一种光纤光栅微位移传感器及带有该传感器的机床立柱的制作方法

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤光栅微位移传感器及带有该传感器的机床立柱。

背景技术：

在科学研究与工程实践中，位移测量技术的应用非常广泛，现有的可进行连续监测的位移测量技术主要包括电容式或电感式等电类位移测量技术、激光位移传感器和激光干涉仪等激光位移测量技术，这些传感器的位移测量精度都可以达到微米级，在科学研究与工程实践中发挥着重要作用。但是电类位移测量技术的环境适应性较差，特别是在强电磁辐射环境中，其测试精度和信噪比会大大降低。激光位移测量传感器价格昂贵，且对环境的洁净度要求高，无法在粉尘等环境中实现位移的高精度测量。

光纤光栅是一种新型光纤传感无源器件，具有体积小、重量轻、精度高、耐腐蚀、防爆、对电绝缘、抗电磁干扰、环境适应性好等优点，且可实现多点多参数的分布式测量和长期远程状态监测，因此在许多工程技术领域得到越来越广泛的应用。目前，有大量的科研工作人员和工程技术人员研发出了不同形式的光纤光栅位移传感器。英国Smart Fiber公司研发的SmartBridge光纤光栅位移传感器的位移测量精度仅为0.05mm(https://www.smartfibres.com/FBG-sensors)；美国MOI(Micron optics)公司研发的OS5100型光纤光栅位移传感器的位移测量精度为0.03mm(http://www.micronoptics.com/)；在光纤光栅解调仪的解调精度为±1pm的前提下，Changyu Shen等人研发了两种悬臂梁型光纤光栅位移传感器，测量精度分别为±20微米和±4微米(文献“Novel temperature-insensitive fiber Bragg grating sensor for displacement measurement”，源自期刊“Sensors and Actuators A：Physical”第170卷，2011年；文献“A Displacement Sensor Based on a Temperature-Insensitive Double Trapezoidal Structure With Fiber Bragg Grating”，源自期刊“IEEE sensors journal”第12卷第5期，2012年)；Sitong Tao等人则设计了一种薄壁环形光纤光栅温度传感器，测量精度达到±2微米(文献“Temperature-insensitive fiber Bragg grating displacement sensor based on a thin-wall ring”，源自期刊“Optics Communications”第372卷，2016年)。

专利号为ZL200910026385.8的发明专利，公布了一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，通过弹簧拉伸或压缩两只光纤光栅(细金属管封装)，采用了中间弹性体，其灵敏度和测试精度被降低；专利号为ZL201010127525.3的发明专利，公布了一种超精密光纤光栅位移传感器，是以平行片簧为导轨的筒状光纤光栅位移传感器，可以实现微米级以及纳米级位移的测量，但是无温度补偿措施，且结构复杂，长期可靠性存在问题。因此，设计一种结构简单，工作可靠，温度自补偿的高精度光纤光栅微位移传感器，以满足恶劣工程应用环境中微小位移的长期可靠监测是亟待解决的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单，工作可靠，能满足恶劣的工程应用环境，且易于进行系列化大批量生产的光纤光栅微位移传感器及带有该传感器的机床立柱。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种光纤光栅微位移传感器，包括底板、两个侧板、光纤固定台、插销、环体、单模光纤、光纤光栅和顶针；

两个侧板分别固定设置在底板的两侧，且与底板垂直设置，底板的一端伸出侧板外，并连接光纤固定台，光纤固定台与底板的一端垂直连接；

插销垂直且转动连接在底板上，插销与底板转动连接，插销的一端固定设有环体，环体上靠近光纤固定台的一端设有连杆，连杆与底板平行设置，连杆的一端与环体固定连接，连杆的另一端向光纤固定台延伸，且设有顶针，顶针的一端与连杆的另一端垂直固定连接，另一端向侧板方向延伸，并伸出侧板外；

单模光纤的中部环绕环体远离光纤固定台的一侧设置，并与环体固定连接，其两端向光纤固定台延伸，并与光纤固定台固定连接，单模光纤的两侧分别设有光纤光栅，单模光纤与底板平行设置。

本发明的有益效果是：本发明的一种光纤光栅微位移传感器，结构简单，工作可靠，能满足恶劣的工程应用环境，且易于进行系列化大批量生产，且能测量微米级和纳米级位移，并能连续长期监测，具有较好的温度补偿效果。

进一步：两个光纤光栅以环体为中心对称设置。

上述进一步方案的有益效果是：检测准确。

进一步：底板为长方形，插销设置在底板长度方向的中心线上。

上述进一步方案的有益效果是：传感器测量精密。

进一步：连杆靠近光纤固定台一端的两侧分别设有弹簧，弹簧与底板平行设置，弹簧的一端与连杆固定连接，另一端与对应的侧板固定连接。

上述进一步方案的有益效果是：两个弹簧的拉伸或者压缩形变相同，检测准确。

进一步：单模光纤的两端通过粘接剂与光纤固定台固定连接；单模光纤的中部通过粘接剂与环体固定连接。

上述进一步方案的有益效果是：结构简单，连接稳定。

进一步：底板上设有方便安装传感器的螺栓孔。

上述进一步方案的有益效果是：方便安装传感器。

进一步：顶针的另一端设有硬质测头。

上述进一步方案的有益效果是：检测可靠。

进一步：一种带有该传感器的机床立柱，包括机床立柱本体、光纤光栅微位移传感器和碳纤维管；机床立柱本体竖直设置，光纤光栅微位移传感器固定设置在机床立柱本体侧面的上端，且光纤光栅微位移传感器中的顶针竖直朝下设置，机床立柱本体的侧面下端设有竖直向上设置的碳纤维管，碳纤维管的下端与机床立柱本体固定连接，上端与顶针固定连接。

上述进一步方案的有益效果是：用于在线测量机床立柱本体在内外热源作用下的微小热伸长量，对机床在竖直方向上的热误差进行实时补偿，提高机床的加工精度。

附图说明

图1为本发明的传感器的结构示意图；

图2为本发明的传感器爆炸图的结构示意图；

图3为本发明的机床立柱的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、底板，2、侧板，3、光纤固定台，4、插销，5、环体，6、单模光纤，7、顶针，8、连杆，9、光纤光栅，10、弹簧，11、粘接剂，12、硬质测头，13、机床立柱本体，14、碳纤维管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图3所示，一种光纤光栅微位移传感器，包括底板1、两个侧板2、光纤固定台3、插销4、环体5、单模光纤6、光纤光栅9和顶针7；

两个侧板2分别固定设置在底板1的两侧，且与底板1垂直设置，底板1的一端伸出侧板2外，并连接光纤固定台3，光纤固定台3与底板1的一端垂直连接；

插销4垂直且转动连接在底板1上，插销4的上端固定设有环体5，环体5上靠近光纤固定台3的一端设有连杆8，连杆8与底板1平行设置，连杆8的一端与环体5固定连接，连杆8的另一端向光纤固定台3延伸，且设有顶针7，顶针7的一端与连杆8的另一端垂直固定连接，另一端向侧板2方向延伸，并伸出侧板2外；

单模光纤6的中部环绕环体5远离光纤固定台3的一侧设置，并与环体5固定连接，其两端向光纤固定台3延伸，并与光纤固定台3固定连接，单模光纤6的两侧分别设有光纤光栅9，单模光纤6与底板1平行设置。

本发明的一种光纤光栅微位移传感器，结构简单，工作可靠，能满足恶劣的工程应用环境，且易于进行系列化大批量生产，且能测量微米级和纳米级位移，并能连续长期监测，具有较好的温度补偿效果。

两个光纤光栅9以环体5为中心对称设置；检测准确。

底板1为长方形，插销4设置在底板1长度方向的中心线上；传感器测量精密。

连杆8靠近光纤固定台3一端的两侧分别设有弹簧10，弹簧10与底板1平行设置，弹簧10的一端与连杆8固定连接，另一端与对应的侧板2固定连接；两个弹簧10的拉伸或者压缩形变相同，检测准确。

单模光纤6的两端通过粘接剂11与光纤固定台3固定连接；单模光纤6的中部通过粘接剂11与环体5固定连接；结构简单，连接稳定。

底板1上设有方便安装传感器的螺栓孔；方便安装传感器。

顶针7的另一端设有硬质测头12；检测可靠。

一种带有该传感器的机床立柱，包括机床立柱本体13、光纤光栅微位移传感器和碳纤维管14；机床立柱本体13竖直设置，光纤光栅微位移传感器固定设置在机床立柱本体13侧面的上端，且光纤光栅微位移传感器中的顶针7竖直朝下设置，机床立柱本体13的侧面下端设有竖直向上设置的碳纤维管14，碳纤维管14的下端与机床立柱本体13固定连接，上端与顶针7固定连接；用于在线测量机床立柱本体13在内外热源作用下的微小热伸长量，对机床在竖直方向上的热误差进行实时补偿，提高加床的加工精度。

本发明的原理为，连杆8和环体5组成杠杆机构，环体5的半径为r，连杆8形成的有效旋转半径为R，两个光纤光栅9各自的两端固定距离均为L,当顶针7产生微位移d时，则其中一个光纤光栅9产生应变ε₁＝rd/RL，另一个光纤光栅9产生大小相同，正负相反的压缩应变ε₂＝-rd/RL。若环境温度的变化量为ΔT,则所示的其中一个光纤光栅9和另一个光纤光栅9的中心波长漂移Δλ₁和Δλ₂分别可以表示为：

上式中,λ₁和λ₂分别为其中一个光纤光栅9和另一个光纤光栅9的中心波长初始值，α_f、ξ_f和P_e分别代表单模光纤6的热膨胀系数、热光系数和有效弾光系数，一般取值分别为0.5x10-6/℃、7.5x10-6/℃和0.22。将ε₁＝rd/RL和ε₂＝-rd/RL分别代入上式，则可以得到：

因此，通过差分求解可排除环境温度变化ΔT的影响，获得微位移量d的准确大小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。