一种光栅称重传感器制造技术

一种光栅称重传感器。本实用新型专利技术涉及衡器配置的传感器，特别是光电技术与称重衡器结合的光栅传感器。本传感器的关键结构是荷载托盘的支撑梁上开有二个相同形状平行的盲孔，孔的轴向与荷载垂直，孔的上、下端面都贴有光纤Ｂｒａｇｇ光栅，光纤Ｂｒａｇｇ光栅与信号处理装置光纤连接。本实用新型专利技术结构简单，具有耐恶劣环境、抗噪声电磁干扰、寿命长、测量结果重复性好等优点。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及衡器配置的传感器，特别是光电技术与称重衡器结合的光 栅传感器。
技术介绍
称重器具即衡器是确定物体的重量或者作为质量函数的其他参数的一种计 量仪表。为了把衡器引入生产工艺过程中去，对衡器提出了新的要求。而电子 技术及微电子技术的迅猛发展为满足这些要求提供了新的手段，电子技术不断 渗入衡器制造业，电子秤诞生了并取得了长足的发展。现有的电子式传感器通 常有压电式、电阻式、电容式称重传感器，是根据力-电转换原理，由非电量转 换为电量进行测量和传输的，有易受电磁干扰，寿命短等缺点，难以在有电磁 干扰和易燃、易爆环境中工作。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是提供一种基于双孔平行梁的光纤Bragg光栅称重传感器，其结构简单，具有耐恶劣环境、抗噪声电磁干扰、寿命 长、测量结果重复性好等优点。解决本技术的技术问题所采用的方案是支撑着荷载托盘的支撑梁 上开有二个相同形状平行的盲孔，孔的轴向与荷载垂直，孔的上、下端面 都贴有光纤Bragg光栅，光纤Bmgg光栅与信号处理装置光纤连接。二盲 孔在支撑梁上对称设置，孔之间带有通槽。本技术的有益效果是光纤Bmgg光栅(FBG)传感器采用光信号进行测量和传输，通过外界参量 对其Bragg波长调制来获取传感信息，波长编码是一种绝对测量方式，具有自校 正功能，并具有耐恶劣环境、抗噪声电磁干扰、寿命长、测量结果重复性好等优 点，可以实现现场的无电测量，从而实现现场的本安测量。同时，光纤Bmgg光 栅集传感与传输于一体，可复用多个传感器组成传感器网络的优点，在现场测量 中形成总线式测量。综上所述本称重传感器有下述优点1. 检测的实时性常用的光纤光栅解码仪可提供50 1000 Hz的检测频率， 可满足一般称重的实时监测要求。2. 远程传感网络插入损耗低和窄带的波长反射提供了远程传感的可能性， 并且有利于在光纤中的复用，可实现光纤网络中的星型、串联、并联和环型等连3.检测的可靠性光纤Bragg光栅的传感信号为光栅调制的Bmgg波长值， 该波长值可进行自标定和自校准。对光纤传感而言，波长编码具有抗干扰能力强 的特点①当忽略光纤中的非线性效应时，普通的传输光纤是不会影响传输波长 的频率特性；②从本质上排除了曾长期困扰其它光纤传感器的光强起伏干扰，比如光源强度的起伏，光纤微弯效应引起的随机起伏和耦合损耗等。4. 消除温度的影响环境温度的影响可以通过粘贴在双孔悬臂梁1#和2、3#和4#位置上的传感光栅的波长移位相减来消除。5. 测量量程可调根据4只光纤Bmgg光栅的Bmgg波长移位与荷载G的 关系式(6)，可通过选择双孔平行梁的特征指标长度/、高度/z、以及厚度6来 获得所需的测量量程。附图说明图1为本技术的结构示意图。图中各标号依次表示托盘l、盲孔2、光纤Bragg光栅3、支撑梁4、底座5。本技术的工作机理在图1中，偏离称台中心位置的载荷G对弹性元件的作用效果等于一个平移导作用于中心点的力GQ和因平移产生的力矩Mc=^G， ^^力G独立作用的叠加。其中Go的作用效果在上下梁包括弯矩、剪力和轴力，其中剪力与轴力相对很小，梁的应变主要于来自弯矩，上下梁弯矩分布上下梁相同，大小关于^轴对称，各贴光栅处弯矩为 Mc;产-M(jfM^-Mc^-Gl/2; Mj的作用效果为上下梁对称分布的弯矩，各贴光栅处弯矩为载荷在X轴方向上偏离距离X相关7l4l(X)=-7^3(X); M,2(X);M"X); J14的作用效果为使梁在垂直于x轴的方向扭转，在梁上光栅粘贴处不产生形变效果。本方案利用弹性元件自身结构特点对称重传感器进行了温度和偏载补偿，从而从4只FBG中心波长移位得出了与载荷的关系。本技术的主要性能双孔平行梁是一种典型的高精度小量程称重传感器 的弹性元件，图1为双孔平行梁中弹性元件的结构图(梁厚度为6，未在图中标示)；在1#~4#处粘贴光纤光栅传感器，粘贴位置为敏感区域，按材料力学分析，是应力曲线最密集的地方，也是产生最大形变量的区域。载荷对称台的作用力大小等于载荷自重G，下面我们分析如何选择光纤光栅 传感器的粘贴位置和如何从各光栅的Bragg中心波长变化中分离偏载和温度移 位的部分，得出G的大小。由理论力学平移定理，偏离称台中心位置(x，力的载 荷G对弹性元件的作用效果等于一个平移作用于中心点的力Go和因平移产生的力矩M^xG， Tl^^G独立作用的叠加。其中，Go的作用效果在上下梁包括弯矩、 剪力和轴力，其中剪力与轴力相对很小，梁的应变主要来自弯矩，由材料力学知识可知，弯矩M引起的形变为 少M<formula>formula see original document page 5</formula>(1)其中，y为考察点相对于中性面的高度，^为弹性元件材料的杨氏模量，&为考 察点所在截面的惯性矩。从式(1)中可以看出梁的应变大小和惯性矩/y有关， 梁臂越薄，梁的应变越大，所以圆弧区域是应力集中的区域。因此，光纤光栅传 感器应该粘贴在平行梁双孔内最薄的四处，设梁上最薄处(即光纤光栅传感器的 安装处)高度为/7。由于上下梁弯矩分布相同，大小水平对称分布，各贴光栅处弯矩为Mcl=MC3=-G//2， MC2=MC4=G//2; M,的作用效果弯矩为载荷在x轴方向 上偏离距离x的函数，上下梁对称分布Md0c)=-MA.30c);风2(X"-M"X);綺的 作用效果为使梁在垂直于x轴的方向扭转，光栅粘贴在梁厚度方向的中心平面上 时不会因T14产生形变。各光栅帖附处的弯矩为Go和Jl^的总和风-M ,+M"x) (,' = 1,2,3,4) (2)由于孔内各光栅粘贴的位置，有y,，产h/2， y3=y4=h/2， Iy=bh3/12，代入式(1)和(2)，可得各光栅粘贴处因载荷引起的形变量为-6(G〃2 + Mw(x))s，=M2￡ 6(-G〃2 + Mj2(x))_ 6(G〃2-Mri(x))6(-G〃2-M,2(x)) M2￡(3)光栅随双孔平行梁形变，载荷引起光栅形变量即为s，若考虑测量过程中温 度变化了 AT,则载荷和温度引入的Bragg波长入B的移位量A入为 ZUB =See + ^Ar (4)式中，&为应变灵敏度，5 为表观温度灵敏度。其中第二项中载荷引起形变量e与载荷放置位置x有关，第一项与环境温度有关。环境温度的影响可以通过将光栅1与2， 3与4的波长移位相减来消除|厶\2 =△々_zU2 _s2) (5)1A/^3,4 = A义3 _ A/l4 =(￡3 - ￡"4)再对A、，2和A^,4求差值，并代入表示各形变量s的式(3)，则可得到一个消除 载荷位置因素且同载荷重量G成线性关系的波长变化关系式A/l^A/^-ZU34=^^ (6) '' M五具体实施方式以不锈钢材料制成的双孔平行梁为实施例1. 双孔平行梁的尺寸信息如下2/=26mm， /z=14mm， 6=25 mm， d=5 mm， //=62 mm;2. 按附图1配置实验；3. 用添加己知的质量砝码来改变荷载量；4. 用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长。5.测量结果为Bragg波长的移位-荷载量为传感器的灵敏度为15.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光栅称重传感器，其特征是：支撑着荷载托盘的支撑梁上开有二个相同形状平行的盲孔，孔的轴向与荷载垂直，孔的上、下端面都贴有光纤Ｂｒａｇｇ光栅，光纤Ｂｒａｇｇ光栅与信号处理装置光纤连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李川，万舟，叶晓平，王昱，
申请(专利权)人：昆明理工大学，北京品傲光电科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：53[中国|云南]