基于椭圆微位移放大机构的光纤光栅位移传感器制造技术

本实用新型专利技术基于椭圆微位移放大机构的光纤光栅位移传感器涉及一种传感器，具体涉及利用椭圆微位移放大机构的位移传感器，目的是为了克服原有位移监测光纤光栅位移传感器灵敏度低的问题，包括椭圆微位移放大机构、保护壳、光纤光栅、弹性机构和传动杆，椭圆微位移放大机构弧形边和直边之间通过椭圆弹性铰链连接；椭圆微位移放大机构一侧的直边与保护壳一侧的内壁固定、另一侧的直边与弹性机构的一端固定，弹性机构的另一端与传动杆的一端固定、传动杆的另一端位于保护壳的外侧；光纤光栅竖直穿过椭圆微位移放大机构的上方和下方的弧形边并固定。本实用新型专利技术所设计间接的将光纤光栅的应变量放大了两倍。

【技术实现步骤摘要】
基于椭圆微位移放大机构的光纤光栅位移传感器
本技术涉及一种传感器，具体涉及利用椭圆微位移放大机构的位移传感器。
技术介绍
位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器、超声波式位移传感器和霍尔式位移传感器等.通常的位移测量有机械式测量、电磁测量及激光测量等方法.机械式测量的精确度低、速度慢，不便于在线测量；电磁式测量易受电磁干扰；光学测量中激光测量的精确度高，但该方法受到光的直线传播条件的约束，因此不适合于工程现场应用。位移监测光纤光栅位移传感器有以下几种：弹簧式光纤光栅位移传感器、差动式光纤光栅位移传感器，这些位移传感器的位移和力学转换单元多采用悬臂梁结构，灵敏度较低。武汉理工大学光纤传感与信息处理实验室所研究的高灵敏度光纤光栅压力传感器是基于正弦机构力放大原理设计而成正弦力放大机构有将被测量放大的作用，但由于正弦力放大机构的天然结构限制，导致其只能对水声、振动、气压等超低量程的物理量进行测量(一般在小尺度的微米量级)，局限了它的位移测量应用。
技术实现思路
本技术的目的是为了克服原有位移监测光纤光栅位移传感器灵敏度低的问题，提供了一种基于椭圆微位移放大机构的光纤光栅位移传感器。本技术的基于椭圆微位移放大机构的光纤光栅位移传感器，包括椭圆微位移放大机构、保护壳、光纤光栅、弹性机构和传动杆；椭圆微位移放大机构包括弧形边和直边，弧形边上下中心对称设置、直边左右中心对称设置，且弧形边和直边之间通过椭圆弹性铰链连接；椭圆微位移放大机构、弹性机构和传动杆均设于保护壳内部，且椭圆微位移放大机构一侧的直边与保护壳一侧的内壁固定、另一侧的直边与弹性机构的一端固定，弹性机构的另一端与传动杆的一端固定、传动杆的另一端位于保护壳的外侧；光纤光栅竖直穿过椭圆微位移放大机构的上方和下方的弧形边并固定，且该光纤光栅的栅区设于椭圆微位移放大机构中心位置。本技术的有益效果是：1)所设计的椭圆微位移放大机构可以将水平方向上的位移量在竖直方向上放大两倍，这样相当于间接的将光纤光栅的应变量放大了两倍，提高了灵敏度；2)对光纤光栅进行压缩改变其应变量，不用担心光栅的损坏问题；3)测量量程可以从微米到厘米量级，所以在放大被测量方面，椭圆微位移放大机构的应用范围更加广泛。附图说明图1为本技术的基于椭圆微位移放大机构的光纤光栅位移传感器的结构示意图；图2为本技术的基于椭圆微位移放大机构的光纤光栅位移传感器的椭圆微位移放大机构的放大原理图。具体实施方式具体实施方式一本技术的基于椭圆微位移放大机构的光纤光栅位移传感器，如图1所示，包括椭圆微位移放大机构1、保护壳2、光纤光栅3、弹性机构4和传动杆5；椭圆微位移放大机构1包括弧形边和直边，弧形边中心上下对称设置、直边左右中心对称设置，且弧形边和直边之间通过椭圆弹性铰链9连接。如图2所示，椭圆微位移放大机构1的截面呈中心对称，整个椭圆微位移放大机构1是基于三角形放大原理设计而成，椭圆微位移放大机构1的放大倍数A只与角α有关，且椭圆微位移放大机构1可以将水平方向的位移在竖直方向上放大A倍，椭圆微位移放大机构1无疑大大增加了传感器的灵敏度。椭圆弹性铰链9为一种柔性铰链，柔性铰链是近年来发展起来的一种新型机械传动和支撑结构，利用其结构中薄弱部分的弹性变形可以实现类似普通铰链的运动传递，具有无摩擦、无间隙、运动灵敏度高的特点，其常作为位移放大器。本技术中的椭圆微位移放大机构1是利用三角放大原理实现运动放大，当给定输入后，利用对称式的柔性铰链功能方向的变形产生与输入方向垂直的运动。如图2所示，为虚线为放大后的椭圆微位移放大机构1，由于椭圆微位移放大机构1的特性，放大过程中弦长l(杠杆长度)保持不变，没有形变时，弦与水平线的夹角为α，当椭圆微位移放大机构1水平方向形成一个Δx的位移，在垂直方向形成一个Δy位移，而角α也有一个微小的改变量，设为θ，则放大倍数由于改变量很小，因此可以根据等阶无穷小原理sinθ～θ，1-cosθ～θ2/2，上述公式最终可得A≈1/tanα。由此可知，基于三角放大原理的椭圆微位移放大机构1放大倍数只与角α有关。椭圆微位移放大机构1、弹性机构4和传动杆5均设于保护壳2内部，且椭圆微位移放大机构1一侧的直边与保护壳2一侧的内壁固定、另一侧的直边与弹性机构4的一端固定，弹性机构4的另一端与传动杆5的一端固定、传动杆5的另一端穿过保护壳2的另一侧的侧壁。弹性机构4应当与椭圆微位移放大机构1的横向的中线位于一条直线上。固定的方式可以采用螺丝固定或焊接、胶粘等方式固定，如图1所示，为采用螺丝固定，采用固定螺丝6将椭圆微位移放大机构1的一侧与保护壳2固定，椭圆微位移放大机构1的另一侧固定有连接螺丝7，在连接螺丝7的另一端开设有贯穿孔与弹性机构4相连，弹性机构4的另一端与传动杆5相连。在保护壳2靠近传动杆5的一侧设有限位螺丝8，用以对传动杆5进行限位。光纤光栅3竖直穿过椭圆微位移放大机构1的上方和下方的弧形边并固定，且该光纤光栅3的栅区设于椭圆微位移放大机构1中心位置。该光纤光栅3与解调装置连接，用于解调光纤光栅3的波长。光纤光栅3可以采用已经经过温度补偿的光纤光栅，使得测量结果更为准确，在安装时，可以采用U型夹与金属块等装置将椭圆微位移放大机构1悬空固定，并在椭圆微位移放大机构1上方和下方的弧形边的中部均开设有细孔，然后让光纤光栅1从上下两个细孔穿过，且使光纤光栅1的栅区居中位于椭圆微位移放大机构1的中心位置。再使用紫外固化光学胶(或其他类型的胶水)点涂在上方弧形边的细孔处，弧形边的上下两面都要涂，涂的时候要让胶水尽量多的流入细孔内，然后放置24小时。24小时后，胶水已经完全固化，接着在光纤光栅1的下尾纤处悬挂一块重物做预应力，然后再涂下方的小孔，涂好后还要放置24小时，以待胶水完全固化。最终令光纤光栅1绷紧设于椭圆微位移放大机构1的中心位置。如图2所示，当传动杆5通过弹性机构4给椭圆微位移放大机构1一个向右的拉力时，椭圆微位移放大机构1的上下两端会同时向中间挤压，这样光纤光栅3就会产生应变。对于解调光纤光栅3的波长改变量，这种技术已经比较成熟。因此将光纤光栅3连接有解调装置，通过解调技术可以读出光纤光栅3的波长改变量，从而能够得到位移与波长改变量的关系。具体实施方式二本具体实施方式二与具体实施方式一的区别在于，椭圆微位移放大机构1的长度(两个直边间的距离)为60mm、中间最大宽度(两个弧形边之间的最大距离)为30mm、两个直边的长度均为19.8mm。如上设计尺寸，能够得到tanα＝1/2，因此放大量A≈2，即椭圆微位移放大机构1的可以将水平方向的位移在竖直方向上放大两倍，椭圆微位移放大机构1的无疑大大增加了传感器的灵敏度。但是，上述参数仅仅是为了举例，可以根据实际需要和不同材料来选择制造尺寸，而采用椭圆微位移放大机构用于光纤光栅位移传感器的弹性体，均在本专利保护范围之内。具体实施方式三本具体实施方式三与具体实施方式二的区别在于，椭圆微位移放大机构1为65锰钢材质的位移放大机构，65锰钢的弹性模量为E＝1.96×105MPa，满足椭圆微位移放大机构1的弹性需求。可以根据实际需求，采用其他具有弹性的材料，如铝、铜的合金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于椭圆微位移放大机构的光纤光栅位移传感器，其特征在于，包括椭圆微位移放大机构(1)、保护壳(2)、光纤光栅(3)、弹性机构(4)和传动杆(5)；椭圆微位移放大机构(1)包括弧形边和直边，弧形边上下中心对称设置、直边左右中心对称设置，且弧形边和直边之间通过椭圆弹性铰链(9)连接；椭圆微位移放大机构(1)、弹性机构(4)和传动杆(5)均设于保护壳(2)内部，且椭圆微位移放大机构(1)一侧的直边与保护壳(2)一侧的内壁固定、另一侧的直边与弹性机构(4)的一端固定，弹性机构(4)的另一端与传动杆(5)的一端固定、传动杆(5)的另一端位于保护壳(2)外侧；光纤光栅(3)竖直穿过椭圆微位移放大机构(1)的上方和下方的弧形边并固定，且该光纤光栅(3)的栅区设于椭圆微位移放大机构(1)中心位置。

【技术特征摘要】
1.基于椭圆微位移放大机构的光纤光栅位移传感器，其特征在于，包括椭圆微位移放大机构(1)、保护壳(2)、光纤光栅(3)、弹性机构(4)和传动杆(5)；椭圆微位移放大机构(1)包括弧形边和直边，弧形边上下中心对称设置、直边左右中心对称设置，且弧形边和直边之间通过椭圆弹性铰链(9)连接；椭圆微位移放大机构(1)、弹性机构(4)和传动杆(5)均设于保护壳(2)内部，且椭圆微位移放大机构(1)一侧的直边与保护壳(2)一侧的内壁固定、另一侧的直边与弹性机构(4)的一端固定，弹性机构(4)的另一端与传动杆(5)的一端固定、传动杆(5)的另一端位于保护壳(2)外侧；光纤光栅(3)竖直穿过椭圆微位移放大机构(1)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周泊宁，姜旭，王朝钲，王明扬，吕国辉，张兰竹，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：新型
国别省市：黑龙江,23