一种温度自补偿的光纤光栅杆力传感器及测量方法技术

本发明专利技术涉及一种温度自补偿的光纤光栅杆力传感器及测量方法，第一光纤光栅应变传感器(4)粘贴在第一悬臂梁(8)的中轴线上，第二光纤光栅应变传感器(5)粘贴在第二悬臂梁(9)的中轴线上，第三光纤光栅应变传感器(6)粘贴在第三悬臂梁(10)的中轴线上，第四光纤光栅应变传感器(7)粘贴在第四悬臂梁(11)的中轴线上，四支光纤光栅应变传感器在各悬臂梁上的相对位置完全一致，并串行连接。上底板(2)的第一固定块(16)与第一悬臂梁(8)连接，第二固定块(17)与第二悬臂梁(9)连接。本发明专利技术具有灵敏度高、动态响应快、电绝缘性好、尺寸小、重量轻、抗电磁干扰等优点，适用于狭小空间，本身可实现温度的自动补偿。

A temperature self compensated fiber Bragg grating rod force sensor and its measurement method

The invention relates to a self temperature compensation of fiber grating force sensor and measuring method, the first fiber grating strain sensor (4) is pasted on the first cantilever beam (8) of the central axis, second fiber grating strain sensor (5) is pasted on the cantilever beam (9) of the second axis line, third fiber grating strain sensor (6) third pasted on the cantilever beam (10) of the central axis, fourth fiber grating strain sensor (7) is pasted on the cantilever beam (11) of the fourth axis, four fiber grating strain sensor exactly the same relative position in each beam, and a serial connection. The first fixed block (16) of the upper floor (2) is connected with the first cantilever beam (8), and the second fixed block (17) is connected with the second cantilever beam (9). The invention has the advantages of high sensitivity, fast dynamic response, good electrical insulation, small size, light weight, and electromagnetic interference resistance, etc., and is suitable for small space, and can achieve automatic temperature compensation.

【技术实现步骤摘要】
一种温度自补偿的光纤光栅杆力传感器及测量方法
本专利技术属于光学传感器技术，具体涉及一种温度自补偿的光纤光栅杆力传感器及测量方法，能够消除温度对杆力测量的影响，并显著提高测量灵敏度。
技术介绍
光纤布拉格光栅传感技术是光纤传感领域里一个最活跃、最重要的分支，因其具有灵敏度高、电绝缘性好、尺寸小、重量轻、抗电磁干扰、抗腐蚀、易与波分复用和时分复用系统相结合建立分布式测量系统等独特优点，而被广泛地应用于各种物理量和化学量的测量。机电系统和液压系统在航空上能够久用不衰是由于其具有许多独特的优点。但是，它们也存在一些固有的缺陷，最主要的是不能防御雷电、电磁干扰和电磁冲击等。随着现代飞机性能不断提高、飞机的大型化和采用余度技术及电子设备日趋复杂化，必然导致电缆用量增加、线路布局复杂，增加了各线路间的干扰、地环流的相互影响等，使系统不能正常工作。目前的防护措施是采用电磁屏蔽套，然而不可能完全防御电磁干扰，却导致飞机重量的增加。未来飞机希望用复合材料代替铝合金，特别是飞机铝合金蒙皮的替代很大程度上减弱甚至消除了电磁屏蔽作用。另外，飞机外部的核爆炸产生的电磁辐射以及机载的大功率激光、定向能武器等装备，从低频到高频在电、磁领域产生相当高强度的电磁干扰，对电传操纵系统危害极大。光传操纵系统相对于传统的电传操控系统有显著的优点，如可有效地防御雷电、电磁干扰和电磁冲击，对核爆引起的电磁脉冲不敏感，不存在金属导线固有的地回流。同时具有体积小、重量轻、传输容量大等优点，从而能够大大改善飞机的操纵品质，提高飞控系统的可靠性和生存能力。光传杆力传感器为光传操控系统重要的组成部分，与传统的基于电阻应变片的杆力传感器相比，其在测量精度、动态响应、全温度范围内的输出稳定性和可靠性等方面具有明显的优势。在应用光纤光栅进行传感的领域，温度和应变能够直接导致光纤光栅的中心波长发生变化，即光纤光栅对温度和应变交叉敏感。传感时，温度对结果影响明显，限制了光纤光栅传感器的应用，因此需要进行温度补偿。本专利技术的目的是：本专利技术提出了一种温度自补偿的光纤光栅杆力传感器及测量方法，结构和制作工艺简单，能够在进行杆力测量的同时消除温度的影响。本专利技术的技术方案为：一种温度自补偿的光纤光栅杆力传感器，悬臂梁体1、上底板2、杆3依次连接组成杆力传感器；所述悬臂梁体1的上部由第一悬臂梁8，第二悬臂梁9、第三悬臂梁10、第四悬臂梁11呈90°间隔拼接组成，并位于支撑柱21的上端；光纤固定平台14与支撑柱21中部连接，四个装配操作孔13位于光纤固定平台14上依次呈90°间隔排布；悬臂梁体1的下部为安装底座15，位于支撑柱21下端；下走线孔12位于支撑柱21的中轴线上并贯穿悬臂梁体1。所述传感器的上底板2的四个底边的中心处设有第一固定块16、第二固定块17、第三固定块18、第四固定块19，上走线孔20位于上底板2的中轴线上并贯穿上底板2。所述传感器，第一光纤光栅应变传感器4粘贴在第一悬臂梁8的中轴线上，第二光纤光栅应变传感器5粘贴在第二悬臂梁9的中轴线上，第三光纤光栅应变传感器6粘贴在第三悬臂梁10的中轴线上，第四光纤光栅应变传感器7粘贴在第四悬臂梁11的中轴线上，四支光纤光栅应变传感器在各悬臂梁上的相对位置完全一致，并串行连接；上底板2的第一固定块16与第一悬臂梁8连接，第二固定块17与第二悬臂梁9连接，第三固定块18与第三悬臂梁10连接，第四固定块19与第四悬臂梁11连接；上底板2与杆3连接。所述的第一光纤光栅应变传感器4、第二光纤光栅应变传感器5、第三光纤光栅应变传感器6、第四光纤光栅应变传感器7为相同材料，具有相同的结构，且中心波长依次增大，间隔在4nm以上。所述传感器的杆3可替换为具体使用的杆结构，如飞机驾驶杆。使用所述的传感器测量杆力步骤如下：步骤1：将宽带光源发出的光入射到第一光纤光栅应变传感器4的自由一端；步骤2：在恒定的温度环境中，将欲测量的力施加在与杆3上，施力的方向为与XY平面平行的任意方向；步骤3；测量第一光纤光栅应变传感器4的中心波长漂移量Δλ1，第二光纤光栅应变传感器5的中心波长漂移量Δλ2，第三光纤光栅应变传感器6的中心波长漂移量Δλ3，第四光纤光栅应变传感器7的中心波长漂移量Δλ4。步骤4：将第一光纤光栅应变传感器4与第三光纤光栅应变传感器(6)的中心波长漂移量做差，得到两光纤光栅应变传感器中心波长漂移量差值ΔλA＝Δλ4-Δλ2；将第二光纤光栅应变传感器5与第四光纤光栅应变传感器7的中心波长漂移量做差，得到两光纤光栅应变传感器中心波长漂移量差值ΔλB＝Δλ3-Δλ1。步骤5：根据ΔλA和ΔλB与力F的关系，有FA＝KA|ΔλA|/2,FB＝KB|ΔλB|/2,其中，FA为X轴方向力，FB为Y轴方向力。KA、KB为定值，可由标定试验进行标定。步骤6：当ΔλA＞0，杆力F＝(FA2+FB2)1/2，方向与X轴正方向夹角为θ＝arctan(ΔλB/ΔλA)；当ΔλA＜0，杆力F＝(FA2+FB2)1/2，方向与X轴正方向夹角为θ＝180°+arctan(ΔλB/ΔλA)；当ΔλA＝0，ΔλB＞0，杆力F＝|FB|，方向为Y轴正方向；当ΔλA＝0，ΔλB＜0，杆力F＝|FB|，方向为Y轴负方向；当ΔλA＝0，ΔλB＝0，杆力F＝0。本专利技术的优点是：本专利技术结构和制作工艺简单，具有灵敏度高、电绝缘性好、尺寸小、抗电磁干扰的优点。与传统基于电阻应变片的杆力测量传感器相比，在测量精度、动态响应、全温度范围内的输出稳定性和可靠性等方面具有明显的优势。可以在不增加温度补偿结构的情况下消除温度对杆力测量的影响，同时增加了杆力测量的灵敏度。附图说明图1为温度自补偿的光纤光栅杆力传感器的整体结构示意图；图2为温度自补偿的光纤光栅杆力传感器的悬臂梁体示意图；图3为温度自补偿的光纤光栅杆力传感器的上底板示意图；其中悬臂梁体1、上底板2、杆3、第一光纤光栅应变传感器4、第二光纤光栅应变传感器5、第三光纤光栅应变传感器6、第四光纤光栅应变传感器7、第一悬臂梁8、第二悬臂梁9、第三悬臂梁10、第四悬臂梁11、下走线孔12、装配操作孔13、光纤固定平台14、安装底座15、第一固定块16、第二固定块17、第三固定块18、第四固定块19、上走线孔20、支撑柱(21)；具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术作进一步说明。结合图1，悬臂梁体(1)、上底板(2)、杆(3)依次连接组成杆力传感器；结合图2，传感器的悬臂梁体(1)的上部由第一悬臂梁(8)，第二悬臂梁(9)、第三悬臂梁(10)、第四悬臂梁(11)呈90°间隔拼接组成，并位于支撑柱(21)的上端；光纤固定平台(14)与支撑柱(21)中部连接，四个装配操作孔(13)位于光纤固定平台(14)上依次呈90°间隔排布；悬臂梁体(1)的下部为安装底座(15)，位于支撑柱(21)下端；下走线孔(12)位于支撑柱(21)的中轴线上并贯穿悬臂梁体(1)。结合图3，传感器的上底板(2)的四个底边的中心处设有第一固定块(16)、第二固定块(17)、第三固定块(18)、第四固定块(19)，上走线孔(20)位于上底板(2)的中轴线上并贯穿上底板(2)。结合图1，上底板(2)的第一固定块(16)与第一悬臂梁(8)连接，第二固定块(17)与第二悬本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种温度自补偿的光纤光栅杆力传感器，其特征在于：悬臂梁体(1)、上底板(2)、杆(3)依次连接组成杆力传感器；所述悬臂梁体(1)的上部由第一悬臂梁(8)，第二悬臂梁(9)、第三悬臂梁(10)、第四悬臂梁(11)呈90°间隔拼接组成，并位于支撑柱(21)的上端；光纤固定平台(14)与支撑柱(21)中部连接，四个装配操作孔(13)位于光纤固定平台(14)上依次呈90°间隔排布；悬臂梁体(1)的下部为安装底座(15)，位于支撑柱(21)下端；下走线孔(12)位于支撑柱(21)的中轴线上并贯穿悬臂梁体(1)。

【技术特征摘要】
1.一种温度自补偿的光纤光栅杆力传感器，其特征在于：悬臂梁体(1)、上底板(2)、杆(3)依次连接组成杆力传感器；所述悬臂梁体(1)的上部由第一悬臂梁(8)，第二悬臂梁(9)、第三悬臂梁(10)、第四悬臂梁(11)呈90°间隔拼接组成，并位于支撑柱(21)的上端；光纤固定平台(14)与支撑柱(21)中部连接，四个装配操作孔(13)位于光纤固定平台(14)上依次呈90°间隔排布；悬臂梁体(1)的下部为安装底座(15)，位于支撑柱(21)下端；下走线孔(12)位于支撑柱(21)的中轴线上并贯穿悬臂梁体(1)。2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：上底板(2)的四个底边的中心处设有第一固定块(16)、第二固定块(17)、第三固定块(18)、第四固定块(19)，上走线孔(20)位于上底板(2)的中轴线上并贯穿上底板(2)。3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：第一光纤光栅应变传感器(4)粘贴在第一悬臂梁(8)的中轴线上，第二光纤光栅应变传感器(5)粘贴在第二悬臂梁(9)的中轴线上，第三光纤光栅应变传感器(6)粘贴在第三悬臂梁(10)的中轴线上，第四光纤光栅应变传感器(7)粘贴在第四悬臂梁(11)的中轴线上，四支光纤光栅应变传感器在各悬臂梁上的相对位置完全一致，并串行连接；上底板(2)的第一固定块(16)与第一悬臂梁(8)连接，第二固定块(17)与第二悬臂梁(9)连接，第三固定块(18)与第三悬臂梁(10)连接，第四固定块(19)与第四悬臂梁(11)连接；上底板(2)与杆(3)连接。4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的第一光纤光栅应变传感器(4)、第二光纤光栅应变传感器(5)、第三光纤光栅应变传感器(6)、第四光纤光栅应变传感器(7)为相同材料，具有相...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨楠，郑普超，包艳，张兵，张超，尚洁，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61