[發明專利]一種高精度自溫補的光纖光柵轉角傳感器及其方法

在審

• 申請號: 201611116012.6
• 申請日: 2016-12-07
• 公開（公告）號: CN106595531A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 蔣善超;輔小榮;何堅強;徐順清
• 申請（專利權）人: 鹽城工學院
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及一種高精度自溫補的光纖光柵轉角傳感器及其方法。

背景技術

光纖光柵傳感因其本身所具有的特性，尺寸小，重量輕，抗電磁干擾，復用性好等獨特優點，其在航空航天、大型機電設備，橋梁建筑等各個工程領域廣泛應用并發揮重要作用。然而，光纖光柵傳感器多用于實現如溫度、應變、位移、壓力、流量等被測量的測量，但是光纖光柵轉角傳感器方面的研究及應用很少報道。

發明內容

本發明為了解決上述問題，提出了一種高精度自溫補的光纖光柵轉角傳感器及其方法，本發明通過轉角旋轉轉換元件實現被測量旋轉轉角與等強度懸臂梁表面應變之間的轉變，繼而等強度懸臂梁通過得其表面應變影響光纖光柵中心波長的變化，從而構建被測量旋轉轉角與光纖光柵中心波長的變化之間的對應關系，通過對光纖光柵中心波長變化的分析反演獲取被測量旋轉轉角的測量。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種高精度自溫補的光纖光柵轉角傳感器，包括轉角旋轉轉換元件、等強度懸臂梁、第一光纖光柵和第二光纖光柵，其中，所述等強度懸臂梁設置于轉角旋轉轉換元件的一側，所述轉角旋轉轉換元件上設有凹槽，提供被測量旋轉轉角與等強度懸臂梁表面應變之間的轉變通道，第一光纖光柵和第二光纖光柵分別設置于等強度懸臂梁的兩個上下表面，等強度懸臂梁通過得其表面應變影響光纖光柵中心波長的變化，以構建被測量旋轉轉角與光纖光柵中心波長的變化之間的對應關系，通過對光纖光柵中心波長變化的分析反演獲取被測量旋轉轉角的測量。

所述凹槽為單圈螺旋形凹槽，以定位導軌等強度懸臂梁與旋轉轉換元件之間連接線。

通過改變單圈螺旋形凹槽的形狀尺寸調節該轉角傳感器旋轉轉角的檢測靈敏度。

所述轉角旋轉轉換元件中心設有旋轉軸，所述旋轉軸將轉角旋轉轉換元件因被測量旋轉轉角引起的周向行程變化量轉換為等強度懸臂梁自由端的撓度變化。

所述轉角旋轉轉換元件、等強度懸臂梁、第一光纖光柵和第二光纖光柵外側設置有保護外殼。

所述轉角旋轉轉換元件外側設置有刻度盤，與轉角旋轉轉換元件獨立，實現自我標定與校準。

所述保護外殼外側設置有光纖引出孔，以引出第一光纖光柵和第二光纖光柵的光纖尾纖。

基于上述轉角傳感器的工作方法，通過轉角旋轉轉換元件實現被測量旋轉轉角與等強度懸臂梁表面應變之間的轉變，等強度懸臂梁通過得其表面應變影響光纖光柵中心波長的變化，以構建被測量旋轉轉角與光纖光柵中心波長的變化之間的對應關系，通過對光纖光柵中心波長變化的分析反演獲取被測量旋轉轉角的測量。

兩個光纖光柵通過獲取其中心波長的差值，消除外界溫度對光纖光柵中心波長的影響，以使該傳感器具有自溫補的特性。

所述轉角旋轉轉換元件的周向行程隨著外界旋轉轉角與等強度懸臂梁自由端撓度增加，當外界旋轉轉角大于2π時，等強度懸臂梁自由端撓度增加恢復到初始狀態。

轉角旋轉轉換元件因被測量旋轉轉角引起的周向行程變化量L_θa與被測量旋轉轉角θ之間的對應關系表示為：

式中，r和R分別表示單圈螺旋形凹槽上下平面的半徑，H為單圈螺旋形凹槽的軸向高度。

旋轉軸實現轉角旋轉轉換元件因被測量旋轉轉角引起的周向行程變化量與等強度懸臂梁自由端的撓度變化之間轉換，即等強度懸臂梁自由端的撓度變化y表示為：

式中θ的取值范圍為2(N-1)π～2Nπ(N是正整數)，r和R分別表示單圈螺旋形凹槽上下平面的半徑，H為單圈螺旋形凹槽的軸向高度。

等強度懸臂梁自由端撓度的變化導致其上表面應變ε_u及下表面應變ε_l變化從而導致核心第一光纖光柵Δλ_B1及第二光纖光柵Δλ_B2中心波長發生變化，具體表示形式為：

式中，λ_Bi(i＝1,2),P_e分別表示第一光纖光柵及第二光纖光柵的初始中心波長與光纖的彈性系數；K_T代表光纖光柵溫度敏感系數；ΔT表示外界溫度的變化。

中心波長變化的差值Δλ_B與被測量轉角之間的對應關系為：

因此，通過對光纖光柵中心波長變化的分析反演以獲取被測量旋轉轉角的測量。

本發明的有益效果為：