实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形传感器，包括：梭形结构外框、等强度悬臂梁、支撑柱、光纤光栅（FBG）和分离套管；梭形结构外框由两个拱形结构组成，梭形尖端一侧连接一设置有支撑柱的等强度悬臂梁；梭形两个尖端和支撑柱顶端均设置有通孔，被测柔性绳索依次通过各通孔进行固定；等强度悬臂梁上下表面均轴向设置凹槽用于对称粘贴FBG；栅区一部分与分离套管套接，套接部分为测温单元，未套接部分为测载荷单元，FBG与分离套管套接后通过粘胶完全粘贴固定在等强度悬臂梁凹槽内，然后用环氧胶对两者进行灌封涂覆。本发明解决了如何对柔性绳索载荷和温度同时测量问题，小巧轻便，FBG得到有效保护，具有良好的灵敏度、可靠性及稳定性。
【专利说明】实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形传感器
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器【技术领域】,尤其是涉及一种基于FBG (光纤光栅，Fiber BraggGrating)的实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器。
【背景技术】
[0002]现有技术中，工业使用的柔性绳索因具有柔软易弯曲变形、绳直径小、表面不平整、通常使用环境隐蔽等特点，致使绳中载荷测量困难。
[0003]目前，测量柔性绳索的载荷的方法通常是使用电磁式的张力测试仪，专利(专利号:CN2607564Y)的实用新型专利“一种钢丝绳张力测量仪”以及专利(专利号:CN2648426Y)的实用新型专利“索拉力测量仪”，提供了相关的测量方法。但是这种方法难以实现实时跟踪监测柔性绳索动态载荷变化，而且装置尺寸较大，测量范围小，灵敏度低，易受电磁信号干扰，长期稳定性差，寿命低，无法实现载荷和温度同时测量，所以需要开发一种能够克服上述缺点的实时监测柔性绳索载荷和温度的光纤光栅传感器。
[0004]FBG是在光纤中引入周期性的折射率调制而形成的光波导器件，通过检测写入光纤内部的光栅反射或透射布拉格波长光谱，实现被测结构的应力和温度等参量的绝对测量。它具有灵敏度高，精度高，重量轻，体积小，耐腐蚀，成本低，光路可弯曲，不受电磁干扰，便于实现远距离、长期监测等优点，而且多个光纤光栅可以采用一根光缆传输，便于组成传感系统，可实现准分布式测量。因为其具有上述优于传统光测、电测法的特点，自问世以来就得到了广泛的应用。但是，由于裸光纤直径很小，抗剪能力差，而且柔性绳索在受载拉伸过程中轴向应变复杂，难以通过直接粘贴裸光纤测量，因此将裸光纤封装成为能够实时监测柔性绳索载荷和温度的传感器具有重要意义。
[0005]综上所述，如何研制一种传感器能够实现对柔性绳索载荷和温度同时测量，便成为亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器，以解决如何对柔性绳索载荷和温度同时测量问题。
[0007]为解决上述技术问题，本发明提供一种实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器，其特征在于，包括:支撑单元、承载单元和传感单元，其中，
[0008]所述支撑单元包括:两个拱形结构组成的梭形结构外框；
[0009]所述承载单元包括:等强度悬臂梁和支撑柱；
[0010]所述传感单元包括:光纤光栅和分离套管；
[0011]该传感器梭形结构外框由两个拱形对称结构组成，所述梭形结构外框两尖端较细，中间较粗，两尖端的尺寸相比一端较窄一端较宽，梭形结构外框的尖端较宽一侧连接一等强度悬臂梁；所述等强度悬臂梁远离根部的位置突起为支撑柱，该支撑柱垂直于等强度悬臂梁平面且位于整体轴向的中心部位；所述支撑柱顶端设置有通孔，该梭形结构外框的两个尖端对称设置有通孔；等强度悬臂梁上下表面中心靠近根部均轴向设置有凹槽；其中，两个所述凹槽内对称粘贴有温度和载荷同时测量的传感单元；
[0012]所述光纤光栅采用单光栅分离粘贴技术粘贴固定在等强度悬臂梁凹槽内。
[0013]进一步地，其中，所述支撑柱分别距两个所述通孔距离相等。
[0014]进一步地，其中，所述两个拱形、等强度悬臂梁和支撑柱均为一整体结构切割而成。
[0015]进一步地，其中，所述等强度悬臂梁呈等腰梯形。
[0016]进一步地，其中，所述单光栅分离粘贴技术，进一步为:所述光纤光栅的栅区的一部分与内径略大于所述光纤光栅直径的分离套管套接，所述光纤光栅与分离套管套接部分为测温单元，未套接部分为测载荷单元，所述光纤光栅和连同分离套管套接后通过粘胶完全粘贴固定在等强度悬臂梁凹槽内，然后通过环氧胶对光纤光栅和分离套管进行灌封涂覆。
[0017]进一步地，其中，所述分离套管是厚度小于100 μ m的薄膜套管，其材质采用PBT、PP、PC、PET 或 PVC。
[0018]进一步地，其中，所述传感器的梭形的两个尖端和支撑柱上的通孔的直径均略大于所述所测柔性绳索直径。
[0019]综上所述，与现有技术相比，本发明所述的实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器，具有以下优点及突出性效果:
[0020]1、所述传感器整体由两个拱形对称结构组成，呈梭形结构，拱形俯视图为等腰梯形。梭形两尖端较细，中间较粗，两尖端的尺寸相比一端较窄一端较宽。梭形的尖端较宽一端侧壁连接一等强度悬臂梁，等强度悬臂梁远离根部的位置突起为支撑柱，支撑柱垂直于基底平面且位于整体轴向的中心部位，支撑柱顶端钻孔，梭形两尖端侧壁对称钻孔。等强度悬臂梁上下表面中心靠近根部均轴向刻有凹槽。两个拱形、等强度悬臂梁和支撑柱均为一体结构。
[0021]2、本发明由于基于光纤光栅，采用简便的单光栅分离粘贴技术固定在等强度悬臂梁凹槽内，可实现柔性绳索载荷和温度的同时测量。
[0022]3、本发明所述传感器由于体积小，重量轻，结构简单，装卸方便，成本低廉，设计巧妙，造型美观，对被测物影响小，封装操作简便易行，光纤光栅可以得到有效保护，测量时不会勾挂到工作环境中的其他绳索；灵敏度高，精度高，不受电磁干扰；可以对柔性绳索载荷和温度进行同时、实时测量，具有很高的可靠性和稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0024]图1为本发明实施例一所述的一种实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器的侧视测量示意图。
[0025]图2为本发明实施例一所述的一种实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器的正面测量示意图。
[0026]图3为本发明实施例一所述的一种实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器的结构示意图。
[0027]图4为本发明实施例一所述的一种实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器的俯视示意图。
[0028]图5为本发明实施例一所述的一种实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器的等强度悬臂梁的俯视图。
[0029]图6为本发明实施例一所述的一种实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器的光纤光栅与分离套管套接方式示意图。
[0030]图7为本发明实施例二所述的一种实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器中支撑柱示意图。
[0031]图8为本发明实施例二所述的一种实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器中柔性绳索装卡方式示意图。
[0032]图9为本发明实施例二所述的一种实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器中另一种支撑柱的正视示意图。
【具体实施方式】
[0033]以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
[0034]如图1和2所示，为本发明实施例一所述的一种实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器，包括:支撑单元、承载单元和传感单元，其中，
[0035]所述支撑单元包括:两个拱形结构la、Ib ；
[0036]所述承载单元包括:等强度悬臂梁4和支撑柱5 ；
[0037]所述传感单元包括:光纤光栅6和分离套管9 ；
[0038]该传感器整体呈梭形结构，由两个拱形la、lb对称结构组成，梭形两尖端较细，中间较粗，两尖端的尺寸相比一端较窄一端较宽，所述梭形的尖端较宽一侧连接一等强度悬臂梁4 ;所述等强度悬臂梁4远离根部的位置突起为支撑柱5，该支撑柱5垂直于等强度梁平面且位于整体轴向的中心部位；所述支撑柱顶端设置有通孔3，该梭形的两个尖端对称设置有通孔2a、2b ;等强度的所述悬臂梁上下表面中心靠近根部均轴向设置有凹槽8a、8b ；其中，两个所述凹槽8a、8b内对称粘贴有光纤光栅6 (如图3、4和5所示)；
[0039]所述光纤光栅的栅区的一部分与内径略大于所述光纤光栅直径的分离套管9套接，所述光纤光栅与分离套管套接部分IOa为测温单元，未套接部分IOb为测载荷单元，所述光纤光栅和连同分离套管套接后通过粘胶(502胶)和完全粘贴固定在等强度悬臂梁凹槽内，然后通过环氧胶对光纤光栅和分离套管进行灌封涂覆。
[0040]根据上述实施例一所述的传感器，其中，所述支撑柱5分别距两个所述通孔2a、2b
距离相等。
[0041]此外，所述的两个拱形la、lb、等强度悬臂梁4和支撑柱5由一整体型材切割而成；
[0042]等强度的所述悬臂梁4为等腰三角形简化的结构，呈等腰梯形；
[0043]所述光纤光栅6，采用简便的单光栅分离粘贴技术将光纤光纤光栅6粘贴固定在所述的等强度悬臂梁4上下表面之上，实现柔性绳索载荷、温度同时测量；；
[0044]其中，如图6所不,所述光纤光栅6的栅区的一部分与内径略大于光栅直径的分离套管9套接，该分离套管9是厚度小于100 μ m的薄膜套管，然后整个所述光纤光栅6的栅区连同所述分离套管9粘贴固定在等强度悬臂梁6中部凹槽内。所述光纤光栅与分离套管套接部分IOa为测温单元,未套接部分IOb为测载荷单元。
[0045]其中，如图3所示，所述传感器的梭形的两个尖端和支撑柱5上的通孔2a、2b、3的直径均略大于所测柔性绳索直径；而且均加工有倒角并有一定光滑度要求，所述梭形的尖端一侧的通孔到支撑柱5距离与该通孔到支撑柱5上通孔距离之比为1.08:1?2:1。
[0046]这里以上述实施例一所述的传感器为基础，具体详细说明传感器的结构，该传感器整体的长为44_、宽27.6_、厚5mm,由两个对称的拱形结构la、lb、等强度悬臂梁4、支撑柱5以及上下表面的光纤光栅6组成。
[0047]结合图1至6所示，这里详细说明下，所述传感器的制作及封装方法如下:
[0048]首先，两个拱形la、lb、等强度悬臂梁4和支撑柱5均为一体结构，通过板材或块材切割加工以而成，一体成型，工艺流程短，坚固耐用，无装配应力，整体零部件少，整洁美观。使用弹性合金材料，或其他满足强度、刚度和适用温度要求的高分子、陶瓷等材料制造。
[0049]其次，所述梭形的尖端较宽一侧伸出(切割出)一等强度悬臂梁4，该等强度悬臂梁远离根部的位置突起为支撑柱5，支撑柱5位于基底轴向的中心部位，支撑柱与等强度悬臂梁之间呈曲线无缝连接。等强度悬臂梁根部也进行倒角处理，使连接平滑，等强度悬臂梁根部宽度小于所连接的侧壁宽度，减小应力集中现象，提供足够承载能力。支撑柱顶端距等强度悬臂梁上表面5.5mm处钻有通孔3，所述梭形的两个尖端对称钻有通孔2a、2b。
[0050]第三，通孔2a、2b、3均用于柔性绳索的固定和施力，通孔直径均略大于所测柔性绳索直径。而且均加工有倒角并有一定光滑度要求，防止测量时对柔性绳索造成伤害。
[0051]第四，传感器的等强度悬臂梁4为等腰梯形结构(两腰延长线相交组成等腰三角形)，la、Ib均为拱形结构，能兼承重结构和围护结构的双重作用，不但能够节省材料，减小自重，外形美观，低损耐用，而且使整体结构在使用过程中不会勾挂到工作环境中的其他柔性绳索。
[0052]第五，所述等强度悬臂梁4根部连接在梭形结构尖端较宽的一侧侧壁上，此侧壁也可以通过其他方式加固，目的是梁弯曲时提供足够承载能力。所述等强度悬臂梁4上下表面中心均轴向刻有槽8a、8b，用于对称固定光纤光栅6，并且起到保护光纤光栅的作用(如图5所示)。传感器的悬臂梁4使各个截面的弯曲应力相同，可以避免粘贴固定传感光纤光栅时对具体位置的苛刻要求，减少传感光纤光栅啁啾的可能性，降低封装难度。同时节省材料，最大限度的提高材料的利用率，提高结构的承载力，使结构更加安全，节省空间，降低自重，提高结构的使用性。
[0053]第六，上、下表面光纤光栅6米用简便的单光栅分离粘贴技术,上下两个光纤光栅6均能实现载荷温度双参数传感测量。光纤光栅与一分离套管9套接，连接方式(如图6所示)。分离套管9为PBT、PP、PC、PET、PVC或其他满足所需条件的材料制成，分离套管较柔软，厚度小于100 μ m,内径略大于光栅栅区直径,可以嵌入凹槽8a、8b中。该分离套管通过光纤无FC接头的一端穿入。等强度悬臂梁4中部凹槽8a、8b使用锉刀、纱布等进行打磨，除去锈斑、氧化皮、污垢并满足平整度要求，用浸有丙酮的药棉清洗凹槽，清除油垢灰尘，保持清洁干净。在凹槽内涂覆一层少量502，涂抹均匀并形成薄胶层，然后将光纤光栅的栅区的一部分与分离套管9套接，整体光栅栅区施加预应力，光栅栅区连同分离套管粘贴在凹槽内，待502胶固化后，使用KD504环氧胶对整个光栅栅区连同分离套管进行灌封涂覆，直至环氧胶完全固化。则等强度悬臂梁受力时，套上分离套管9的栅区部分IOa为测温单元，在分离套管内处于自由状态，不受等强度悬臂梁应变影响；无分离套管部分IOb为测载荷单元，固定在等强度悬臂梁表面受到拉伸或压缩。则整个光纤光栅具有两个反射峰，实现载荷和温度的同时测量。环氧胶调和配比时，注意调和均匀并消除气泡。环氧胶涂覆不但可以进一步固定粘贴光纤光栅，而且起到保护光栅的作用，防止其受力断裂。本发明的等强度悬臂梁4上、下表面粘贴固定的光纤光栅为掺锗光纤光栅,两者串接后由同一个输出端输出。
[0054]根据上述实施例和附图的描述，本发明工作原理如下:
[0055]将柔性绳索8依次通过传感器的通孔2a、2b和4。则等强度悬臂梁受力时，与分离套管11套接的栅区部分12a在分离套管内不受等强度悬臂梁应变影响，只反映环境的温度变化，无分离套管部分12b固定在等强度悬臂梁表面受到拉伸或压缩，则整个光纤光栅7具有两个反射峰，分别是温度响应的反射峰X1和应变和温度耦合响应的反射峰λ2。温度变化引起的第一个温度响应反射峰波长漂移为Λ X1，由公式
[0056]
【权利要求】
1.一种实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形的传感器，其特征在于，包括:支撑单元、承载单元和传感单元，其中， 所述支撑单元包括:两个拱形结构组成的梭形结构外框； 所述承载单元包括:等强度悬臂梁和支撑柱； 所述传感单元包括:光纤光栅和分离套管； 该传感器梭形结构外框由两个拱形对称结构组成，所述梭形结构外框两尖端较细，中间较粗，两尖端的尺寸相比一端较窄一端较宽，梭形结构外框的尖端较宽一侧连接一等强度悬臂梁；所述等强度悬臂梁远离根部的位置突起为支撑柱，该支撑柱垂直于等强度悬臂梁平面且位于整体轴向的中心部位；所述支撑柱顶端设置有通孔，该梭形结构外框的两个尖端对称设置有通孔；等强度悬臂梁上下表面中心靠近根部均轴向设置有凹槽；其中，两个所述凹槽内对称粘贴有温度和载荷同时测量的传感单元； 所述光纤光栅采用单光栅分离粘贴技术粘贴固定在等强度悬臂梁凹槽内。
2.如权利要求1所述的实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形传感器，其特征在于，所述支撑柱分别距两个所述通孔距离相等。
3.如权利要求1所述的实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形传感器，其特征在于，所述两个拱形、等强度悬臂梁和支撑柱均为一整体结构切割而成。
4.如权利要求3所述的实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形传感器，其特征在于，所述等强度悬臂梁呈等腰梯形。
5.如权利要求1所述的实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形传感器，其特征在于，所述单光栅分离粘贴技术，进一步为:所述光纤光栅的栅区的一部分与内径略大于所述光纤光栅直径的分离套管套接，所述光纤光栅与分离套管套接部分为测温单元，未套接部分为测载荷单元，所述光纤光栅和连同分离套管套接后通过粘胶完全粘贴固定在等强度悬臂梁凹槽内，然后通过环氧胶对光纤光栅和分离套管进行灌封涂覆。
6.如权利要求1所述的实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形传感器，其特征在于，所述分离套管是厚度小于100 μ m的薄膜套管，其材质采用PBT、PP、PC、PET或PVC。
7.如权利要求1所述的实时监测柔性绳索载荷和温度的梭形传感器，其特征在于，所述传感器的梭形的两个尖端和支撑柱上的通孔的直径均略大于所述所测柔性绳索直径。
【文档编号】G01K11/32GK103528733SQ201310516280
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月28日 优先权日:2013年10月28日
【发明者】刘战伟, 杨洋, 田强, 赵尔强 申请人:北京理工大学