一种具有温度自补偿功能的轮辐式光纤光栅疲劳传感器的制作方法

本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种具有温度自补偿功能的轮辐式光纤光栅疲劳传感器。

背景技术：

在疲劳试验机中，常用的疲劳传感器主要为电测类传感器，电测类传感器大多采用电阻应变式的变换原理，通过施加载荷使传感器的弹性体发生形变，进而产生表面应变，再经电阻应变片对应变进行感应测量，最后将电阻应变片的变化量转换成电信号进行输出。

虽然电测类传感器具有动态响应好、灵敏度高的特点，但是，由于应变片接桥电路过于复杂，容易受到电磁干扰的影响，并且传感器在经过长期使用后，应变片的引线和敏感栅也易发生疲劳破坏，导致传感器的长期测量稳定性较差。

光纤光栅作为一种新型的无源传感器元器件，其具有绝缘性好、电无源、抗电磁干扰能力强、疲劳性好、波长绝对编码等优良特性，已在很多领域得到了广泛应用。尽管光纤光栅传感器可对应变、温度以及其他物理参量的测量，但是光纤光栅传感器在实际应用过程中，应变和温度会同时导致光纤光栅的中心波长发生漂移，使得无法对测量结果进行区分，从而导致温度-应变交叉敏感问题，该问题一直影响着光纤光栅在传感器领域的应用。

以现有的轮辐式光纤测力传感器为例，传感器中一般使用两支光栅，两支光栅的粘贴位置均在弹性体的轮辐侧面且相对分布，第一支光栅用于感应拉应变，第二支光栅用于感应压应变，但是，在传统的弹性体结构设计中，仅能保证受拉方向的应变较为均匀，而无法保证受压方向应变的均匀性，而应变的不均匀性会导致光栅反射光谱产生裂变，因此会严重影响传感器的测量精度。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种具有温度自补偿功能的轮辐式光纤光栅疲劳传感器，结构简单，无需额外的温度传感器进行辅助就可实现温度的自补偿，能够有效解决温度-应变交叉敏感问题，可有效提高传感器的测量精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种具有温度自补偿功能的轮辐式光纤光栅疲劳传感器，包括弹性体和光纤光栅，所述弹性体由轮缘、轮毂及轮辐构成，轮缘和轮毂均为圆环形结构，轮缘位于轮毂外侧，轮缘与轮毂同心设置；所述轮辐数量为四根，四根轮辐均布在轮缘与轮毂之间，轮缘与轮毂通过轮辐相固连；在所述轮缘上设置有若干外周螺孔通孔，若干外周螺孔通孔呈圆周均布设置，每个外周螺孔通孔均配套设有一根紧固螺栓，所述弹性体通过紧固螺栓与疲劳试验机的安装底座相固连；在所述轮毂的圆心处开设有中心螺纹通孔，疲劳试验机的连接头与中心螺纹通孔配合连接；所述光纤光栅包括三支光栅，三支光栅分别记为①号光栅、②号光栅及③号光栅，且三支光栅串联在一根光纤中；所述四根轮辐分别记为①号轮辐、②号轮辐、③号轮辐及④号轮辐，①号轮辐、②号轮辐、③号轮辐及④号轮辐顺序排列，①号轮辐与③号轮辐之间相差180°相位角，②号轮辐与④号轮辐之间相差180°相位角；所述①号光栅粘贴在①号轮辐的前侧表面，所述②号光栅粘贴在③号轮辐的后侧表面；所述③号光栅粘贴在②号轮辐或④号轮辐的上表面中部。

所述①号光栅与②号光栅的粘贴方向相同，均在受拉应变方向上，并且与中性层呈45°角。

所述③号光栅的粘贴方向与②号轮辐或④号轮辐的长度方向相垂直，且③号光栅的粘贴厚度大于1mm。

所述①号光栅的中心波长大于②号光栅的中心波长，且①号光栅与②号光栅之间的中心波长差大于等于3nm且小于20nm；所述②号光栅的中心波长大于③号光栅的中心波长，且②号光栅与③号光栅之间的中心波长差大于等于3nm且小于20nm。

所述①号光栅、②号光栅及③号光栅均采用光纤bragg光栅。

所述①号光栅与①号轮辐之间、②号光栅与③号轮辐之间、③号光栅与②号轮辐或④号轮辐之间的粘贴方式均为胶粘方式。

本发明的有益效果：

本发明提供一种具有温度自补偿功能的轮辐式光纤光栅疲劳传感器，结构简单，无需额外的温度传感器进行辅助就可实现温度的自补偿，能够有效解决温度-应变交叉敏感问题，可有效提高传感器的测量精度。本发明与传统的电测类传感器相比，不易受到电磁干扰，且长期稳定性好。

附图说明

图1为本发明的一种具有温度自补偿功能的轮辐式光纤光栅疲劳传感器的结构示意图；

图2为图1中a-a剖视图；

图中，1—轮缘，2—轮毂，3—轮辐，4—外周螺孔通孔，5—中心螺纹通孔，6—①号光栅，7—②号光栅，8—③号光栅。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种具有温度自补偿功能的轮辐式光纤光栅疲劳传感器，包括弹性体和光纤光栅，所述弹性体由轮缘1、轮毂2及轮辐3构成，轮缘1和轮毂2均为圆环形结构，轮缘1位于轮毂2外侧，轮缘1与轮毂2同心设置；所述轮辐3数量为四根，四根轮辐3均布在轮缘1与轮毂2之间，轮缘1与轮毂2通过轮辐3相固连；在所述轮缘1上设置有若干外周螺孔通孔4，若干外周螺孔通孔4呈圆周均布设置，每个外周螺孔通孔4均配套设有一根紧固螺栓，所述弹性体通过紧固螺栓与疲劳试验机的安装底座相固连；在所述轮毂2的圆心处开设有中心螺纹通孔5，疲劳试验机的连接头与中心螺纹通孔5配合连接；所述光纤光栅包括三支光栅，三支光栅分别记为①号光栅6、②号光栅7及③号光栅8，且三支光栅串联在一根光纤中；所述四根轮辐3分别记为①号轮辐、②号轮辐、③号轮辐及④号轮辐，①号轮辐、②号轮辐、③号轮辐及④号轮辐顺序排列，①号轮辐与③号轮辐之间相差180°相位角，②号轮辐与④号轮辐之间相差180°相位角；所述①号光栅6粘贴在①号轮辐的前侧表面，所述②号光栅7粘贴在③号轮辐的后侧表面；所述③号光栅8粘贴在②号轮辐或④号轮辐的上表面中部。

所述①号光栅6与②号光栅7的粘贴方向相同，均在受拉应变方向上，并且与中性层呈45°角。

所述③号光栅8的粘贴方向与②号轮辐或④号轮辐的长度方向相垂直，且③号光栅8的粘贴厚度大于1mm。

所述①号光栅6的中心波长大于②号光栅7的中心波长，且①号光栅6与②号光栅7之间的中心波长差大于等于3nm且小于20nm；所述②号光栅7的中心波长大于③号光栅8的中心波长，且②号光栅7与③号光栅8之间的中心波长差大于等于3nm且小于20nm。

所述①号光栅6、②号光栅7及③号光栅8均采用光纤bragg光栅。

所述①号光栅6与①号轮辐之间、②号光栅7与③号轮辐之间、③号光栅8与②号轮辐或④号轮辐之间的粘贴方式均为胶粘方式。

当传感器的弹性体受到垂直施加的载荷时，①号光栅6与②号光栅7同时受到应变和温度的影响，且①号光栅6与②号光栅7的对称布置方式有效消除了偏心载荷的影响；对于③号光栅8来说，由于③号光栅8粘贴在②号轮辐或④号轮辐的上表面中部，且粘贴方向与②号轮辐或④号轮辐的长度方向相垂直，经仿真分析可知，轮辐3上表面中部产生的应变极小，同时粘贴厚度大于1mm，且厚度越大应变传递率也越低，因此③号光栅8对应变不敏感，其只受温度的影响。

当一束光进入光纤后，会沿着光纤进入①号光栅6、②号光栅7及③号光栅8中，根据弹性体的特性和光纤光栅模式耦合理论可知：

①号光栅6同时受温度和应变的影响，其中心波长的漂移量如式(1)：

②号光栅7同时受温度和应变的影响，其中心波长的漂移量如式(2)：

③号光栅8仅受温度的影响，其中心波长的漂移量如式(3)：

式中：δλ1为①号光栅6的中心波长的漂移量，δλ2为②号光栅7的中心波长的漂移量，δλ3为③号光栅8的中心波长的漂移量，λ1为①号光栅6的中心波长，λ2为②号光栅7的中心波长，λ3为③号光栅8的中心波长，为由应变引起的①号光栅6的中心波长漂移量，为由温度引起的①号光栅6的中心波长漂移量，为由应变引起的②号光栅7的中心波长漂移量，为由温度引起的②号光栅7的中心波长漂移量，为由温度引起的③号光栅8的中心波长漂移量，δt为温度变化量，均为常数，pe为有效弹光系数；

对式(1)、(2)和(3)进行联立，消去δt，则可得式(4)：

(4)

对轮辐3进行受力分析可得轮辐侧面的剪切应变为式(5)：

(5)

式中：δε为轮辐侧面的剪切应变，μ为弹性体材料泊松比，f为施加的力，e为弹性模量，a为轮辐横截面积；

将式(5)带入式(4)中，可得中心波长漂移量与施加的力之间的关系，如式(6)：

(6)

可见，经过上述的推导过程，就可以很容易消除温度变化对应变测量的影响了。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。