[發(fā)明專(zhuān)利]一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵桿力傳感器及使用方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010534686.4
• 申請(qǐng)日: 2010-11-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101975632A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-02-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊德興;張銘;姜亞軍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01L1/24
• 分類(lèi)號(hào): G01L1/24;G01B11/16
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專(zhuān)利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光纖光柵桿力傳感器及使用方法，能消除溫度對(duì)光纖光柵傳感器的影響，屬于光纖傳感領(lǐng)域。

背景技術(shù)

光纖光柵傳感是一種新型的傳感原理，它以光波為信號(hào)載體，并采用波長(zhǎng)調(diào)制，不受光強(qiáng)的影響，信號(hào)穩(wěn)定，在結(jié)構(gòu)工程的各種場(chǎng)合都具有良好的傳感性能。利用光纖光柵原理制作的溫度和應(yīng)變傳感器能有效地測(cè)量結(jié)構(gòu)的溫度與應(yīng)變，且制造出的傳感器具有體積小，測(cè)量精度高，抗電磁干擾，耐腐蝕，可靠性和穩(wěn)定性好，耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。

在桿力傳感系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的桿力傳感原理大多是采用電阻應(yīng)變式的變換原理。由彈性元件將桿力負(fù)荷變換成表面應(yīng)變，經(jīng)電阻應(yīng)變計(jì)感應(yīng)測(cè)試應(yīng)變，再通過(guò)電子測(cè)量技術(shù)將電阻應(yīng)變計(jì)的變化量換成電信號(hào)輸出。這種傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式桿力傳感器雖然在一般應(yīng)用中能夠滿(mǎn)足傳感要求，然而這種電傳傳感器存在著其固有的缺陷：在測(cè)量精度與可靠性方面存在許多局限。例如，由于電阻應(yīng)變計(jì)在溫度作用下其電阻率會(huì)發(fā)生較大變化，如溫度從-55℃到+60℃變化時(shí)，半導(dǎo)體電阻應(yīng)變計(jì)的阻值會(huì)從600多歐變化到1300歐左右，其電阻溫度系數(shù)大于700×10-6/℃；雖然金屬電阻應(yīng)變計(jì)電阻溫度系數(shù)要小，但其靈敏系數(shù)比半導(dǎo)體電阻應(yīng)變計(jì)小100倍。在電測(cè)技術(shù)中，雖然可以采用熱敏電阻補(bǔ)償、串并聯(lián)電阻補(bǔ)償以及有源電路分段補(bǔ)償?shù)攘阄粶囟妊a(bǔ)償技術(shù)在一定范圍內(nèi)可以減小其零位輸出漂移，但是由于技術(shù)的限制，這種基于電阻應(yīng)變式桿力傳感器還不能達(dá)到很高的精度與靈敏度水平；不能防御雷電、電磁干擾(EMI)和電磁沖擊(EMP)。

鑒于傳統(tǒng)桿力傳感器存在的缺陷，光纖光柵桿力傳感器在所需測(cè)量精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、抗電磁干擾、全溫度與氣壓范圍傳感器零位輸出的穩(wěn)定性與可靠性等指標(biāo)參數(shù)都要比傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式傳感器高出很多。

但是，在光纖光柵傳感領(lǐng)域，應(yīng)變和溫度是兩個(gè)能夠直接導(dǎo)致光纖光柵中心波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移的物理量，即光纖光柵對(duì)溫度和應(yīng)變交叉敏感。由于光纖光柵對(duì)溫度和應(yīng)變都敏感，在測(cè)量應(yīng)變時(shí)，溫度的影響很難消除，從而限制了其實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問(wèn)題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出了一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵桿力傳感器及其使用方法，能在測(cè)量應(yīng)變的同時(shí)消除溫度的影響，制作工藝簡(jiǎn)單，解決了光纖光柵傳感器交叉敏感性的問(wèn)題。

技術(shù)方案

一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵桿力傳感器，其特征在于包括第一關(guān)聯(lián)平行梁2、第二關(guān)聯(lián)平行梁3、第一光纖光柵應(yīng)變傳感器4和第二光纖光柵應(yīng)變傳感器5：第一關(guān)聯(lián)平行梁2和第二關(guān)聯(lián)平行梁3為尺寸相同的矩形框結(jié)構(gòu)，且中心呈長(zhǎng)方形空心；兩個(gè)關(guān)聯(lián)平行梁的長(zhǎng)方形空心矩形框順行且相互垂直固定連接，第一光纖光柵應(yīng)變傳感器4與長(zhǎng)方形空心矩形框平行的粘貼在第一關(guān)聯(lián)平行梁2的一個(gè)平面上，第二光纖光柵應(yīng)變傳感器5與長(zhǎng)方形空心矩形框平行的粘貼在第二關(guān)聯(lián)平行梁3的一個(gè)平面上，且第一光纖光柵應(yīng)變傳感器4與第二光纖光柵應(yīng)變傳感器5串行聯(lián)接；第一光纖光柵應(yīng)變傳感器4在第一關(guān)聯(lián)平行梁2平面的位置與第二光纖光柵應(yīng)變傳感器5在第二關(guān)聯(lián)平行梁3平面位置垂直對(duì)稱(chēng)。

所述的第一光纖光柵應(yīng)變傳感器4和第二光纖光柵應(yīng)變傳感器5的材料和結(jié)構(gòu)相同，且中心波長(zhǎng)相差小于50nm。

在第一關(guān)聯(lián)平行梁2的平面粘貼與第一光纖光柵應(yīng)變傳感器4串聯(lián)的若干個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器，同時(shí)在第二關(guān)聯(lián)平行梁3的平面粘貼與第二光纖光柵應(yīng)變傳感器5串聯(lián)的若干個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器，且兩個(gè)平面上粘貼的位置垂直對(duì)稱(chēng)。

所述的若干個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器為2的倍數(shù)。

所述的光纖光柵應(yīng)變傳感器為貼片式光纖光柵傳感器或裸光纖光柵傳感器。

所述的光纖光柵為光纖布拉格光柵或長(zhǎng)周期光纖光柵。

一種利用上述溫度自補(bǔ)償光纖光柵桿力傳感器測(cè)量受力的方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將寬帶光源發(fā)出的光入射到第一光纖光柵應(yīng)變傳感器4和第二光纖光柵應(yīng)變傳感器5串聯(lián)后的其中一端；

步驟2：在恒定溫度環(huán)境中，將欲測(cè)量的受力施加于溫度自補(bǔ)償光纖光柵桿力傳感器，受力的方向與溫度自補(bǔ)償光纖光柵桿力傳感器相垂直；

步驟：3：測(cè)量第一光纖光柵應(yīng)變傳感器4的中心波長(zhǎng)漂移量Δλ₄和第二光纖光柵應(yīng)變傳感器5的中心波長(zhǎng)漂移量Δλ₅；

步驟4：將第一光纖光柵應(yīng)變傳感器4與第二光纖光柵應(yīng)變傳感器5的中心波長(zhǎng)漂移量做差，得到兩個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器中心波長(zhǎng)漂移量的差值Δλ＝|Δλ₄-Δλ₅|；