专利名称：扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器的制造，特别是一种扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置。利用光纤光栅进行扭转传感的测量装置，能够利用单个光纤光栅进行扭转(扭角、扭矩或扭应力)和温度的高精度同时感测。
本发明包括光纤光栅、光纤、扭梁、固定端、光纤耦合器(或光环行器)、匹配液、光源、光纤光栅解调器、O/E电路，测量电路、数据处理器、显示器等；单个光纤光栅沿与扭梁轴向呈角度θ(0°＜θ＜90°)用粘结剂(如强力胶102、504、502等)斜向粘贴在扭梁与固定端的交界处，其连接有两种方式其一为反射式连接，即光纤耦合器(2×2或1×2光纤耦合器)或光环行器(三端口或四端口光环行器)一侧的两个端口，一端连接已粘贴的光纤光栅，另一端置入匹配液；而光纤耦合器另外一侧的两个端口，一端接光源，另一端与光纤光栅解调器、O/E电路，测量电路、数据处理器、显示器依次连接。
其二为透射式连接，即不用光纤耦合器(或光环行器)，将光纤光栅的一端与光源直接连接，另一端与光纤光栅解调器、O/E电路，测量电路、数据处理器、显示器依次连接。
扭梁是一个均质、对称、各向同性的实心(或空心)弹性体，横截面为圆形，材质可为有机玻璃、金属、合金、塑料、橡胶或尼龙等弹性材料；固定端可为金属、合金等弹性材料，且与扭梁的热膨胀系数差别五倍以上。上述的角度θ可以是5°-45°。
所述的数据处理器根据扭角-温度矩阵、扭矩-温度矩阵和扭应力-温度矩阵，可对温度效应进行剥离，并将光纤光栅传感器感测的扭转信号(扭角、扭矩或扭应力)和温度信号输入显示器分别输出。
光纤光栅为光纤布拉格光栅，且用粘结剂平整地沿与扭梁轴向呈角度θ斜向粘贴在扭梁与固定端的交界处。传感光纤光栅可通过其反射或透射的中心波长漂移量来双向(顺时针与逆时针)高精度感测被测物的扭转状态(扭角、扭矩或扭应力的大小和方向)。在小扭应变条件下，该传感器是准线性的；在大扭应变条件下，该传感器则是非线性的。
扭梁与固定端分属两种不同材料，它们的热膨胀系数差别五倍以上。当作用于扭梁自由端的扭矩(或扭角或扭应力)变化时，扭梁产生的扭应变使光纤光栅粘贴在扭梁与固定端两部分的栅距发生变化，导致两部分光纤光栅反射(或透射)中心波长漂移量不同。该漂移量经光纤光栅解调器解调后，由O/E电路将光信号转换为电信号，再经测量电路和数据处理器对温度效应进行剥离，最后由显示器输出，从而实现对扭转(扭角、扭矩或扭应力)和温度的高精度同时感测。
本发明传感扭转(扭角、扭矩或扭应力)和温度的方法是当作用于扭梁自由端的扭矩(或扭角或扭应力)变化时，扭梁产生的扭应变使光纤布拉格光栅粘贴在扭梁与固定端两部分的栅距发生变化，导致两部分光纤布拉格光栅反射(或透射)中心波长漂移量不同。根据波长漂移量的增加或减小，利用扭角-温度矩阵、扭矩-温度矩阵和扭应力-温度矩阵可有效剥离温度效应，即可双向(顺时针与逆时针)高精度感测被测物的扭转状态(扭角、扭矩或扭应力的大小和方向)。
本发明的扭角-温度矩阵、扭矩-温度矩阵和扭应力-温度矩阵分别为 Δλ1(Mt,T)Δλ2(Mt,T)=K11(Mt)K12(T)K21(Mt)K22(T)×MtΔT.......(2)]]>Δλ1(Ft,T)Δλ2(Ft,T)=K11(Ft)K12(T)K21(Ft)K22(T)×FtΔT......(3)]]>式中Δλ1、Δλ2分别是光纤光栅粘贴在扭梁与固定端两部分的波长λ1、λ2的漂移量，K()、K(Mt)、K(Ft)和K(T)分别是扭角、扭矩、扭应力和温度的传感系数，、Mt、Ft和ΔT分别是传感参量扭角、扭矩、扭应力和温度变化。若扭梁实心(或空心)的扭应变最大值γm＜5％，则(1)式、(2)式和(3)式中的传感系数均可视为常数，其大小可分别表示为K()＝[λiD(1-pe)sin2θ]/(4L))、K(Mt)＝[λiD(1-pe)sin2θ]/(4GIp)、 K(T)＝λi[α+ξ+(1-pe)(αi-α)]。其中，L、D、Ip和G分别是扭梁的长度、外直径、横截面的极惯性矩和剪切模量，pe、α和ξ分别是光纤的有效弹光系数、光纤的热胀系数和纤芯的热光系数，θ是斜粘角，rp是扭应力的力臂，λi(i＝1，2)分别表示粘贴在扭梁与固定端两部分的光纤光栅的中心波长，αi(i＝1，2)分别表示粘贴光纤光栅的衬底材料(扭梁与固定端)的热胀系数。
本发明是一种扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置，传感基元仅为一个光纤光栅，且感测扭转参量时不受环境温度制约，结构简洁，易于系统集成，应用广泛。


图1是本发明的反射式传感结构图。
图2是实心扭梁传感结构图。
图3是空心扭梁传感结构图。
图4是图3的一个剖视图。
图5是基于光纤光栅的扭梁应变传感原理图。
图6是光纤光栅解调器流程图。
图7是数据处理器流程图。
在本发明的具体实施例子图1中，传感装置包括光纤布拉格光栅1、单模光纤2、空心扭梁3、固定端4、2×2光纤耦合器5、匹配液6、宽带光源7、光纤光栅解调器8、O/E电路9，测量电路10、数据处理器11、显示器12等构成；传感光纤布拉格光栅1沿与空心扭梁3轴向呈8°角用强力胶102斜向粘贴在扭梁3与铁块制成的固定端4的交界处，尽量使粘贴在交界两边的光纤布拉格光栅的长度相等，并以反射式方式进行连接即2×2光纤耦合器一侧的两个端口，一端连接已粘贴的光纤布拉格光栅1，另一端置入匹配液6；而2×2光纤耦合器另外一侧的两个端口，一端接宽带光源7，另一端与光纤光栅解调器8、O/E电路9，测量电路10、数据处理器11、显示器12依次连接。对于透射式结构，只需在图1中将2×2光纤耦合器5、匹配液6去掉，然后将光纤光栅1的两端分别与宽带光源7和光纤光栅解调器8连接起来即可。
其中，扭梁3是一个均质、对称、各向同性的橡胶空心圆柱棒，其长L＝11.00cm、外直径D＝1.52cm，内直径d＝0.68cm；固定端4由铁块制成，其厚、高分别为2cm和3cm；力臂rp＝10.0cm；用于传感的光纤布拉格光栅是用高掺锗光敏光纤以相位掩膜法研制的，其长度l＝10mm，测得反射率为97.2％，中心波长反射的3dB带宽约为0.31nm。在室温20℃时，测得未受扭矩作用时传感光纤布拉格光栅的自由中心波长λ0＝1555.75nm。光纤的有效光弹系数Pe＝0.22，热胀系数α＝0.5×10-6/℃，热光系数ξ＝6.8×10-6/℃；空心扭梁的热胀系数α1＝7.35×10-5/℃，剪切模量G1＝0.72×108N/m2；铁的热胀系数α2＝1.18×10-5/℃，剪切模量G2＝75.012×109N/m2。根据上述参数得到(1)式、(2)式和(3)式传感系数矩阵的理论计算值分别为 数据处理器11由硬件与软件构成，它根据扭角-温度矩阵、扭矩-温度矩阵和扭应力-温度矩阵，对温度效应进行剥离，并将光纤光栅传感器感测的扭转信号(扭角、扭矩或扭应力)和温度信号输入显示器12分别输出。
在本发明的具体实施例子图2-图5中，(1)式、(2)式和(3)式传感系数矩阵的实测拟合值分别为 对比(4)式～(9)式可知，传感系数矩阵的实验拟合值与理论计算值符合得很好，二者之比达到94％以上。当温度T＝5℃～75℃，扭角＝-40°～+40°变化时，计算表明空心扭梁的扭应变最大值γm＜5％。经对该扭转传感装置多次实测，粘贴在空心扭梁上的光纤布拉格光栅的波长漂移量Δλ1和粘贴在铁块固定端上的光纤布拉格光栅的中心波长漂移量Δλ2，分别与扭角、扭矩Mt、扭应力Ft和温度变化ΔT的实测拟合方程分别为Δλ1＝0.19+0.09ΔT (10)Δλ1＝3.29Mt+0.09ΔT (11)Δλ1＝0.33Ft+0.09ΔT (12)Δλ2＝0.03ΔT (13)从实测拟合方程可见，Δλ1与、Mt、Ft均呈良好的线性关系，它们的直线拟合度分别达到0.998、0.997和0.997。
对扭转和温度实施具体感测时，首先根据(13)式，由Δλ2得到温度的感测值ΔT，ΔT＝T-T0(T0是温度定标值)；然后，再根据(10)式、(11)式和(12)式，从Δλ1中将温度效应ΔT剥离后，即可得到扭角、扭矩Mt和扭应力Ft的感测值。
由K11(Mt)＝[λiD(1-pe)sin2θ]/(4GIp)或 得到测量弹性体剪切模量的关系式为G=λiD(1-pe)sin2θ4K11(Mt)Ip......(14)]]>G=λirpD(1-pe)sin2θ4K11(Ft)Ip......(15)]]>对于圆柱形空心扭梁，Ip＝π(D4-d4)/32，对于圆柱形实心扭梁，则I′p＝πD4/32。将上述均质、对称、各向同性的橡胶空心圆柱棒替换成相应的橡胶实心圆柱棒进行扭转感测，得到扭矩传感系数矩阵的实测拟合值为 根据(14)式，得到的该橡胶实心圆柱棒的剪切模量测量值为G1′=λiD(1-pe)sin2θ4K11′(Mt)Ip′=0.71×108N/m2]]>上述实测结果表明，实心圆柱棒的剪切模量G′1与空心圆柱棒的剪切模G1的测定值相当，这表明本发明能够用于测量弹性体的剪切模量。
权利要求
1.一种扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置，其特征在于它包括光纤光栅、光纤、扭梁、固定端、光纤耦合器(或光环行器)、匹配液、光源、光纤光栅解调器、O/E电路，测量电路、数据处理器、显示器；单个光纤光栅沿与扭梁轴向呈角度θ用粘结剂斜向粘贴在扭梁与固定端的交界处，所述的角度θ是0°＜θ＜90°；有两种连接方式反射式连接，即光纤耦合器(或光环行器)一侧的两个端口，一端连接已粘贴的光纤光栅，另一端置入匹配液；而光纤耦合器另外一侧的两个端口，一端接光源，另一端与光纤光栅解调器、O/E电路，测量电路、数据处理器、显示器依次连接；或透射式连接，即不用光纤耦合器(或光环行器)，将光纤光栅的一端与光源直接连接，另一端与光纤光栅解调器、O/E电路，测量电路、数据处理器、显示器依次连接。所述的数据处理器根据扭角-温度矩阵、扭矩-温度矩阵和扭应力-温度矩阵，可对温度效应进行剥离，并将光纤光栅传感器感测的扭转信号(扭角、扭矩或扭应力)和温度信号输入显示器分别读出。
2.根据权利要求1所述的扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置，其特征在于所述的扭角-温度矩阵、扭矩-温度矩阵和扭应力-温度矩阵分别为 Δλ1(Mt,T)Δλ2(Mt,T)=K11(Mt)K12(T)K21(Mt)K22(T)×MtΔT]]>Δλ1(Ft,T)Δλ2(Ft,T)=K11(Ft)K12(T)K21(Ft)K22(T)×FtΔT]]>式中Δλ1、Δλ2分别是光纤光栅粘贴在扭梁与固定端两部分的波长λ1、λ2的漂移量，K()、K(Mt)、K(Ft)和K(T)分别是扭角、扭矩、扭应力和温度的传感系数，、Mt、Ft和ΔT分别是传感参量扭角、扭矩、扭应力和温度变化；若扭梁(实心或空心)的扭应变最大值γm＜5％，则(1)式、(2)和(3)式中的K()、K(Mt)、K(Ft)和K(T)均可视为常数。
3.根据权利要求1所述的扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置，其特征在于所述的扭梁是一个均质、对称、各向同性的实心或空心弹性体，横截面为圆形，其材质可为有机玻璃、金属、合金、塑料、橡胶或尼龙。
4.根据权利要求1所述的扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置，其特征在于所述的固定端可为金属或合金弹性材料，且与扭梁的热膨胀系数差别五倍以上。
5.根据权利要求1所述的扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置，其特征在于所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅。
6.根据权利要求1所述的扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置，其特征在于所述的光纤为玻璃光纤或塑料光纤。
7.权利要求1所述的扭转传感装置传感扭转和温度的方法，其特征在于1)将光纤布拉格光栅沿与扭梁轴向呈角度θ用粘结剂斜向粘贴在扭梁与固定端的交界处；2)当作用于扭梁自由端的扭矩变化时，扭梁产生的扭应变使光纤布拉格光栅粘贴在扭梁与固定端两部分的栅距发生变化，导致两部分光纤布拉格光栅反射或透射中心波长漂移量不同；3)根据波长漂移量的增加或减小，利用扭角-温度矩阵、扭矩-温度矩阵和扭应力-温度矩阵关系，可有效剥离温度效应，即可双向(顺时针与逆时针)高精度感测被测物的扭转状态；扭角-温度矩阵、扭矩-温度矩阵和扭应力-温度矩阵分别为 Δλ1(Mt,T)Δλ2(Mt,T)=K11(Mt)K12(T)K21(Mt)K22(T)×MtΔT]]>Δλ1(Ft,T)Δλ2(Ft,T)=K11(Ft)K12(T)K21(Ft)K22(T)×FtΔT]]>式中Δλ1、Δλ2分别是光纤光栅粘贴在扭梁与固定端两部分的波长λ1、λ2的漂移量，K()、K(Mt)、K(Ft)和K(T)分别是扭角、扭矩、扭应力和温度的传感系数，、Mt、Ft和ΔT分别是传感参量扭角、扭矩、扭应力和温度变化；
8.根据权利要求1所述的扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置，其特征在于所述的光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器；所述的光环行器是三端口或四端口光环行器。
9.根据权利要求1所述的扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置，其特征在于所述的角度是5°-45°。
10.权利要求1所述的扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置的应用，其特征在于它用于测量弹性体的剪切模量。
全文摘要
本发明涉及扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置。该传感装置包括光纤布拉格光栅，光纤、扭梁，固定端、光纤耦合器(或光环行器)、匹配液、光源、光纤光栅解调器、O/E电路，测量电路、数据处理器、显示器、光纤接插器、光缆线管等。将单个光纤布拉格光栅沿与扭梁轴向呈角度θ(0°＜θ＜90°)用粘结剂斜向粘贴在扭梁与固定端的交界处。当扭梁自由端的扭矩变化时，粘贴在扭梁与固定端两部分的光纤布拉格光栅反射(或透射)波长产生不同的漂移量。该漂移量经光纤光栅解调器解调后，由O/E电路将光信号转变为电信号，再经测量电路和数据处理器对温度效应进行剥离，最后由显示器输出，从而实现对扭转(扭角、扭矩或扭应力)和温度的高精度同时感测。
文档编号G01D5/26GK1414350SQ0214912
公开日2003年4月30日 申请日期2002年11月27日 优先权日2002年11月27日
发明者张伟刚, 开桂云, 董孝义, 袁树忠, 赵启大, 刘志国 申请人:南开大学