一种基于伸缩杆结构的光纤光栅多级称重传感器的制作方法

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及高速公路及铁路等称重领域。涉及一种基于伸缩杆结构的光纤光栅多级称重传感器。

背景技术：

目前，高速公路上国内外应用较为广泛的计重设备按照传感原理可分为：称台式、弯板式、石英式、薄板式计重设备。这些计重设备存在着诸多不足之处，如称台式安装及后期维护复杂、受环境影响大、易受电磁干扰；石英式计重设备在车辆低速行驶时的测量误差较大；弯板式计重设备温度漂移大，受气候、季节影响明显，冬夏更替时需对系统进行标定等。且这些计重设备基本都依赖于传统的电学量测量方法，所测数据受电磁干扰影响较大。

光纤光栅传感器以其体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、灵敏度高等优点成为高速公路计重领域的研究热点。在众多光纤光栅解调方案中，光强解调以其光路简单、传感器易于铺设,输出信号易于检测等优点被广泛应用于实际检测中。但常用的光强解调方案受光纤光栅反射光谱带宽较小，导致其测量范围较小。传统方法为扩大测量范围而将悬臂梁的厚度设计的较大，这种方法实际上降低了传感器的分辨力，不适合实际使用。

falciair和tronoc采用一种弯梁结构，在其上下表面粘贴光纤光栅，实现温度补偿的大应变测量，该大应变基于两点之间距离的变化。微动可调平移台的位移达到14mm(基长190mm)，8mm(基长150mm)，相当于7％和5％的应变。但是这种弯梁结构光栅工作范围过大，不利于解调，也不利于复用，该装置不易实用化。

技术实现要素：

为了解决现有光纤光栅称重系统测量范围小或测量分辨力不足的问题，本发明提出了一种基于伸缩杆结构的光纤光栅多级称重传感器。该传感器设计为多级结构，目前设计为四级，各级悬臂梁分别以一定高度差设置箱体四壁，随载荷质量增大，四级悬臂梁分别工作，实现对大载荷的多级测量，可扩大测量范围，并保证传感器的分辨力。在各级悬臂梁下方设置限位杆，避免各级悬臂梁过载。

为达到上述目的，本发明提出一种基于伸缩杆结构的光纤光栅多级称重传感器，该传感器包括：光源、光分路器、光功率计、双光纤光栅强度解调光路和多级传感箱体结构，所述光源经过光分路器，分别送给双光纤光栅强度解调光路，输出信号为光强，通过光功率计显示读数；多级传感箱体结构的内部结构包括顶部称重板、悬臂梁、悬臂梁位置调节孔、限位杆、悬臂梁紧固件、支撑弹簧和伸缩杆；顶部称重板上部承受载荷，顶部称重板下部边缘通过支撑弹簧固定设置于多级传感箱体结构顶部；悬臂梁为一级以上，每一级悬臂梁分别通过悬臂梁紧固件固定于多级传感箱体结构的设有悬臂梁位置调节孔的不同壁面上，开设悬臂梁位置调节孔便于传感器调试；各级悬臂梁之间的高度差为3.0mm～3.4mm，在该范围内，所述传感器输出光强相对变化量拟合曲线线性度较高。顶部称重板下部设有伸缩杆，伸缩杆与悬臂梁一一对应，并通过伸缩作用于悬臂梁；多级传感箱体结构底部设有限位杆，限位杆与悬臂梁一一对应，悬臂梁与所对应限位杆之间的高度差大于与之相邻级悬臂梁之间的高度差，同时小于该悬臂梁的挠度极限，用于防止悬臂梁过载；

所述双光纤光栅强度解调光路为采用双光纤光栅强度解调方式，每级悬臂梁上、下表面各粘贴一光纤光栅，上、下光纤光栅利用耦合器串联连接，上光纤光栅输出反射光作为下光纤光栅光源，输出信号为光强度信号。施加载荷后，悬臂梁受力形变，上光纤光栅被拉伸，下光纤光栅被挤压，二者反射功率谱分别向相反方向移动，进入光功率计光强信号发生变化从而进行解调。

上述方案中，伸缩杆包括复位弹簧固定磁铁，复位弹簧，外杆，限位弹簧，内杆，套筒，凹槽，限位小球，导轨，外杆内部设置复位弹簧固定磁铁，并用粘合固定，复位弹簧固定磁铁中间开有圆形凹槽，复位弹簧固定端至于凹槽内部，与复位弹簧固定磁铁吸合并粘合固定；限位弹簧与内杆胶粘连接，外杆内壁开有导轨及凹槽，内杆置于外杆内，限位小球位于凹槽内，套筒位于外杆末端。该杆具有伸缩功能，当只有悬臂梁作用于伸缩杆时，伸缩杆受力较小，限位小球卡在凹槽中，内外杆相对位置锁定，当悬臂梁形变接触到限位杆处时，伸缩杆受力较大，限位小球从限位孔中弹出，进入导轨，伸缩杆自动收缩。

上述方案中，多级传感箱体结构的密封方式为胶封方式。

进一步地，所述的悬臂梁为等强度梁，悬臂梁级数为四级，分别安装于箱体四壁。

进一步地，所述悬臂梁紧固件开有通孔及保护垫圈，便于光纤光栅放置和保护。

本发明的有益效果为：

1)本发明提出的基于伸缩杆结构的光纤光栅多级称重传感器，可实现多级传感，载荷质量不同时，相应级别传感结构进入工作状态，测量范围大。

2)本发明提出的基于伸缩杆结构的光纤光栅多级称重传感器，当达到传感结构工作量程上限时，限位杆可保护悬臂梁不过载，多级系统分别工作，使用寿命长。

3)本发明提出的基于伸缩杆结构的光纤光栅多级称重传感器，采用双光纤光栅强度解调方式，输出信号为光强信号，易于处理；且双光纤光栅粘贴于悬臂梁上下两表面，温度漂移使两光纤光栅中心反射波长向相同方向漂移，输出光强度大小基本不变，此解调方式可减小温度漂移对传感器的影响。

4)本发明提出的基于伸缩杆结构的光纤光栅多级称重传感器，结构紧凑，仅用一个光源，易于多路复用。

附图说明

图1为基于伸缩杆结构的光纤光栅多级称重传感器结构示意图，其中，图中序号如下：1光源；2光分路器；3载荷；4多级传感箱体结构；5光功率计；6双光纤光栅强度解调光路。

图2为传感器箱体结构图。其中，图中序号如下:4-1顶部称重板；4-2支撑弹簧；4-3悬臂梁位置调节孔；4-4悬臂梁紧固件；4-5限位杆；4-6悬臂梁；4-7伸缩杆。

图3为双光纤光栅强度解调光路图。其中，图中序号如下：6-1耦合器；6-2上光纤光栅；6-3下光纤光栅；6-4匹配液。

图4为伸缩杆结构图。其中，图中序号如下:复位弹簧固定磁铁4-7-1，复位弹簧4-7-2，外杆4-7-3，限位弹簧4-7-4，内杆4-7-5，套筒4-7-6，凹槽4-7-7，限位小球4-7-8，导轨4-7-9。

图5为第一级传感系统相对光强改变与施加载荷关系及其拟合曲线。

图6为传感器各级载荷响应曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、原理以及优化过程作进一步的详细说明。

(1)工作时上方称重板4-1受载荷重力作用向下运动，与之相连的伸缩杆4-7随之运动。伸缩杆4-7最初处于锁定状态，顶在第一级悬臂梁4-6上，使其形变，粘贴于第一级悬臂梁上的光纤光栅反射光谱发生移动，经过解调光路解调，可计算出载荷质量。

由于各悬臂梁之间高度相差一定距离，伸缩杆规格均相同，故当载荷质量较小时，第2、3、4级悬臂梁没有进入工作状态，而当其解调光路输出光强变化超过δi0时(最小分辨力的2-3倍)，方认为进入工作状态。

(2)为保证每级悬臂梁的测量曲线线性度，我们将每级线性测量上限标定为悬臂梁挠度约为3mm时(悬臂梁的挠度极限为3.56mm，可根据悬臂梁实际参数计算得知)。即：相邻两级悬臂梁高度差约为3mm。当载荷质量较大时，第一级悬臂梁的线性测量范围已达标定上限δi10，此时应使第一级悬臂梁停止工作，使第二级悬臂梁进入工作状态。设计各级悬臂梁下方限位杆与其高度差约为3.5mm(略大于3mm，提供一定裕量，但要小于上限3.56mm)。第一级悬臂梁向下运动接触到限位杆时，使伸缩杆收缩，悬臂梁不再继续形变，第二级悬臂梁此时已处在工作位置。实际载荷对应的光强改变量为第二级悬臂梁当前光强改变量δi2加上第一级悬臂梁在实际设计形变上限(约3mm)时的光强改变量δi10(该数据可经过标定测得)。

(3)若测量范围仍然不够，则可扩大测量范围到第三级或第四级。

(4)当载荷撤离测量系统时，在复位弹簧和支撑弹簧的作用下，使伸缩杆、箱体回到初始位置。

本专利实验设计的各级等强度梁以有机玻璃为材料，相关参数分别为：l＝200mm，b＝40mm，h＝2mm。在各级悬臂梁高度差为3.0mm时，施加0g载荷，经过实验标定，第一级传感器输出光强为i0。对传感器施加0g-400g载荷，每次增加20g，将输出光强改变量δi与i0做比值处理，绘制第一级传感器相对光强改变与载荷关系曲线及其直线拟合曲线如图5所示，线性相关系数0.9956，可以看出相对光强改变量与输入载荷关系曲线线性度良好。当设置第一级悬臂梁与第二级差3.4mm时，可测范围可达到450g，做出第一级传感器相对光强改变与载荷关系曲线及其直线拟合曲线线性相关系数为0.9852，非线性误差相对增大。在各级高度差为3.0mm的条件下，继续对系统施加载荷，每次增加20g，加至1600g，记录每级解调光路输出光强值，绘制传感器载荷响应曲线如图6所示，各级传感器响应曲线线性度均大于0.99。该结果验证了该传感器具有较好的载荷响应性能，可有效扩大测量范围。