一种光纤光栅传感器及轮胎三向力测量装置的制作方法

本发明涉及传感检测技术领域，更具体地，涉及一种光纤光栅传感器及轮胎三向力测量装置。

背景技术

车辆的载重、牵引、操作所需要的力都发生在轮胎与路面的接触面上，要找到轮胎与路面最有利的接触条件、评定胎面花纹的结构性能、降低胎面磨耗、提高车辆操作稳定性等，都必须分析轮胎接触地面产生的三向力，即牵引力、侧向力、垂直力。

光纤光栅传感器是一种以光为载体、光纤为传播介质来感知和传递外界信号的新型传感器。fbg传感器具有体积小、抗电磁干扰、测量精度高、响应时间短以及可分布式测量以实现远距离的的监测与传输等优点。利用光纤光栅传感器对轮胎进行应力、应变监测已成为重要的一个研究方向。

现有的光纤光栅传感器大多只能测单个方向的力。然而，当汽车接触路面时，轮胎的三向力是同时产生的。测单个方向的力的光纤光栅传感器不满足实际需求，因此需要研究出一种可以同时检测轮胎三个方向力且具有增敏效果的传感器。并且，在测量三向力过程中，由于传感器中光纤光栅大多采用贴片式，其测量精度有待提高。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种光纤光栅传感器及轮胎三向力测量装置，以解决难以同时测量轮胎的三向力、以及测量精度不高的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种光纤光栅传感器，包括接触板、内杆、光纤光栅和基座；所述基座为一端开口的筒状结构，所述内杆位于所述基座内，所述内杆的一端穿过所述基座的开口固定于所述接触板的一侧，另一端固定于第一弹性体内侧，所述第一弹性体固定于与所述基座的底部，所述第一弹性体为两端开口的筒状结构，所述光纤光栅安装在所述内杆和所述基座之间；

所述光纤光栅包括第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅；所述第一光纤光栅沿所述内杆轴线方向延伸设置，且由所述第一弹性体内部穿过；所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅两两相互垂直设置。

进一步地，所述第一弹性体的内径大于所述第一光纤光栅的外径。

进一步地，所述第一弹性体未发生形变时的长度大于所述第一光纤光栅未发生形变时的长度。

进一步地，所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅位于同一平面。

进一步地，所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅的延伸方向分别与所述接触盘的两个受力方向对应。

进一步地，还包括第二弹性体；所述第二弹性体一端连接所述接触板，另一端连接所述基座。

进一步地，所述基座的开口处设有弧形挡板；所述弧形挡板的一侧与所述基座的内壁固定连接，所述弧形挡板的另一侧为内弧面，所述内弧面与所述内杆的侧壁贴合，用于约束所述内杆对所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅产生作用力的方向。

进一步地，所述内弧面的弧度为α，其中，π/2≤α≤π。

进一步地，所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅通过固溶胶粘接在所述内杆和所述基座上。

本发明还提供一种轮胎三向力测量装置，包括上述的光纤光栅传感器。

(三)有益效果

本申请提出的一种光纤光栅传感器及轮胎三向力测量装置，其有益效果主要如下：

本发明的该光纤光栅传感器通过轮胎作用于轮胎接触盘产生三向力，使第一弹性体、第二弹性体产生弯曲、垂直应变，第二光纤光栅和第三光纤光栅受到内杆作用产生拉伸应变，第一光纤光栅受到内杆作用回复拉伸应变状态，从而使三向力通过内杆传至三根光纤光栅上，光纤光栅反射中心波长的光束，形成波长差，能够提高检测的灵敏性和准确性。

根据检测到的中心波长精确测量轮胎产生的三向力，由于三根光纤光栅为悬空夹持，光纤光栅应变受内杆应变影响较小，光纤光栅应变值远大于内杆应变值，具有应变增敏效果，即本传感器可同时检测轮胎三个方向的力，传感器结构具有应变增敏效果。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种光纤光栅传感器的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的一种光纤光栅传感器的全剖示图；

图3为根据本发明实施例的一种光纤光栅传感器图2的a-a剖示图；

图4为根据本发明实施例的一种光纤光栅传感器的结构示意图；

图5为根据本发明实施例的一种光纤光栅传感器的爆炸图；

图中，1-接触盘；2-内杆；3-第二弹性体a；4-第二弹性体b；5-第二弹性体c；6-第二弹性体d；7-第二光纤光栅；8-第三光纤光栅；9-第一光纤光栅；10-第一弹性体；11-基座12-弧形挡板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1所示，本实施例提供一种悬空夹持式的光纤光栅传感器，包括基座11、接触板、内杆2和光纤光栅。基座11具有中空筒状结构，且一端具有开口。内杆2即位于该基座11的中空筒状结构内部。并且，内杆2的一端由基座11的开口穿过，伸出到基座11外部，固定于接触板的一侧。接触板的板面与内杆2呈垂直的状态。内杆2的另一端位于基座11内部，其与第一弹性体10相连，第一弹性体10也位于基座11的内部，且固定于基座11的底部。也即，第一弹性体10位于基座11的底部和内杆2之间。

进一步地，光纤光栅安装在内杆2与基座11之间。具体地，光纤光栅包括第一光纤光栅9、第二光纤光栅7和第三光纤光栅8。第一光纤光栅9沿内杆2的轴线方向延伸设置；并且，第一光纤光栅9由第一弹性体10的内部通过。

第一弹性体10为两端开口的中空筒状结构。第一弹性体10位于基座11内部，第一弹性体10的一端与内杆2连接，另一端固定于基座11的底部。第一光纤光栅9的一端与内杆2的一端连接，其另一端由第一弹性体10的中空筒状结构内部穿过，并由基座11的底部穿过，以连接光纤，输出检测信号。

进一步地，第一光纤光栅9、第二光纤光栅7和第三光纤光栅8两两相互垂直设置。在实际使用过程中，接触盘1平行于地面设置，则内杆2和基座11沿竖直方向设置。轮胎由接触盘1上侧压过，轮胎与接触盘1之间产生三向力：牵引力、侧向力和垂直力。采用两两垂直的三根光纤光栅，即可同时检测牵引力、侧向力和垂直力三个不同方向的力。

具体地，参见图2所示，第一光纤光栅9沿内杆2的轴线方向延伸设置，当内杆2处于竖直方向时，第一弹性体10受内杆2的作用向下发生形变，第一光纤光栅9也处于竖直方向，其随之发生应变量的改变，通过光纤光栅反射中心波长的光束形成波长差，以测量垂直力。同样，第二光纤光栅7和第三光纤光栅8均与第一光纤光栅9垂直，也即，第二光纤光栅7和第三光纤光栅8均沿水平方向设置，当内杆2产生水平方向的侧向力和牵引力时，其使第二光纤光栅7和第三光纤光栅8产生应变量，以用于测量牵引力和侧向力。

在一个具体的实施例中，所述第一弹性体10的内径大于所述第一光纤光栅9的外径。在上述实施例的基础上，本实施例通过使第一弹性体10的内径大于第一光纤光栅9的直径，则第一弹性体10的内壁与第一光纤光栅9的侧壁不接触，避免第一弹性体10对第一光纤光栅9产生其他方向力的影响；使第一光纤光栅9的应变值远大于内杆2的应变，第一光纤光栅9受内杆2的应变影响较小，以提高第一光纤光栅9对垂直力检测的准确性。

在一个具体的实施例中，所述第一弹性体10未发生形变时的长度大于所述第一光纤光栅9未发生形变时的长度。在上述实施例的基础上，本实施例通过使第一光纤光栅9的初始状态处于拉伸状态，当接触盘1受到垂直力的作用，内杆2向下运动，使第一光纤光栅9向未拉伸的光纤光栅原始状态回复。由于第一光纤光栅9安装在内杆2和基座11的底部之间，当第一弹性体未拉伸时的长度大于第一光纤光栅9未拉伸时的长度时，可使内杆与基座底部之间的距离大于第一光纤光栅未拉伸时的长度，从而使第一光纤光栅的初始状态即保持在拉伸状态，进而提高对垂直力检测的灵敏性。

由于光纤光栅在未拉伸的原始状态下，其对拉伸应变敏感而对压缩应变不敏感，若直接对未拉伸状态的光纤光栅施加压力进行压缩，会影响对垂直力检测的灵敏性和准确性。当第一光纤光栅9的初始状态处于拉伸状态时，第一光纤光栅9受垂直力作用而回复到未拉伸的原始状态的过程中，其应变量变化大，能够增强第一光纤光栅9对垂直力检测的灵敏度。

在一个具体的实施例中，所述第二光纤光栅7和所述第三光纤光栅8位于同一平面。在上述各实施例的基础上，本实例通过使第二光纤光栅7和第三光纤光栅8处于同一水平面内，当轮胎与接触盘1接触，其产生的作用力由接触盘1和内杆2向下传递时，位于同一平面且相互垂直设置的第二光纤光栅7和第三光纤光栅8能够提高对侧向力和牵引力检测的准确性。

可以理解的是，参见图3所示，第二光纤光栅7的一端与内杆2的侧壁连接，作为一种具体的实现方式，可由内杆2的侧壁嵌设入内杆2的内部；其另一端穿过基座11的侧壁，与光纤连接，以输出检测信号。第三光纤光栅8的一端与内杆2的侧壁连接，其另一端传感基座11的侧壁，与另一光纤连接，以输出检测信号。优选第二光纤光栅7与第三光纤光栅8的延长线均经过内杆2的中心。

基座11的内径大于内杆2的直径；当第二光纤光栅7和第三光纤光栅8均采用一端与内杆2连接，另一端穿过基座11侧壁的连接方式时，第二光纤光栅7和第三光纤光栅8均为悬空的方式设置，使第二光纤光栅7和第三光纤光栅8在测量牵引力和侧向力的过程中，能够避免内杆2和基座11对光纤光栅额外产生其他方向力的干扰而影响测量结果准确性。

具体地，当轮胎与接触盘1接触，所产生的三向力通过接触盘1和内杆2向下传递，第一光纤光栅9沿内杆2的轴向方向延伸设置，测量三向力中的垂直力，第二光纤光栅7和第三光纤光栅8沿垂直于内杆2的径向方向设置，且第二光纤光栅7和第三光纤光栅8相互垂直设置，用于测量三向力中的牵引力和侧向力。

在一个具体的实施例中，所述第二光纤光栅7和所述第三光纤光栅8的延伸方向分别与所述接触盘1的两个受力方向对应。在上述各实施例的基础上，本实施例通过使第二光纤光栅7和第三光纤光栅8的延伸方向与牵引力和侧向力的方向相对应，使光纤光栅的延伸方向与受力方向一致，以提高对三向力检测的准确性。

例如，使第二光纤光栅7的延伸方向与牵引力的受力方向一致，相应地，使第三光纤光栅8的延伸方向与侧向力的受力方向一致。当内杆2收到力的作用时，能够使第二光纤光栅7和第三光纤光栅8沿受力方向被拉伸而产生应变量，进而检测侧向力和牵引力。

在一个具体的实施例中，参见图4所示，还包括第二弹性体，所述第二弹性体一端连接所述接触板，另一端连接所述基座11。在上述各实施例的基础上，本实施例通过在接触板与基座11之间设置第二弹性体，便于基座11对接触盘1的支撑，以提高对三向力的检测灵敏度。

可以理解的是，由于基座11具有中空结构，在接触盘1与基座11之间设置第二弹性体时，第二弹性可以为多个，沿基座11的周向均匀布置；优选第二弹性体为四个、例如参见图1所示，分别为第二弹性体a3、第二弹性体b4、第二弹性体c5和第二弹性体d6。

在一个具体的实施例中，所述基座11的开口处设有弧形挡板12；所述弧形挡板12的一侧与所述基座11的内壁固定连接，所述弧形挡板12的另一侧为内弧面，所述内弧面与所述内杆2的侧壁贴合，用于约束所述内杆2对所述第二光纤光栅7和所述第三光纤光栅8产生作用力的方向。即弧形挡板12的一侧与底座11的内壁固定连接，另一侧与内杆2的侧壁贴合，弧形挡板12与内杆2贴合的一侧具有弧面；且该弧形挡板各横截面的形状相同。

在上述各实施例的基础上，参见图3所示，本实例通过设置弧形挡板12，设置于基座11的上端开口处，且与基座11固定连接；弧形挡板12沿竖直方向的厚度可根据需要调整，只要能够满足对内杆2运动方向的限制，不会影响第一光纤光栅9和第三光纤光栅8悬空设置的状态即可。与内杆2接触的一侧具有内弧面的结构，便于其与内杆2接触的稳定性。

参见图1所示，当牵引力方向向左时，内杆2受力作用而向左运动，由于基座11是固定的，则使第二光纤光栅7向左拉伸；同时，由于弧形挡板12的作用，内杆2不会发生向右的运动。内弧面的弧度π/2≤α≤π，优选该弧度为π/2，能够避免内杆2朝其他的方向运动。

在一个具体的实施例中，所述第一光纤光栅9、所述第二光纤光栅7和所述第三光纤光栅8通过固溶胶粘接在所述内杆2和所述基座11上。

在一个具体的实施例中，内杆2的一端设置突起，该突起具有外螺纹；相应地，第一弹性体10的一端具有内螺纹；内杆2与第一弹性体10通过螺接固定。

在一个具体的实施例中，基座11的底部设置有凸台；凸台的外侧面形状与第一弹性体10另一端的内侧面的形状相同，使第一弹性体10能够套设在该凸台外侧，以起到第一弹性体10与基座11连接的目的。

可以理解的是，第一弹性体10的侧壁可为镂空的结构，以便于第一弹性体10内部第一光纤光栅9的连接设定。

进一步地，第一弹性体10和第二弹性体均是具有弹性的构件，可以为弹簧钢或其他弹性构件，只要能够满足在受力状态下，能够发生应变量，不会影响光纤光栅对三向力的准确测量即可。

第一弹性体10、第二弹性体结合光纤光栅的设置方式，能够有效提高传感器检测三向力的灵敏度和准确性。具体地，由夹持式光纤光栅的应变传递公式，可得弹性体与光纤光栅的应变关系。该应变传递公式可表述为：

式中：es和ef分别为内杆和光纤的弹性模量；as和af分别为内杆和光纤光栅的横截面面积；p为传感器两固定点之间的轴力；ls与lf分别为内杆固定长度和光纤光栅悬空长度；εs与εf分别为内杆应变和光纤光栅应变。

由公式(3)可得弹性体与光纤光栅的应变关系。其中影响因素为光纤光栅的弹性模量ef，光纤光栅的截面积af，内杆的弹性模量es和内杆的截面积as，因此第内杆与光纤光栅的比值：

εs<<εf(5)

由公式(4)可得：由于光纤光栅的截面积af远小于内杆的截面积as，光纤弹光栅弹性模量也小于内杆弹性模量，相对于光纤光栅，内杆的应变量可以忽略。传感器所承受的外部变形量主要集中在了光纤光栅上，传递率超过100％，具有应变增敏效果。

三根光纤光栅设计成悬空夹持状态，第一弹性体10和第二弹性体可产生一定程度弯曲和垂直应变，对光纤光栅的作用力有机械放大作用。相比于现有的贴片式光纤光栅传感器，该传感器应变传递率更高，光纤应变值远大于传感器接触内杆的应变，具有应变增敏的效果。

由于车辆行驶工况及轮胎材料非线性、几何非线性、接触非线性问题复杂，基座11顶部的弧形挡板12可约束内杆2对第三光纤光栅8和第二光纤光栅7产生作用力的方向，从而测得轮胎的牵引力、侧向力更为准确。

在一个具体的实施例中，还提供一种轮胎三向力测量装置，其包括上述的光纤光栅传感器。将至少一个光纤光栅传感器的检测信号输出，经光纤光栅解调仪转换为电信号以进行三向力的分析。

本发明的光纤光栅传感器及轮胎三向力测量装置，该光纤光栅传感器通过轮胎作用于轮胎接触盘1产生三向力，使第一弹性体10、第二弹性体产生弯曲、垂直应变，第二光纤光栅7和第三光纤光栅8受到内杆2作用产生拉伸应变，第一光纤光栅9受到内杆2作用回复拉伸应变状态，从而使三向力通过内杆2传至三根光纤光栅上，光纤光珊反射中心波长的光束，形成波长差。根据检测到的中心波长精确测量轮胎产生的三向力，由于三根光纤光栅为悬空夹持，光纤光栅应变受内杆应变影响较小，光纤光栅应变值远大于内杆应变，具有应变增敏效果，即本传感器可同时检测轮胎三个方向的力，传感器结构具有应变增敏效果。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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。