专利名称：一种浮子式光纤Bragg光栅Pb-Sn熔融合金密度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量熔融合金密度的浮子式光纤Bragg光栅Pb-Sn熔融合金密度传感器，属光电子测量技术领域。
背景技术：
密度作为各种物质的重要物性参数之一，它的测量广泛地应用于现代国防、科技、工业等领域。熔融合金因自身 高温等因素使一般液体密度计难以直接应用于对它的测量。目前研究熔融态物质密度的方法有Y射线法、改良静滴法。Y射线密度计是采用Y射线透射原理，可非接触测量密封罐、槽、管道内物质的密度，其对放射源的选择、安装条件有严格限制，需根据不同的测量对象要作不同程度的现场标定。改良静滴法是通过上下两个坩埚对其间的熔融合金挤压而在预先设置的圆柱孔隙内形成一个类圆柱状的形体，通过CXDcamera与X射线发射装置对这个形体成像，输入计算机后经特征提取等图像处理后计算出该部分合金体积，进而计算出合金密度，但该方法对操作使用所需的软、硬件环境及测量手段要求严格，难以实现便携式实时测量。

发明内容
针对上述问题，本发明提供一种能够精确测量Pb-Sn熔融合金密度的光纤Bragg光栅密度传感器，内部灌铅的锥形浮子受浮力、重力作用使浮力传递杆受拉，通过钢条等臂杠杆、连杆对固定在保护筒上的等强度悬臂梁的右端产生向上的拉力，使等强度悬臂梁发生挠度变形，进而引起粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅中心反射波长的移位，据浮子所受浮力与熔融合金密度的线性关系计算出该温度下熔融合金的密度。通过测量置于熔融合金中的锥形浮子的浮力从而实现对熔融合金密度的实时监测。本发明采用的技术方案一种浮子式光纤Bragg光栅Pb-Sn熔融合金密度传感器，包括钢条等臂杠杆I、浮力传递杆2、浮子限定杆3、锥形浮子4、光纤Bragg光栅6、等强度悬臂梁7、密封底座10、保护筒11、连杆套筒12、连杆13、测温光栅14、限定孔15、输入输出光纤17，升降齿轮18，固定插销19、外边手柄20，支撑体21，通孔122和通孔1123 ;锥形浮子4穿过浮子限定杆3上的限定孔15挂接在浮力传递杆2上，浮子限定杆3右端焊接于保护筒11支撑体上，浮力传递杆2与连杆13活动连接于钢条等臂杠杆I两端。钢条等臂杠杆I与保护筒11支撑体铰链连接，连杆13下端与等强度悬臂梁7右端固定连接，连杆套筒12下部与保护筒11顶部连接，等强度悬臂梁7左端固定于保护筒11内壁，等强度悬臂梁7上、下表面分别贴有光纤Bragg光栅6,测温光栅14粘贴于连杆套筒12内壁,输入输出光纤17通过连杆套筒12向外引出并与分析设备相连，密封底座10与保护筒11连接，支撑体21固定在保护筒11上，支撑体21的顶部设有可以和升降齿轮18相互咬合的齿条，支撑体21上设有通孔I 22，升降齿轮18与外
边手柄20连接，外边手柄20设有通孔Π 23,固定插销19可以同时穿过通孔I 22和通孔Π23。
为了防止沸腾的熔融合金溅入连杆套筒12而影响测量，支撑体21设有防溅网罩16。所述的锥形浮子4外形为倒锥体、外层为陶瓷材料以减小熔融合金粘附，锥形浮子4内部灌铅使其密度大于熔融合金密度。所述的一种浮子式光纤Bragg光栅Pb-Sn熔融合金密度传感器的使用方法，首先，调节升降齿轮18使传感器装置整体进入在熔炉8内，浮子4浸没于Pb-Sn熔融合金液体，浮子4受到了 Pb-Sn熔融合金液体的浮力通过等臂杠杆13的使等强度悬臂梁7发生挠度变化，从而引起粘贴在其上下表面的光纤Bragg光栅6中心波长发生移位变化，然后，光纤Bragg光栅6通过引出光纤17连接到光纤解调仪得到光纤Bragg光栅6中心波长的应变
6/ (I - X )
量，通过公式Af == _________________^_________________￡_______式中，^为当浮子未放入熔融合金而置于空气
中时的应变，A为当浮子置于熔融合金中时，F=G-i #是的应变， ·(χ)为与悬臂梁固定端距离X处悬臂梁宽度，h为悬臂梁厚度，L为悬臂梁有效长度。推出浮子4所受到的浮力大
6(1 - p)F^{L jrr) 4. 63p谘客- x) ^
小4艮据浮子4所受浮力结合公式^￡- = ^—￡-=，式
中灵敏度系数，=48(f~^3f； H，R为锥形 浮子底面半径，H为锥形浮子的高度，计算 KI
出熔融合金的密度。本发明的有益效果是本发明中传感器置于熔融合金中，在线监测；传感器主体部分置于熔融合金中，并未直接与外界接触，具有很强的抗干扰能力；采用等强度悬臂梁作为波长调谐方式，且熔融合金密度与浮子所受浮力具有线性关系，使传感器具有优良的线性度。


图I为本发明的结构示意图。图中1-钢条等臂杠杆，2-浮力传递杆，3-浮子限定杆，4-锥形浮子，5-熔融合金，6-光纤Bragg光栅，7-等强度悬臂梁，8-合金容器，9-加热装置，10-密封底座，11-保护筒,12-连杆套筒,13-连杆，14-测温光栅，15-限定孔,16-防派网罩，17-输入输出光纤，18-升降齿轮，19-固定插销，20-外连手柄，21-支撑体，22-通孔I，23-通孔II。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，以方便技术人员理解。如图I所示一种浮子式光纤Bragg光栅Pb-Sn熔融合金密度传感器，包括钢条等臂杠杆I、浮力传递杆2、浮子限定杆3、锥形浮子4、光纤Bragg光栅6、等强度悬臂梁7、密封底座10、保护筒11、连杆套筒12、连杆13、测温光栅14、限定孔15、输入输出光纤17，升降齿轮18，固定插销19、外边手柄20，支撑体21，通孔122和通孔1123 ;锥形浮子4穿过浮子限定杆3上的限定孔15挂接在浮力传递杆2上，浮子限定杆3右端焊接于保护筒11支撑体上，浮力传递杆2与连杆13活动连接于钢条等臂杠杆I两端。钢条等臂杠杆I与保护筒11支撑体铰链连接，连杆13下端与等强度悬臂梁7右端固定连接，连杆套筒12下部与保护筒11顶部连接，等强度悬臂梁7左端固定于保护筒11内壁，等强度悬臂梁7上、下表面分别贴有光纤Bragg光栅6,测温光栅14粘贴于连杆套筒12内壁,输入输出光纤17通过连杆套筒12向外引出并与分析设备相连，密封底座10与保护筒11连接，支撑体21固定在保护筒11上，支撑体21的顶部设有可以和升降齿轮18相互咬合的齿条，支撑体21上设有通孔I 22，升降齿轮18与外边手柄20连接，外边手柄20设有通孔Π 23，固定插销19可以同时穿过通孔I 22和通孔Π 23。为了防止沸腾的熔融合金溅入连杆套筒12而影响测量，支撑体21设有防溅网罩16。所述的锥形浮子4外形为倒锥体、外层为陶瓷材料以减小熔融合金粘附，锥形浮子4内部灌铅使其密度大于熔融合金密度。—种浮子式光纤Bragg光栅Pb-Sn熔融合金密度传感器的使用方法,首先，调节升 降齿轮18使传感器装置整体进入在熔炉8内，浮子4浸没于Pb-Sn熔融合金液体，浮子4受到了 Pb-Sn熔融合金液体的浮力通过等臂杠杆13的使等强度悬臂梁7发生挠度变化，从而弓I起粘贴在其上下表面的光纤Bragg光栅6中心波长发生移位变化,然后,光纤Bragg光栅6通过引出光纤17连接到光纤解调仪得到光纤Bragg光栅6中心波长的应变量，通过公式
^β' ^jr — ^ )
Αε = ε2- ε, = —-:—rIs-;-式中，为当浮子未放入熔融合金而置于空气中时的应变，
为当浮子置于熔融合金中时，F = G-Fff是的应变，i(x)为与悬臂梁固定端距离X处悬臂梁宽度，h为悬臂梁厚度，L为悬臂梁有效长度。推出浮子4所受到的浮力大小，根据浮子
6(1 - P,)K&(L -X:) 4.從P gKt.il - s.
4所受浮力结合公式一一 = ’一 =、，式巾I:灵敏度
系数，=---τ;-^—，R为锥形浮子底面半径，H为锥形浮子的高度，计算出熔融合金 K HMxi Jh
的密度。本发明测量技术的数学模型如下
光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为
ΑΛε
--± = (l-pe)ex(I)
而轴向应变G与自由端所受力F、杨氏模量E等的关系为zF (L-x)
^ 一 —Wy —⑵
式中L为悬臂梁有效长度，z为与悬臂梁中性面的距离，X为光纤光栅粘贴处与悬臂梁固定端间的距离，为考察点处悬臂梁截面的惯性矩，由材料力学知识可知，对矩形截面梁
权利要求
1.一种浮子式光纤Bragg光栅Pb-Sn熔融合金密度传感器，其特征是包括钢条等臂杠杆、浮力传递杆、浮子限定杆、锥形浮子、光纤Bragg光栅、等强度悬臂梁、密封底座、保护筒、连杆套筒、连杆、测温光栅、限定孔、输人输出光纤、升降齿轮、固定插销、夕卜边手柄，支撑体，通孔I和通孔II ;锥形浮子穿过浮子限定杆上的限定孔挂接在浮力传递杆上，浮子限定杆右端焊接于保护筒的支撑体上，浮力传递杆与连杆活动连接于钢条等臂杠杆两端，钢条等臂杠杆与保护筒支撑体铰链连接，连杆下端与等强度悬臂梁右端固定连接，连杆套筒下部与保护筒顶部连接，等强度悬臂梁左端固定于保护筒内壁，等强度悬臂梁上、下表面分别贴有光纤Bragg光栅，测温光栅粘贴于连杆套筒内壁，输入输出光纤通过连杆套筒向外引出并与分析设备相连，密封底座与保护筒连接，支撑体固定在保护筒上，支撑体的顶部设有可以和升降齿轮相互咬合的齿条，支撑体上设有通孔I，升降齿轮与外边手柄连接，外边手柄设有通孔II，固定插销可以同时穿过通孔I和通孔II。
2.根据权利要求I所述的一种浮子式光纤Bragg光栅Pb-Sn熔融合金密度传感器，其特征是支撑体设有防溅网罩。
3.根据权利要求I所述的一种浮子式光纤Bragg光栅Pb-Sn熔融合金密度传感器，其特征是所述的锥形浮子外形为倒锥体、外层为陶瓷材料，锥形浮子内部灌铅使其密度大于熔融合金密度。
4.一种浮子式光纤Bragg光栅Pb-Sn熔融合金密度传感器的使用方法,其特征是首先，调节升降齿轮使传感器装置整体进入在熔炉内，浮子浸没于Pb-Sn熔融合金液体，浮子受到了 Pb-Sn熔融合金液体的浮力通过等臂杠杆的使等强度悬臂梁发生挠度变化，从而引起粘贴在其上下表面的光纤Bragg光栅中心波长发生移位变化,然后，光纤Bragg光栅通过引出光纤连接到光纤解调仪得到光纤Bragg光栅中心波长的应变量，通过公式 式中，为当浮子未放入熔融合金而置于空气中时的应变， &为当浮子置于熔融合金中时，F = 0-- 是的应变，&(>)为与悬臂梁固定端距离x处悬臂梁宽度，h为悬臂梁厚度，L为悬臂梁有效长度；推出浮子所受到的浮力大小，根据浮子所受 浮力结合公式 式中^灵敏度系数， 为锥形浮子底面半径，H为锥形浮子的高度，计算出熔融合金的密 度。
全文摘要
本发明涉及一种浮子式光纤Bragg光栅Pb-Sn熔融合金密度传感器，属于光电子测量技术领域。传感器下半部分置于Pb-Sn熔融合金中，内部灌铅的锥形浮子受浮力、重力作用使浮力传递杆受拉，通过钢条等臂杠杆、连杆对固定在保护筒上的等强度悬臂梁的右端产生向上的拉力，使等强度悬臂梁发生挠度变形，进而引起粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅中心反射波长的移位。粘贴于连杆套筒内壁的测温光栅用于测量熔融合金温度。据浮子所受浮力与熔融合金密度的线性关系计算出该温度下熔融合金的密度。由于传感器置于熔融合金中在线监测，减少了现场环境带来的噪声干扰，且采用等强度悬臂梁作为波长调谐方式，因此抗干扰性强，实时性高，线性度好。
文档编号G01N9/08GK102809521SQ20121026647
公开日2012年12月5日 申请日期2012年7月30日 优先权日2012年7月30日
发明者李川, 肖锋, 薛俊华, 李英娜, 欧阳鑫, 杨云飞 申请人:昆明理工大学