一种基于双孔悬臂梁的FBG拉力传感器的制作方法

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于双孔悬臂梁的FBG拉力传感器。

背景技术：

相比于传统的电阻应变式传感器，光纤布拉格光栅(FiberBragg Grating，FBG)应力传感器具有绝缘性能好、抗电磁干扰，借助于光纤复合架空地线作时不需要现场电源等优点，在输电线路状态监测方面具有广泛的应用前景。

目前FBG拉力传感器多采用弹性梁结构，将光纤光栅粘贴在弹性梁上，弹性梁受到应力产生微小形变，从而使光纤光栅改变中心波长。但是弹性梁结构的拉力传感器，会因受到风舞或制作工艺等影响，导致待测拉力的作用方向发生偏移，对测量数据造成较大的误差，从而对后续的数据分析处理造成困难。目前并没有一种可以有效并且安全的测量塔线因覆冰情况影响受力的光纤光栅传感器，为了更好地监测输电线路导线的覆冰情况，本实用新型提出一种新型FBG拉力传感器。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种基于双孔悬臂梁的FBG拉力传感器，用于更好地监测输电线路导线的覆冰情况。

本实用新型的技术方案如下：一种基于双孔悬臂梁的FBG拉力传感器，包括双孔平行梁1，所述双孔平行梁1包括上平行梁1.1、下平行梁1.2，上平行梁1.1和下平行梁1.2之间为梁体1.3，所述梁体1.3上设有两个双孔；所述双孔平行梁1的双孔上下两边内部分别粘贴有光纤光栅4，且其中一个双孔内部向外钻一个光纤导出通道5引出光纤3，所述上平行梁、下平行梁边缘均设有保险活塞孔7，保险螺栓6穿过保险活塞孔固定在梁体1.3上；所述上平行梁1.1和下平行梁1.2的外侧均设有固定挂扣2作为传感器与待测拉力的连接部件。

进一步地，所述保险活塞孔7的孔径大于保险螺栓6栓体的直径，且小于保险螺栓6栓帽的直径。

进一步地，所述固定挂扣2形状为U形，材质为高强度合金钢。

进一步地，所述固定挂扣2设置在双孔平行梁1的中轴线上，双孔平行梁1的材质为高强度合金钢。

本实用新型还提供基于所述拉力传感器测试拉力的方法，所述方法步骤如下：

A、将覆冰后待测拉力的输电塔线连接至FBG拉力传感器的上下两端固定挂扣2上，双孔平行梁1产生形变，使光纤光栅4受到应力，改变光纤光栅4中心波长；

B、将光纤3连接上解调模块与上位机软件，解调模块解调出光纤光栅4中心波长，上位机软件计算出拉力的数值。

进一步地，所述双孔平行梁双孔内部上下两侧是应力曲线最密集的地方，也是产生最大形变量的区域，载荷对平行梁的作用力大小等于载荷拉力F，由理论力学平移定理，偏离称台中心位置(x，y)的载荷F对弹性元件的作用效果等于一个平移作用于中心点的力F0和因平移产生的力矩Mx＝xG,My＝yG独立作用的叠加；其中F0的作用效果在上下梁包括弯矩、剪力和轴力，其中剪力与轴力相对很小，梁的应变主要来自弯矩；

由材料力学知识可知，弯矩M引起的形变为

ε＝yM/(EIy) (1)

其中y为考察点相对与中性面的高度；E为弹性元件材料的杨氏模型；Iy为考察点所在截面的弹性矩；

设光纤光栅的安装处的厚度为h，由于上下梁弯矩分布相同，大小水平对称分布，各贴光栅弯矩为：MF1＝MF3＝-FL/2,MF2＝MF4＝FL/2,L为双孔结构的有效计算长度；Mx的作用效果弯矩为载荷在x轴方向上偏离距离x的函数，上下梁对称分布：Mx1(x)＝-Mx3(x)；Mx2(x)＝-Mx4(x)；My的作用效果为使梁在垂直与x轴的方向上扭转，光栅贴附在梁厚度方向的中心平面上时不会因My产生形变，各光栅贴附处的弯矩为F0和Mx的总和：

Mi＝MF0i+MXi(x)，i＝1,2,3,4 (2)

由于孔内各光栅贴附的点：y1＝y2＝-h/2,y3＝y4＝h/2,Iy＝bh³/12，其中h为双孔结构应变集中点的厚度；b为平行梁的厚度。带入式(1)和(2)式得出各光栅贴附处的载荷引起的形变量为：

光纤光栅随双孔平行梁形变，载荷引起的光栅形变量即为ε，它和测量过程中温度变化ΔT引起Bragg波长λB的移位量ΔλB为如式(4)所示：

式中,αf是光纤的热膨胀系数；ξ是光纤材料的热光系数；Pe是光纤材料的弹光系数。式(4)中，第二项中载荷引起形变量ε与载荷放置位置x有关，第一项与环境温度△T有关；其中环境温度的影响可以通过将光栅1与2,3与4的波长移位相减来消除；

再对Δλ12Δλ34求差值，并将各形变量ε以(3)式代入，得到复合波长变化量Δλ，它同载荷量F成线性变化关系，而与载荷位置和温度无关，见式(6)；

Δλ＝Δλ12-Δλ34＝12FλB(1-Pe)/(bh²E) (6)

由式(6)整理得到拉力的计算公式如式(7)所示：

本实用新型的工作原理是：本实用新型将四个光纤光栅4分别粘贴放置在高强度合金钢双孔平行梁1的双孔上下两边内部，在高强度合金钢双孔平行梁1其中一个双孔内部向外钻一个光纤导出通道5引出光纤3，由此构成传感器敏感元件结构。在高强度合金钢双孔平行梁2上下两边固定高强度合金挂扣2，作为传感器与待测拉力的连接部件。高强度合金钢固定挂扣2要求为细长型，高强度合金钢固定挂扣2的顶端为弧度较大的弧形。两个高强度合金钢固定挂扣2放置在传感器中轴线的两端上。以此保证待测拉力连接传感器的上下两端高强度合金钢固定挂扣2时，待测拉力的作用方向与作用位置与传感器中轴重合，提高传感器的测量准确度。

高强度合金钢保险螺栓6的螺纹端穿过保险活塞孔7并垂直拧入高强度合金钢双孔平行梁1的梁体，高强度合金钢保险螺栓6的螺帽端在满足传感器满量程形变的情况下适当高于保险活塞孔7，由此构成传感器的保险装置。高强度合金钢保险螺栓6的螺帽端在满足传感器满量程形变的情况下适当高于保险活塞孔7。保险活塞孔7要求适当大于高强度合金钢保险螺栓6的主杆并小于高强度合金钢保险螺栓6的螺帽，以此保证待测应力在量程范围内的时候，保险装置不会影响高强度合金钢双孔平行梁1的安全形变。此保险装置保证了本传感器作为输电塔线结构中的部件之一，在受到超出安全测量范围的拉力的情况下，待测拉力结构的安全性以及传感器的使用寿命。

本实用新型将传基于双孔悬臂梁的FBG拉力传感器的光纤3连接至解调模块，再将待测拉力连接至传感器上下高强度合金钢挂扣上2，高强度合金钢双孔平行梁1收到拉力产生形变，由于高强度合金钢双孔平行梁1的双孔内部上下两侧是应力曲线最密集的地方，因此将光纤光栅4粘贴放置此处，光纤光栅4受到应力，导致光栅的周期发生变化，改变了中心波长，经由解调模块计算测得拉力的数值。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型提出了一种新型FBG拉力传感器结构，可以更加安全有效的监测输电线路导线的覆冰情况。

2、由于本实用新型采用了双孔悬臂梁结构，可以有效消除应力位置偏移造成的误差。以及可以有效消除温度对拉力传感器造成的影响。

3、光纤光栅应力传感器具有绝缘性能好、抗电磁干扰，借助于光纤复合架空地线作时不需要现场电源等优点。

4、本实用新型中由高强度合金钢螺栓与保险活塞孔构成的保险装置，保证了传感器在受到高于安全范围的应力时，塔线结构的安全性以及传感器的安全性。为输电塔线提供了安全保障并延长了传感器的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的纵向剖视图；

图中标记：1-双孔平行梁、2-固定挂扣、3-光纤、4-光纤光栅、5-光纤导出通道、6-保险螺栓、7-保险活塞孔、1.1-上平行梁，1.2-下平行梁，1.3-梁体。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例，对于本实用新型的技术方案的作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1所示，所述基于双孔悬臂梁的FBG拉力传感器，包括双孔平行梁1，所述双孔平行梁1包括上平行梁1.1、下平行梁1.2，上平行梁1.1和下平行梁1.2之间为梁体1.3，所述梁体1.3上设有两个双孔；其特征在于，所述双孔平行梁1的双孔上下两边内部分别粘贴有光纤光栅4，且其中一个双孔内部向外钻一个光纤导出通道5引出光纤3，所述上平行梁、下平行梁边缘均设有保险活塞孔7，保险螺栓6穿过保险活塞孔固定在梁体1.3上；保险活塞孔7的孔径大于保险螺栓6栓体的直径，且小于保险螺栓6栓帽的直径。双孔平行梁1、保险螺栓和保险活塞孔的材质均为高强度合金钢。

所述上平行梁1.1和下平行梁1.2的外侧均设有固定挂扣2作为传感器与待测拉力的连接部件所述固定挂扣2形状为U形，材质为高强度合金钢。固定挂扣2设置在双孔平行梁1的中轴线上。

实施例2

所述拉力传感器能够测量塔线因覆冰情况影响时的拉力。具体实现包括以下步骤：

A、将待测拉力连接至双孔悬臂梁的FBG拉力传感器的上下两端高强度合金钢固定挂扣2，高强度合金钢双孔平行梁1产生形变，使光纤光栅4受到应力，改变光纤光栅4中心波长。将基于双孔悬臂梁的FBG拉力传感器的光纤3连接上解调模块与上位机软件。

B、解调模块解调出光纤光栅4中心波长，上位机软件计算出拉力的数值。

悬臂梁式双孔平行梁是一种典型高精度小量程测力传感器的弹性元件，其双孔内部上下两侧是应力曲线最密集的地方，也是产生最大形变量的区域。载荷对平行梁的作用力大小等于载荷拉力F，由理论力学平移定理，偏离称台中心位置(x，y)的载荷F对弹性元件的作用效果等于一个平移作用于中心点的力F0和因平移产生的力矩Mx＝xG,My＝yG独立作用的叠加；其中F0的作用效果在上下梁包括弯矩、剪力和轴力，其中剪力与轴力相对很小，梁的应变主要来自弯矩；

由材料力学知识可知，弯矩M引起的形变为

ε＝yM/(EIy) (1)

其中y为考察点相对与中性面的高度；E为弹性元件材料的杨氏模型；Iy为考察点所在截面的弹性矩；

设光纤光栅的安装处的厚度为h，由于上下梁弯矩分布相同，大小水平对称分布，各贴光栅弯矩为：MF1＝MF3＝-FL/2,MF2＝MF4＝FL/2,L为双孔结构的有效计算长度；Mx的作用效果弯矩为载荷在x轴方向上偏离距离x的函数，上下梁对称分布：Mx1(x)＝-Mx3(x)；Mx2(x)＝-Mx4(x)；My的作用效果为使梁在垂直与x轴的方向上扭转，光栅贴附在梁厚度方向的中心平面上时不会因My产生形变，各光栅贴附处的弯矩为F0和Mx的总和：

Mi＝MF0i+MXi(x)，i＝1,2,3,4 (2)

由于孔内各光栅贴附的点：y1＝y2＝-h/2,y3＝y4＝h/2,Iy＝bh³/12，其中h为双孔结构应变集中点的厚度；b为平行梁的厚度。带入式(1)和(2)式得出各光栅贴附处的载荷引起的形变量为：

光纤光栅随双孔平行梁形变，载荷引起的光栅形变量即为ε，它和测量过程中温度变化ΔT引起Bragg波长λB的移位量ΔλB为如式(4)所示：

式中,αf是光纤的热膨胀系数；ξ是光纤材料的热光系数；Pe是光纤材料的弹光系数。式(4)中，第二项中载荷引起形变量ε与载荷放置位置x有关，第一项与环境温度△T有关；其中环境温度的影响可以通过将光栅1与2,3与4的波长移位相减来消除；

再对Δλ12Δλ34求差值，并将各形变量ε以(3)式代入，得到复合波长变化量Δλ，它同载荷量F成线性变化关系，而与载荷位置和温度无关，见式(6)；

Δλ＝Δλ12-Δλ34＝12FλB(1-Pe)/(bh²E) (6)

由式(6)整理得到拉力的计算公式如式(7)所示：