[發(fā)明專利]一種利用橫向力改變繩的應(yīng)變的方法和其在光纖光柵加速度計中的應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310415482.2
• 申請日: 2013-09-06
• 公開（公告）號: CN103558416A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李闊
• 申請（專利權(quán)）人: 李闊
• 主分類號: G01P15/03
• 分類號: G01P15/03
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一、技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及力對繩應(yīng)變的改變和其在光纖光柵加速度計中的應(yīng)用。為了使光纖光柵加速度計適合更多應(yīng)用場合，溫度和位移(可以轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或力)的同時測量也包含其中。

二、技術(shù)背景

隨著科技發(fā)展(例如：光纖光柵傳感器的出現(xiàn))，繩的應(yīng)變變化可以很容易的被測量。基于一個力引發(fā)的繩應(yīng)變變化，該力可以被算出來。

軸向力引發(fā)的繩應(yīng)變變化是與軸向力的變化成比例的。這至少在光纖光柵傳感領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

然而，還沒有對橫向力和其引發(fā)的繩應(yīng)變變化的關(guān)系的報道。本發(fā)明介紹了該關(guān)系，并且將其應(yīng)用到光纖光柵加速度計中。

三、發(fā)明內(nèi)容

當(dāng)一橫向力被施加到一個兩端固定的繩，該繩彎曲并且其應(yīng)變增加以平衡該橫向力。結(jié)果，沿著繩的軸向力增加的比該橫向力更多。本發(fā)明給出了橫向力與其引發(fā)的軸向力的關(guān)系。

通過基于橫向力而不是軸向力研發(fā)光纖光柵傳感器，達(dá)到同樣高靈敏度需要的力可以小的多。因此，光纖光柵加速度計的體積可以明顯減小。更重要的是，基于橫向力的光纖光柵加速度計自身具有低交叉軸靈敏度，因?yàn)椋鼘M向力比軸向力更敏感。

為了使光纖光柵加速度計適應(yīng)更多應(yīng)用場合，溫度和位移的同時測量可以通過使用兩根光纖光柵實(shí)現(xiàn)。位移變化可以根據(jù)兩根光纖光柵的差來求得；溫度和加速度變化可以通過對該算術(shù)平均進(jìn)行低通和高通濾波求得。

總體上，本發(fā)明提出下面幾項(xiàng)內(nèi)容，并要求其專利權(quán)。

1.一種力放大器，包含：

一個響應(yīng)輸入、提供橫向力的物體；和

一個幾乎沒有被拉伸、兩端固定的繩；該繩響應(yīng)施加在其中部的該橫向力，以提供沿著其自身的一個更強(qiáng)的軸向力。

2.一種光纖光柵加速度計，包含：

一根含有布拉格柵區(qū)的光纖；該光纖的兩點(diǎn)固定在其待測物體上使得布拉格柵區(qū)在這兩點(diǎn)之間；該光纖響應(yīng)橫向力，以反射沿著光纖傳播的一部分光學(xué)信號；該被反射的部分有一個代表該橫向力的波長；和

一個與被固定光纖中部相連的慣性元件；其響應(yīng)橫向加速度，以提供該橫向力。

3.一種權(quán)利要求(2)中的光纖光柵加速度計，該慣性元件被兩個橫向槽限制。

4.一種光纖光柵加速度計，包含：

一根桿；其一端與被測物體連在一起；該桿響應(yīng)該被測物體的移動，以提供該桿自由端的移動；和

一根含有布拉格柵區(qū)的光纖；該光纖的一點(diǎn)固定在待測物體上；該光纖的另一點(diǎn)與該桿的自由端連在一起；該布拉格柵區(qū)在該兩點(diǎn)之間；該光纖響應(yīng)該桿自由端的運(yùn)動和待測物體的運(yùn)動，以反射沿著光纖傳播的一部分光學(xué)信號；該被反射的部分有一個代表該兩運(yùn)動的波長。

當(dāng)一橫向力被施加到一根兩端固定、并被拉伸的繩時，該繩彎曲，并且該繩的應(yīng)變增加。沿著該繩的軸向力也增加了。

情況1：當(dāng)繩在該橫向力施加點(diǎn)可以自由移動

當(dāng)橫向力由一根具有光滑圓頭的橫向移動的桿施加，并且該繩是被水平方向拉伸，如圖1所示，假設(shè)該繩可以在其和桿接觸的地方自由移動，該繩在其兩個固定點(diǎn)之間的應(yīng)變是均勻分布的，因此，沿著該繩的軸向力的大小是一樣的。

假設(shè)繩被從原來的位置推開的角度為α和β，如附圖1所示，顯然，在垂直方向

F_t＝(F_t+ΔF_l)(sinα+sinβ)

＝AE(ε_l+Δε_l)(sinα+sinβ)????(1)，

這里，F(xiàn)_t，F(xiàn)_l，ΔF_l，ε，Δε，A和E分別為橫向力F_r(桿施加的力)在垂直方向的投影，繩的最初的軸向力，由橫向力F_t引起的繩的新增軸向力，繩的初應(yīng)變，繩的新增應(yīng)變，繩的橫截面面積，繩的楊氏模量。

假設(shè)該繩被從最初位置推開y，如附圖1所示，并且，該繩的長度變化為ΔL，顯然：

sinα=yx2+y2]]>