼設在二階厚度等腰三角形懸臂梁的厚度為Ii1和、的兩部分的 對稱位置。
3.根據權利要求1所述的溫度自補償光纖光柵拉力傳感器，其特徵在於還有拉力固定 件，該拉力固定件的一端有一個內螺紋孔(31)，以與所述的延長杆(10)的外螺紋端連接， 另一端具有拉力連接孔(32)，該拉力連接孔(3 供待測拉力件的連接。
4.根據權利要求1所述的溫度自補償光纖光柵拉力傳感器，其特徵在於還有外延長 杆，該外延長杆的一端具有內螺紋孔(22)，另一端為外螺紋端(21)，該外延長杆內螺紋孔 (22)與所述的延長杆(10)的外螺紋端(11)連接匹配，外延長杆外螺紋端與所述的拉 力固定件的內螺紋孔(31)相匹配。
5.根據權利要求1至4任一項所述的溫度自補償的光纖光柵拉力傳感器，其特徵在於 所述的懸臂梁與所述的基座的中軸線之間的角度為0° 20°。
全文摘要
一種溫度自補償的光纖光柵拉力傳感器，其構成包括基座，該基座的內空腔的懸臂梁安裝臺上通過一固定壓塊翹設一根懸臂梁，在該懸臂梁頂端的對稱位置有一鋼繩安裝孔，在所述的懸臂梁的自由端下方在所述基座的內空腔內通過一個橫軸固定一個軸承，一條鋼繩自所述的鋼繩安裝孔繞過所述的軸承後固定在彈簧的一端，該彈簧的另一端固定在延長杆上，該延長杆置於延長杆套筒中並將延長杆的外螺紋端伸出在所述的基座外，一刻有第一光纖光柵和第二光纖光柵的光纖經光纖入口、懸臂梁至光纖出口設置，而且所述的第一光纖光柵和第二光纖光柵沿所述的懸臂梁上的對稱位置貼設。本發明可實現靜態與動態拉壓力的綜合測試，同時能夠抗電磁幹擾並具有溫度自補償功能。
文檔編號G01L1/24GK102072787SQ20101052610
公開日2011年5月25日 申請日期2010年10月29日 優先權日2010年10月29日
發明者張承濤, 陳宇, 陳柏 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所