专利名称：一种温度自补偿光纤光栅杆力传感器及使用方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤光栅杆力传感器及使用方法，能消除温度对光纤光栅传感器 的影响，属于光纤传感领域。
背景技术：
光纤光栅传感是一种新型的传感原理，它以光波为信号载体，并采用波长调制，不 受光强的影响，信号稳定，在结构工程的各种场合都具有良好的传感性能。利用光纤光栅原 理制作的温度和应变传感器能有效地测量结构的温度与应变，且制造出的传感器具有体积 小，测量精度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，可靠性和稳定性好，耐久性好等优点。在杆力传感系统中，传统的杆力传感原理大多是采用电阻应变式的变换原理。由 弹性元件将杆力负荷变换成表面应变，经电阻应变计感应测试应变，再通过电子测量技术 将电阻应变计的变化量换成电信号输出。这种传统的电阻应变式杆力传感器虽然在一般应 用中能够满足传感要求，然而这种电传传感器存在着其固有的缺陷在测量精度与可靠性 方面存在许多局限。例如，由于电阻应变计在温度作用下其电阻率会发生较大变化，如温度 从_55°C到+60°C变化时，半导体电阻应变计的阻值会从600多欧变化到1300欧左右，其电 阻温度系数大于700X10-6/°C ；虽然金属电阻应变计电阻温度系数要小，但其灵敏系数比 半导体电阻应变计小100倍。在电测技术中，虽然可以采用热敏电阻补偿、串并联电阻补偿 以及有源电路分段补偿等零位温度补偿技术在一定范围内可以减小其零位输出漂移，但是 由于技术的限制，这种基于电阻应变式杆力传感器还不能达到很高的精度与灵敏度水平； 不能防御雷电、电磁干扰(EMI)和电磁冲击(EMP)。鉴于传统杆力传感器存在的缺陷，光纤光栅杆力传感器在所需测量精度、动态响 应、抗电磁干扰、全温度与气压范围传感器零位输出的稳定性与可靠性等指标参数都要比 传统的电阻应变式传感器高出很多。但是，在光纤光栅传感领域，应变和温度是两个能够直接导致光纤光栅中心波长 产生漂移的物理量，即光纤光栅对温度和应变交叉敏感。由于光纤光栅对温度和应变都敏 感，在测量应变时，温度的影响很难消除，从而限制了其实际应用。

发明内容
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出了一种温度自补偿光纤光栅杆力传感 器及其使用方法，能在测量应变的同时消除温度的影响，制作工艺简单，解决了光纤光栅传 感器交叉敏感性的问题。技术方案一种温度自补偿光纤光栅杆力传感器，其特征在于包括第一关联平行梁2、第二关 联平行梁3、第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5 第一关联平行梁2 和第二关联平行梁3为尺寸相同的矩形框结构，且中心呈长方形空心；两个关联平行梁的长方形空心矩形框顺行且相互垂直固定连接，第一光纤光栅应变传感器4与长方形空心矩 形框平行的粘贴在第一关联平行梁2的一个平面上，第二光纤光栅应变传感器5与长方形 空心矩形框平行的粘贴在第二关联平行梁3的一个平面上，且第一光纤光栅应变传感器4 与第二光纤光栅应变传感器5串行联接；第一光纤光栅应变传感器4在第一关联平行梁2 平面的位置与第二光纤光栅应变传感器5在第二关联平行梁3平面位置垂直对称。所述的第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5的材料和结构相 同，且中心波长相差小于50nm。在第一关联平行梁2的平面粘贴与第一光纤光栅应变传感器4串联的若干个光纤 光栅应变传感器，同时在第二关联平行梁3的平面粘贴与第二光纤光栅应变传感器5串联 的若干个光纤光栅应变传感器，且两个平面上粘贴的位置垂直对称。所述的若干个光纤光栅应变传感器为2的倍数。所述的光纤光栅应变传感器为贴片式光纤光栅传感器或裸光纤光栅传感器。所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅或长周期光纤光栅。一种利用上述温度自补偿光纤光栅杆力传感器测量受力的方法，其特征在于步骤 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和第二光纤光栅 应变传感器5串联后的其中一端；步骤2 在恒定温度环境中，将欲测量的受力施加于温度自补偿光纤光栅杆力传 感器，受力的方向与温度自补偿光纤光栅杆力传感器相垂直；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Δ λ 4和第二光纤光 栅应变传感器5的中心波长漂移量Δ λ 5 ；步骤4 将第一光纤光栅应变传感器4与第二光纤光栅应变传感器5的中心波长 漂移量做差，得到两个光纤光栅应变传感器中心波长漂移量的差值Δ λ = I Δ λ4-Δ λ5| ；步骤5 根据两个光纤光栅应变传感器中心波长漂移量的差值△ λ与受力的关
系，得到受力大小F = kA λ ；其中; (λΕ 、；E为关联平行材料的弹性模量，λ ^为光纤
光栅应变传感器的中心波长，Pe为光纤的有效光弹系数。有益效果本发明提出的温度自补偿光纤光栅杆力传感器及其使用方法，在没有引入额外的 附加结构或专门的光纤光栅温度传感器条件下，在传感系统内部解决温度补偿的问题；而 且该温度自补偿光纤光栅杆力传感器具有抗电磁干扰、精度高、动态响应快、体积小重量 轻、结构简单等特点，更具可靠性，稳定性和简易性；另外该温度自补偿光纤光栅杆力传感 器成本相对低廉，适用于比较狭小的空间，在测量弹性元件受力的同时实现对传感器的温 度补偿。


图1 为本发明实施例1温度自补偿光纤光栅杆力传感器结构示意2 为本发明实施例2温度自补偿光纤光栅杆力传感器结构示意3 为本发明实施例3温度自补偿光纤光栅杆力传感器结构示意图
1-弹性元件；2-第一关联平行梁；3-第二关联平行梁；4-第一光纤光栅应变传感 器；5-第二光纤光栅应变传感器；
具体实施例方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述附图1为本发明实施例1的一种温度自补偿光纤光栅杆力传感器，其中包括由第 一关联平行梁2和第二关联平行梁3组成的弹性元件1，第一光纤光栅应变传感器4和第二 光纤光栅应变传感器5 ；第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5分别粘 贴在关联平行梁2的两个面2-1、2-2和关联平行梁3的两个面3-1、3-2的轴向方向上，且 第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5在同一根光纤上顺次连接。第一 光纤光栅应变传感器4感受ζ向力产生的应变，第二光纤光栅应变传感器5感受y向力产 生的应变，其中1和ζ方向相互垂直。其中第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5均为贴片式光纤布 拉格光栅应变传感器，第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5均粘贴在 所在面的中轴线上的一侧。给上述光纤光栅杆力传感器施加ζ向力，同时恒定温度也作用 于该光纤光栅杆力传感器。当一束入射光波进入第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5 时，根据弹性元件的特性和光纤光栅模式耦合理论，第一光纤光栅应变传感器4同时受到 应变和温度的影响，其中心波长漂移量为Δ λΑ = Δ λ ^Δ λ2 = Ic1A ε+k2AT = Kk1' F+k2 Δ T而第二光纤光栅应变传感器5只受到温度的影响，其中心波长漂移量为Δ λ Β = Δ λ 3 = k3 Δ T式中=Hk1'、k3均为常数；ΔΤ为温度变化量；F为施加力的大小；Δ λ i为应 变引起的第一光纤光栅应变传感器4的中心波长漂移量；Δ λ 2为温度引起的第一光纤光 栅应变传感器4的中心波长漂移量；Δ λ 3为温度引起的第二光纤光栅应变传感器5的中心 波长漂移量；△ ε为第一光纤光栅应变传感器4产生的应变量。由于第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5置于同样的温度环 境中，且所述光纤光栅应变传感器的材料和结构相同，中心波长相差小于50nm。温度变化 使得第一第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5中心波长漂移量大小相 等，符号相同，即Δ λ 2 = Δ λΒ将第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5的中心波长漂移量做 减法处理，就可以得到应变对第一光纤光栅应变传感器4引起的波长漂移量Δ λ ‘ A=AXa-AXb=AX1 = Ic1As= ^k1 ‘ F给上述光纤光栅杆力传感器施加y向力，同时恒定温度也作用于该光纤光栅杆力 传感器。当一束入射光波进入第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5时， 根据弹性元件的特性和光纤光栅模式耦合理论，第二光纤光栅应变传感器5同时受到应变 和温度的影响，其中心波长漂移量为Δ λΒ = Δ λ !+Δ λ2 = ^Δ ε +k2 Δ T = Ii1Ii1' F+k2 Δ T
5
而第一光纤光栅应变传感器4只受到温度的影响，其中心波长漂移量为Δ λΑ = Δ λ 3 = k3 Δ T式中=I^kyk1'、k3均为常数；ΔΤ为温度变化量；F为施加力的大小；Δ λ i为应 变引起的第二光纤光栅应变传感器5的中心波长漂移量；Δ λ 2为温度引起的第二光纤光 栅应变传感器5的中心波长漂移量；Δ λ 3为温度引起的第一光纤光栅应变传感器4的中心 波长漂移量；△ ε为第二光纤光栅应变传感器5产生的应变量。由于第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5置于同样的温度环 境中，所述第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5的材料和结构相同，中 心波长相差小于50nm。温度变化使得第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感 器5中心波长漂移量大小相等，符号相同，即Δ λ 2 = Δ λΑ将第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5的中心波长漂移量做 减法处理，就可以得到应变对第二光纤光栅应变传感器5引起的波长漂移量Δ λΒ' = ΔλΒ-ΔλΑ = AA^k1A ε = ^k1' F通过这种利用上述的光纤光栅杆力传感器测量应变同时进行温度补偿的方法可 以很容易的消除温度变化对应变测量的影响。通过上述过程实施例2 参阅附图2，与实施例1的不同在于，所述的第一光纤光栅应变传感器4 和第二光纤光栅应变传感器5均为裸光纤布拉格光栅，且第一光纤光栅应变传感器4由两 个裸光纤布拉格光栅4-1、4-2顺次连接组成并粘贴在所在面的中轴线上，第二光纤光栅应 变传感器5由两个裸光纤布拉格光栅5-1、5-2顺次连接组成并粘贴在所在面的中轴线上。 杆力传感器发生弯曲变形时，第一光纤光栅应变传感器4的中心波长漂移量取裸光纤布拉 格光栅4-1、4-2中心波长漂移量的平均值；第二光纤光栅应变传感器5的中心波长漂移量 取裸光纤布拉格光栅5-1、5-2中心波长漂移量的平均值。.实施例3参阅附图3，与实施例1的不同在于，所述的第一光纤光栅应变传感器 4和第二光纤光栅应变传感器5均为裸长周期光纤光栅，且第一光纤光栅应变传感器4由四 个裸长周期光纤光栅4-1、4-2、4-3、4-4顺次连接组成并粘贴在所在面上，上下排成两排， 且与所在面的上下两边平行。第二光纤光栅应变传感器5由两个裸长周期光纤光栅5-1、 5-2、5-3、5-4顺次连接组成并粘贴在所在面的中轴线上。杆力传感器发生弯曲变形时，第一 光纤光栅应变传感器4的中心波长漂移量取裸光纤布拉格光栅4-1、4-2、4-3、4-4中心波长 漂移量的平均值；第二光纤光栅应变传感器5的中心波长漂移量取裸光纤布拉格光栅5-1、 5-2、5-3、5-4中心波长漂移量的平均值。利用上述3个实施例的温度自补偿光纤光栅杆力传感器测量作用在传感器上的 受力时，根据两个光纤光栅应变传感器中心波长漂移量的差值△ λ与受力的关系，得到受
力大小F = ；其中& = ^^； E为关联平行材料的弹性模量，为光纤光栅应变
传感器的中心波长，Pe为光纤的有效光弹系数。
权利要求
一种温度自补偿光纤光栅杆力传感器，其特征在于包括第一关联平行梁2、第二关联平行梁3、第一光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5第一关联平行梁2和第二关联平行梁3为尺寸相同的矩形框结构，且中心呈长方形空心；两个关联平行梁的长方形空心矩形框顺行且相互垂直固定连接，第一光纤光栅应变传感器4与长方形空心矩形框平行的粘贴在第一关联平行梁2的一个平面上，第二光纤光栅应变传感器5与长方形空心矩形框平行的粘贴在第二关联平行梁3的一个平面上，且第一光纤光栅应变传感器4与第二光纤光栅应变传感器5串行联接；第一光纤光栅应变传感器4在第一关联平行梁2平面的位置与第二光纤光栅应变传感器5在第二关联平行梁3平面位置垂直对称。
2.根据权利要求1所述的温度自补偿光纤光栅杆力传感器，其特征在于所述的第一 光纤光栅应变传感器4和第二光纤光栅应变传感器5的材料和结构相同，且中心波长相差 小于50nmo
3.根据权利要求1或2所述的温度自补偿光纤光栅杆力传感器，其特征在于在第一 关联平行梁2的平面粘贴与第一光纤光栅应变传感器4串联的若干个光纤光栅应变传感 器，同时在第二关联平行梁3的平面粘贴与第二光纤光栅应变传感器5串联的若干个光纤 光栅应变传感器，且两个平面上粘贴的位置垂直对称。
4.根据权利要求3所述的温度自补偿光纤光栅杆力传感器，其特征在于所述的若干 个光纤光栅应变传感器为2的倍数。
5.根据权利要求1所述的温度自补偿光纤光栅杆力传感器，其特征在于所述的光纤 光栅应变传感器为贴片式光纤光栅传感器或裸光纤光栅传感器。
6.根据权利要求5所述的温度自补偿光纤光栅杆力传感器，其特征在于所述的光纤 光栅为光纤布拉格光栅或长周期光纤光栅。
7.一种利用权利要求1 6所述的任一种温度自补偿光纤光栅杆力传感器测量受力的 方法，其特征在于步骤如下步骤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和第二光纤光栅应变 传感器5串联后的其中一端；步骤2 在恒定温度环境中，将欲测量的受力施加于温度自补偿光纤光栅杆力传感器， 受力的方向与温度自补偿光纤光栅杆力传感器相垂直；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△ λ 4和第二光纤光栅应 变传感器5的中心波长漂移量Δ λ 5 ；步骤4 将第一光纤光栅应变传感器4与第二光纤光栅应变传感器5的中心波长漂移 量做差，得到两个光纤光栅应变传感器中心波长漂移量的差值Δ λ = I Δ λ4-Δ λ5| ；步骤5 根据两个光纤光栅应变传感器中心波长漂移量的差值△ λ与受力的关系，得到受力大小F = kAX ；其中
全文摘要
本发明涉及一种光纤光栅杆力传感器及使用方法，其特征在于；两个关联平行梁的长方形空心矩形框顺行且相互垂直固定连接，第一光纤光栅应变传感器与长方形空心矩形框平行的粘贴在第一关联平行梁的一个平面上，第二光纤光栅应变传感器与长方形空心矩形框平行的粘贴在第二关联平行梁的一个平面上，且第一光纤光栅应变传感器与第二光纤光栅应变传感器串行联接。本传感器具有抗电磁干扰、精度高、动态响应快、体积小重量轻、结构简单等特点，更具可靠性，稳定性和简易性；另外该温度自补偿光纤光栅杆力传感器成本相对低廉，适用于比较狭小的空间，在测量弹性元件受力的同时实现对传感器的温度补偿。
文档编号G01B11/16GK101975632SQ20101053468
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月4日 优先权日2010年11月4日
发明者姜亚军, 张铭, 杨德兴 申请人:西北工业大学