實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形傳感器，包括：梭形結構外框、等強度懸臂梁、支撐柱、光纖光柵（FBG）和分離套管；梭形結構外框由兩個拱形結構組成，梭形尖端一側連接一設置有支撐柱的等強度懸臂梁；梭形兩個尖端和支撐柱頂端均設置有通孔，被測柔性繩索依次通過各通孔進行固定；等強度懸臂梁上下表面均軸向設置凹槽用于對稱粘貼FBG；柵區一部分與分離套管套接，套接部分為測溫單元，未套接部分為測載荷單元，FBG與分離套管套接后通過粘膠完全粘貼固定在等強度懸臂梁凹槽內，然后用環氧膠對兩者進行灌封涂覆。本發明解決了如何對柔性繩索載荷和溫度同時測量問題，小巧輕便，FBG得到有效保護，具有良好的靈敏度、可靠性及穩定性。
【專利說明】實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬于傳感器【技術領域】,尤其是涉及一種基于FBG (光纖光柵，Fiber BraggGrating)的實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器。
【背景技術】
[0002]現有技術中，工業使用的柔性繩索因具有柔軟易彎曲變形、繩直徑小、表面不平整、通常使用環境隱蔽等特點，致使繩中載荷測量困難。
[0003]目前，測量柔性繩索的載荷的方法通常是使用電磁式的張力測試儀，專利(專利號:CN2607564Y)的實用新型專利“一種鋼絲繩張力測量儀”以及專利(專利號:CN2648426Y)的實用新型專利“索拉力測量儀”，提供了相關的測量方法。但是這種方法難以實現實時跟蹤監測柔性繩索動態載荷變化，而且裝置尺寸較大，測量范圍小，靈敏度低，易受電磁信號干擾，長期穩定性差，壽命低，無法實現載荷和溫度同時測量，所以需要開發一種能夠克服上述缺點的實時監測柔性繩索載荷和溫度的光纖光柵傳感器。
[0004]FBG是在光纖中引入周期性的折射率調制而形成的光波導器件，通過檢測寫入光纖內部的光柵反射或透射布拉格波長光譜，實現被測結構的應力和溫度等參量的絕對測量。它具有靈敏度高，精度高，重量輕，體積小，耐腐蝕，成本低，光路可彎曲，不受電磁干擾，便于實現遠距離、長期監測等優點，而且多個光纖光柵可以采用一根光纜傳輸，便于組成傳感系統，可實現準分布式測量。因為其具有上述優于傳統光測、電測法的特點，自問世以來就得到了廣泛的應用。但是，由于裸光纖直徑很小，抗剪能力差，而且柔性繩索在受載拉伸過程中軸向應變復雜，難以通過直接粘貼裸光纖測量，因此將裸光纖封裝成為能夠實時監測柔性繩索載荷和溫度的傳感器具有重要意義。
[0005]綜上所述，如何研制一種傳感器能夠實現對柔性繩索載荷和溫度同時測量，便成為亟待解決的技術問題。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是提供一種實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器，以解決如何對柔性繩索載荷和溫度同時測量問題。
[0007]為解決上述技術問題，本發明提供一種實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器，其特征在于，包括:支撐單元、承載單元和傳感單元，其中，
[0008]所述支撐單元包括:兩個拱形結構組成的梭形結構外框；
[0009]所述承載單元包括:等強度懸臂梁和支撐柱；
[0010]所述傳感單元包括:光纖光柵和分離套管；
[0011]該傳感器梭形結構外框由兩個拱形對稱結構組成，所述梭形結構外框兩尖端較細，中間較粗，兩尖端的尺寸相比一端較窄一端較寬，梭形結構外框的尖端較寬一側連接一等強度懸臂梁；所述等強度懸臂梁遠離根部的位置突起為支撐柱，該支撐柱垂直于等強度懸臂梁平面且位于整體軸向的中心部位；所述支撐柱頂端設置有通孔，該梭形結構外框的兩個尖端對稱設置有通孔；等強度懸臂梁上下表面中心靠近根部均軸向設置有凹槽；其中，兩個所述凹槽內對稱粘貼有溫度和載荷同時測量的傳感單元；
[0012]所述光纖光柵采用單光柵分離粘貼技術粘貼固定在等強度懸臂梁凹槽內。
[0013]進一步地，其中，所述支撐柱分別距兩個所述通孔距離相等。
[0014]進一步地，其中，所述兩個拱形、等強度懸臂梁和支撐柱均為一整體結構切割而成。
[0015]進一步地，其中，所述等強度懸臂梁呈等腰梯形。
[0016]進一步地，其中，所述單光柵分離粘貼技術，進一步為:所述光纖光柵的柵區的一部分與內徑略大于所述光纖光柵直徑的分離套管套接，所述光纖光柵與分離套管套接部分為測溫單元，未套接部分為測載荷單元，所述光纖光柵和連同分離套管套接后通過粘膠完全粘貼固定在等強度懸臂梁凹槽內，然后通過環氧膠對光纖光柵和分離套管進行灌封涂覆。
[0017]進一步地，其中，所述分離套管是厚度小于100 μ m的薄膜套管，其材質采用PBT、PP、PC、PET 或 PVC。
[0018]進一步地，其中，所述傳感器的梭形的兩個尖端和支撐柱上的通孔的直徑均略大于所述所測柔性繩索直徑。
[0019]綜上所述，與現有技術相比，本發明所述的實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器，具有以下優點及突出性效果:
[0020]1、所述傳感器整體由兩個拱形對稱結構組成，呈梭形結構，拱形俯視圖為等腰梯形。梭形兩尖端較細，中間較粗，兩尖端的尺寸相比一端較窄一端較寬。梭形的尖端較寬一端側壁連接一等強度懸臂梁，等強度懸臂梁遠離根部的位置突起為支撐柱，支撐柱垂直于基底平面且位于整體軸向的中心部位，支撐柱頂端鉆孔，梭形兩尖端側壁對稱鉆孔。等強度懸臂梁上下表面中心靠近根部均軸向刻有凹槽。兩個拱形、等強度懸臂梁和支撐柱均為一體結構。
[0021]2、本發明由于基于光纖光柵，采用簡便的單光柵分離粘貼技術固定在等強度懸臂梁凹槽內，可實現柔性繩索載荷和溫度的同時測量。
[0022]3、本發明所述傳感器由于體積小，重量輕，結構簡單，裝卸方便，成本低廉，設計巧妙，造型美觀，對被測物影響小，封裝操作簡便易行，光纖光柵可以得到有效保護，測量時不會勾掛到工作環境中的其他繩索；靈敏度高，精度高，不受電磁干擾；可以對柔性繩索載荷和溫度進行同時、實時測量，具有很高的可靠性和穩定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0024]圖1為本發明實施例一所述的一種實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器的側視測量示意圖。
[0025]圖2為本發明實施例一所述的一種實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器的正面測量示意圖。
[0026]圖3為本發明實施例一所述的一種實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器的結構示意圖。
[0027]圖4為本發明實施例一所述的一種實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器的俯視示意圖。
[0028]圖5為本發明實施例一所述的一種實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器的等強度懸臂梁的俯視圖。
[0029]圖6為本發明實施例一所述的一種實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器的光纖光柵與分離套管套接方式示意圖。
[0030]圖7為本發明實施例二所述的一種實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器中支撐柱示意圖。
[0031]圖8為本發明實施例二所述的一種實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器中柔性繩索裝卡方式示意圖。
[0032]圖9為本發明實施例二所述的一種實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器中另一種支撐柱的正視示意圖。
【具體實施方式】
[0033]以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明，但不作為對本發明的限定。
[0034]如圖1和2所示，為本發明實施例一所述的一種實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器，包括:支撐單元、承載單元和傳感單元，其中，
[0035]所述支撐單元包括:兩個拱形結構la、Ib ；
[0036]所述承載單元包括:等強度懸臂梁4和支撐柱5 ；
[0037]所述傳感單元包括:光纖光柵6和分離套管9 ；
[0038]該傳感器整體呈梭形結構，由兩個拱形la、lb對稱結構組成，梭形兩尖端較細，中間較粗，兩尖端的尺寸相比一端較窄一端較寬，所述梭形的尖端較寬一側連接一等強度懸臂梁4 ;所述等強度懸臂梁4遠離根部的位置突起為支撐柱5，該支撐柱5垂直于等強度梁平面且位于整體軸向的中心部位；所述支撐柱頂端設置有通孔3，該梭形的兩個尖端對稱設置有通孔2a、2b ;等強度的所述懸臂梁上下表面中心靠近根部均軸向設置有凹槽8a、8b ；其中，兩個所述凹槽8a、8b內對稱粘貼有光纖光柵6 (如圖3、4和5所示)；
[0039]所述光纖光柵的柵區的一部分與內徑略大于所述光纖光柵直徑的分離套管9套接，所述光纖光柵與分離套管套接部分IOa為測溫單元，未套接部分IOb為測載荷單元，所述光纖光柵和連同分離套管套接后通過粘膠(502膠)和完全粘貼固定在等強度懸臂梁凹槽內，然后通過環氧膠對光纖光柵和分離套管進行灌封涂覆。
[0040]根據上述實施例一所述的傳感器，其中，所述支撐柱5分別距兩個所述通孔2a、2b
距離相等。
[0041]此外，所述的兩個拱形la、lb、等強度懸臂梁4和支撐柱5由一整體型材切割而成；
[0042]等強度的所述懸臂梁4為等腰三角形簡化的結構，呈等腰梯形；
[0043]所述光纖光柵6，采用簡便的單光柵分離粘貼技術將光纖光纖光柵6粘貼固定在所述的等強度懸臂梁4上下表面之上，實現柔性繩索載荷、溫度同時測量；；
[0044]其中，如圖6所不,所述光纖光柵6的柵區的一部分與內徑略大于光柵直徑的分離套管9套接，該分離套管9是厚度小于100 μ m的薄膜套管，然后整個所述光纖光柵6的柵區連同所述分離套管9粘貼固定在等強度懸臂梁6中部凹槽內。所述光纖光柵與分離套管套接部分IOa為測溫單元,未套接部分IOb為測載荷單元。
[0045]其中，如圖3所示，所述傳感器的梭形的兩個尖端和支撐柱5上的通孔2a、2b、3的直徑均略大于所測柔性繩索直徑；而且均加工有倒角并有一定光滑度要求，所述梭形的尖端一側的通孔到支撐柱5距離與該通孔到支撐柱5上通孔距離之比為1.08:1?2:1。
[0046]這里以上述實施例一所述的傳感器為基礎，具體詳細說明傳感器的結構，該傳感器整體的長為44_、寬27.6_、厚5mm,由兩個對稱的拱形結構la、lb、等強度懸臂梁4、支撐柱5以及上下表面的光纖光柵6組成。
[0047]結合圖1至6所示，這里詳細說明下，所述傳感器的制作及封裝方法如下:
[0048]首先，兩個拱形la、lb、等強度懸臂梁4和支撐柱5均為一體結構，通過板材或塊材切割加工以而成，一體成型，工藝流程短，堅固耐用，無裝配應力，整體零部件少，整潔美觀。使用彈性合金材料，或其他滿足強度、剛度和適用溫度要求的高分子、陶瓷等材料制造。
[0049]其次，所述梭形的尖端較寬一側伸出(切割出)一等強度懸臂梁4，該等強度懸臂梁遠離根部的位置突起為支撐柱5，支撐柱5位于基底軸向的中心部位，支撐柱與等強度懸臂梁之間呈曲線無縫連接。等強度懸臂梁根部也進行倒角處理，使連接平滑，等強度懸臂梁根部寬度小于所連接的側壁寬度，減小應力集中現象，提供足夠承載能力。支撐柱頂端距等強度懸臂梁上表面5.5mm處鉆有通孔3，所述梭形的兩個尖端對稱鉆有通孔2a、2b。
[0050]第三，通孔2a、2b、3均用于柔性繩索的固定和施力，通孔直徑均略大于所測柔性繩索直徑。而且均加工有倒角并有一定光滑度要求，防止測量時對柔性繩索造成傷害。
[0051]第四，傳感器的等強度懸臂梁4為等腰梯形結構(兩腰延長線相交組成等腰三角形)，la、Ib均為拱形結構，能兼承重結構和圍護結構的雙重作用，不但能夠節省材料，減小自重，外形美觀，低損耐用，而且使整體結構在使用過程中不會勾掛到工作環境中的其他柔性繩索。
[0052]第五，所述等強度懸臂梁4根部連接在梭形結構尖端較寬的一側側壁上，此側壁也可以通過其他方式加固，目的是梁彎曲時提供足夠承載能力。所述等強度懸臂梁4上下表面中心均軸向刻有槽8a、8b，用于對稱固定光纖光柵6，并且起到保護光纖光柵的作用(如圖5所示)。傳感器的懸臂梁4使各個截面的彎曲應力相同，可以避免粘貼固定傳感光纖光柵時對具體位置的苛刻要求，減少傳感光纖光柵啁啾的可能性，降低封裝難度。同時節省材料，最大限度的提高材料的利用率，提高結構的承載力，使結構更加安全，節省空間，降低自重，提高結構的使用性。
[0053]第六，上、下表面光纖光柵6米用簡便的單光柵分離粘貼技術,上下兩個光纖光柵6均能實現載荷溫度雙參數傳感測量。光纖光柵與一分離套管9套接，連接方式(如圖6所示)。分離套管9為PBT、PP、PC、PET、PVC或其他滿足所需條件的材料制成，分離套管較柔軟，厚度小于100 μ m,內徑略大于光柵柵區直徑,可以嵌入凹槽8a、8b中。該分離套管通過光纖無FC接頭的一端穿入。等強度懸臂梁4中部凹槽8a、8b使用銼刀、紗布等進行打磨，除去銹斑、氧化皮、污垢并滿足平整度要求，用浸有丙酮的藥棉清洗凹槽，清除油垢灰塵，保持清潔干凈。在凹槽內涂覆一層少量502，涂抹均勻并形成薄膠層，然后將光纖光柵的柵區的一部分與分離套管9套接，整體光柵柵區施加預應力，光柵柵區連同分離套管粘貼在凹槽內，待502膠固化后，使用KD504環氧膠對整個光柵柵區連同分離套管進行灌封涂覆，直至環氧膠完全固化。則等強度懸臂梁受力時，套上分離套管9的柵區部分IOa為測溫單元，在分離套管內處于自由狀態，不受等強度懸臂梁應變影響；無分離套管部分IOb為測載荷單元，固定在等強度懸臂梁表面受到拉伸或壓縮。則整個光纖光柵具有兩個反射峰，實現載荷和溫度的同時測量。環氧膠調和配比時，注意調和均勻并消除氣泡。環氧膠涂覆不但可以進一步固定粘貼光纖光柵，而且起到保護光柵的作用，防止其受力斷裂。本發明的等強度懸臂梁4上、下表面粘貼固定的光纖光柵為摻鍺光纖光柵,兩者串接后由同一個輸出端輸出。
[0054]根據上述實施例和附圖的描述，本發明工作原理如下:
[0055]將柔性繩索8依次通過傳感器的通孔2a、2b和4。則等強度懸臂梁受力時，與分離套管11套接的柵區部分12a在分離套管內不受等強度懸臂梁應變影響，只反映環境的溫度變化，無分離套管部分12b固定在等強度懸臂梁表面受到拉伸或壓縮，則整個光纖光柵7具有兩個反射峰，分別是溫度響應的反射峰X1和應變和溫度耦合響應的反射峰λ2。溫度變化引起的第一個溫度響應反射峰波長漂移為Λ X1，由公式
[0056]
【權利要求】
1.一種實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形的傳感器，其特征在于，包括:支撐單元、承載單元和傳感單元，其中， 所述支撐單元包括:兩個拱形結構組成的梭形結構外框； 所述承載單元包括:等強度懸臂梁和支撐柱； 所述傳感單元包括:光纖光柵和分離套管； 該傳感器梭形結構外框由兩個拱形對稱結構組成，所述梭形結構外框兩尖端較細，中間較粗，兩尖端的尺寸相比一端較窄一端較寬，梭形結構外框的尖端較寬一側連接一等強度懸臂梁；所述等強度懸臂梁遠離根部的位置突起為支撐柱，該支撐柱垂直于等強度懸臂梁平面且位于整體軸向的中心部位；所述支撐柱頂端設置有通孔，該梭形結構外框的兩個尖端對稱設置有通孔；等強度懸臂梁上下表面中心靠近根部均軸向設置有凹槽；其中，兩個所述凹槽內對稱粘貼有溫度和載荷同時測量的傳感單元； 所述光纖光柵采用單光柵分離粘貼技術粘貼固定在等強度懸臂梁凹槽內。
2.如權利要求1所述的實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形傳感器，其特征在于，所述支撐柱分別距兩個所述通孔距離相等。
3.如權利要求1所述的實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形傳感器，其特征在于，所述兩個拱形、等強度懸臂梁和支撐柱均為一整體結構切割而成。
4.如權利要求3所述的實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形傳感器，其特征在于，所述等強度懸臂梁呈等腰梯形。
5.如權利要求1所述的實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形傳感器，其特征在于，所述單光柵分離粘貼技術，進一步為:所述光纖光柵的柵區的一部分與內徑略大于所述光纖光柵直徑的分離套管套接，所述光纖光柵與分離套管套接部分為測溫單元，未套接部分為測載荷單元，所述光纖光柵和連同分離套管套接后通過粘膠完全粘貼固定在等強度懸臂梁凹槽內，然后通過環氧膠對光纖光柵和分離套管進行灌封涂覆。
6.如權利要求1所述的實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形傳感器，其特征在于，所述分離套管是厚度小于100 μ m的薄膜套管，其材質采用PBT、PP、PC、PET或PVC。
7.如權利要求1所述的實時監測柔性繩索載荷和溫度的梭形傳感器，其特征在于，所述傳感器的梭形的兩個尖端和支撐柱上的通孔的直徑均略大于所述所測柔性繩索直徑。
【文檔編號】G01K11/32GK103528733SQ201310516280
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月28日 優先權日:2013年10月28日
【發明者】劉戰偉, 楊洋, 田強, 趙爾強 申請人:北京理工大學