一种高精度自温补的光纤光栅转角传感器及其方法技术

本发明专利技术公开了一种高精度自温补的光纤光栅转角传感器及其方法，本发明专利技术通过转角旋转转换元件实现被测量旋转转角与等强度悬臂梁表面应变之间的转变，继而等强度悬臂梁通过得其表面应变影响光纤光栅中心波长的变化，从而构建被测量旋转转角与光纤光栅中心波长的变化之间的对应关系，通过对光纤光栅中心波长变化的分析反演获取被测量旋转转角的测量。本发明专利技术有效的避免了外界温度对于光纤光栅中心波长的影响，使得其具有自温补的特性。

High precision self temperature compensation optical fiber grating angle sensor and method thereof

The invention discloses a high precision self fiber grating angle sensor temperature compensation and method of the invention is realized through the rotation angle conversion element is between the rotating angle and the change of measuring cantilever surface strain, then the cantilever by changing the surface strain effect of fiber grating center wavelength, so as to construct the corresponding the relationship between the rotation angle and the change of the measured wavelength, measured by the rotation angle measurement obtained by analyzing inversion changes on the fiber grating center wavelength. The invention effectively avoids the influence of the external temperature on the central wavelength of the fiber grating, and has the characteristics of self temperature compensation.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高精度自温补的光纤光栅转角传感器及其方法。
技术介绍
光纤光栅传感因其本身所具有的特性，尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，复用性好等独特优点，其在航空航天、大型机电设备，桥梁建筑等各个工程领域广泛应用并发挥重要作用。然而，光纤光栅传感器多用于实现如温度、应变、位移、压力、流量等被测量的测量，但是光纤光栅转角传感器方面的研究及应用很少报道。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种高精度自温补的光纤光栅转角传感器及其方法，本专利技术通过转角旋转转换元件实现被测量旋转转角与等强度悬臂梁表面应变之间的转变，继而等强度悬臂梁通过得其表面应变影响光纤光栅中心波长的变化，从而构建被测量旋转转角与光纤光栅中心波长的变化之间的对应关系，通过对光纤光栅中心波长变化的分析反演获取被测量旋转转角的测量。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高精度自温补的光纤光栅转角传感器，包括转角旋转转换元件、等强度悬臂梁、第一光纤光栅和第二光纤光栅，其中，所述等强度悬臂梁设置于转角旋转转换元件的一侧，所述转角旋转转换元件上设有凹槽，提供被测量旋转转角与等强度悬臂梁表面应变之间的转变通道，第一光纤光栅和第二光纤光栅分别设置于等强度悬臂梁的两个上下表面，等强度悬臂梁通过得其表面应变影响光纤光栅中心波长的变化，以构建被测量旋转转角与光纤光栅中心波长的变化之间的对应关系，通过对光纤光栅中心波长变化的分析反演获取被测量旋转转角的测量。所述凹槽为单圈螺旋形凹槽，以定位导轨等强度悬臂梁与旋转转换元件之间连接线。通过改变单圈螺旋形凹槽的形状尺寸调节该转角传感器旋转转角的检测灵敏度。所述转角旋转转换元件中心设有旋转轴，所述旋转轴将转角旋转转换元件因被测量旋转转角引起的周向行程变化量转换为等强度悬臂梁自由端的挠度变化。所述转角旋转转换元件、等强度悬臂梁、第一光纤光栅和第二光纤光栅外侧设置有保护外壳。所述转角旋转转换元件外侧设置有刻度盘，与转角旋转转换元件独立，实现自我标定与校准。所述保护外壳外侧设置有光纤引出孔，以引出第一光纤光栅和第二光纤光栅的光纤尾纤。基于上述转角传感器的工作方法，通过转角旋转转换元件实现被测量旋转转角与等强度悬臂梁表面应变之间的转变，等强度悬臂梁通过得其表面应变影响光纤光栅中心波长的变化，以构建被测量旋转转角与光纤光栅中心波长的变化之间的对应关系，通过对光纤光栅中心波长变化的分析反演获取被测量旋转转角的测量。两个光纤光栅通过获取其中心波长的差值，消除外界温度对光纤光栅中心波长的影响，以使该传感器具有自温补的特性。所述转角旋转转换元件的周向行程随着外界旋转转角与等强度悬臂梁自由端挠度增加，当外界旋转转角大于2π时，等强度悬臂梁自由端挠度增加恢复到初始状态。转角旋转转换元件因被测量旋转转角引起的周向行程变化量Lθa与被测量旋转转角θ之间的对应关系表示为：式中，r和R分别表示单圈螺旋形凹槽上下平面的半径，H为单圈螺旋形凹槽的轴向高度。旋转轴实现转角旋转转换元件因被测量旋转转角引起的周向行程变化量与等强度悬臂梁自由端的挠度变化之间转换，即等强度悬臂梁自由端的挠度变化y表示为：式中θ的取值范围为2(N-1)π～2Nπ(N是正整数)，r和R分别表示单圈螺旋形凹槽上下平面的半径，H为单圈螺旋形凹槽的轴向高度。等强度悬臂梁自由端挠度的变化导致其上表面应变εu及下表面应变εl变化从而导致核心第一光纤光栅ΔλB1及第二光纤光栅ΔλB2中心波长发生变化，具体表示形式为：式中，λBi(i＝1,2),Pe分别表示第一光纤光栅及第二光纤光栅的初始中心波长与光纤的弹性系数；KT代表光纤光栅温度敏感系数；ΔT表示外界温度的变化。中心波长变化的差值ΔλB与被测量转角之间的对应关系为：因此，通过对光纤光栅中心波长变化的分析反演以获取被测量旋转转角的测量。本专利技术的有益效果为：本专利技术通过转角旋转转换元件实现被测量旋转转角与等强度悬臂梁表面应变之间的转变，继而等强度悬臂梁通过得其表面应变影响光纤光栅中心波长的变化，从而构建被测量旋转转角与光纤光栅中心波长的变化之间的对应关系，通过对光纤光栅中心波长变化的分析反演获取被测量旋转转角的测量。该传感器所构建的为粘接于悬臂梁上下表面光纤光栅中心波长变化差值与外界旋转转角之间的对应关系，有效的避免了外界温度对于光纤光栅中心波长的影响，使得其具有自温补的特性。附图说明图1为该光纤光栅转角传感器的三维结构剖视图。图2(a)(b)(c)为该光纤光栅转角传感器的联动工作原理说明，其中，(a)为旋转转角0°、(b)为旋转转角180°、(c)为旋转转角360°。图3为转角旋转转换元件表面单圈螺旋形凹槽周向行程与被测量旋转转角对应关系的计算模型图。图中：1-转角旋转转换元件，2-等强度悬臂梁，3-核心敏感元件1,4-核心敏感元件2，5-表面刻度盘，6-旋转轴，7-传感器保护外壳，8-固定孔，9-光纤引出孔。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，一种新型高精度自温补的光纤光栅转角传感器，主要由转角旋转转换元件、等强度悬臂梁、表面刻度盘、核心敏感元件两个光纤光栅(核心敏感元件1,核心敏感元件2)、旋转轴，传感器保护外壳，固定孔及光纤引出孔等组成。所述的转角旋转转换元件构建外部旋转角度与等强度悬臂梁自由端挠度之间的数学联系；所述的转角旋转转换元件表面设有单圈螺旋形凹槽，其机械用途为实现等强度悬臂梁与旋转转换元件之间连接线的定位导轨作用，目的在于保证该光纤光栅转角传感器转角测量的周期为2π，作用导致被测量旋转转角与光纤光栅中心波长之间的变化关系并非线性的一次性关系，进一步保证了外界旋转转角与光纤光栅中心波长变化量之间一一对应的关系，有助于提升该传感器的检测灵敏度；所述的单圈螺旋形凹槽可以改变其形状尺寸以调节该转角传感器旋转转角的检测灵敏度；所述的旋转轴将转角旋转转换元件因被测量旋转转角引起的周向行程变化量转换为等强度悬臂梁自由端的挠度变化；所述的表面刻度盘使得该转角传感器具有自我标定与校准功能，而无需借助与其他校准工具；所述的敏感元件光纤光栅实现悬臂梁自由端挠度引起的表面应变与光栅波长之间的转换，建立了外界旋转转角与光栅波长之间的对应关系；所述的敏感元件两个光纤光栅分别粘接于等强度悬臂梁的上下表面，通过获取其中心波长的差值，可使传感器获得自温补的特性；所述的光纤引出孔实现了敏感元件光纤光栅光纤尾纤的引出；传感器测量原理进一步说明如下：该传感器所包含的转角旋转转换元件表面设有单圈螺旋形凹槽，其机械用途为实现等强度悬臂梁与旋转转换元件之间连接线的定位导轨作用。随着外界旋转转角的旋转转换元件的周向行程与等强度悬臂梁自由端挠度增加。当外界旋转转角大于2π时，等强度悬臂梁自由端挠度增加恢复到初始状态。从而保证了该光纤光栅转角传感器转角测量的周期为2π。因此该光纤光栅转角传感器可测量的旋转转角的测量范围为0～2Nπ(N是正整数).转角旋转转换元件因被测量旋转转角引起的周向行程变化量Lθa与被测量旋转转角θ之间的对应关系可表示为：式中，r和R分别表示单圈螺旋形凹槽上下平面的半径，H为单圈螺旋形凹槽的轴向高度。由于旋转轴可实现转角旋转转换元件因被测量旋转转角引起的周向行程变化量与等强度悬臂梁自由端的挠度变化之间转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度自温补的光纤光栅转角传感器，其特征是：包括转角旋转转换元件、等强度悬臂梁、第一光纤光栅和第二光纤光栅，其中，所述等强度悬臂梁设置于转角旋转转换元件的一侧，所述转角旋转转换元件上设有凹槽，提供被测量旋转转角与等强度悬臂梁表面应变之间的转变通道，第一光纤光栅和第二光纤光栅分别设置于等强度悬臂梁的两个上下表面，等强度悬臂梁通过得其表面应变影响光纤光栅中心波长的变化，以构建被测量旋转转角与光纤光栅中心波长的变化之间的对应关系，通过对光纤光栅中心波长变化的分析反演获取被测量旋转转角的测量。

【技术特征摘要】
1.一种高精度自温补的光纤光栅转角传感器，其特征是：包括转角旋转转换元件、等强度悬臂梁、第一光纤光栅和第二光纤光栅，其中，所述等强度悬臂梁设置于转角旋转转换元件的一侧，所述转角旋转转换元件上设有凹槽，提供被测量旋转转角与等强度悬臂梁表面应变之间的转变通道，第一光纤光栅和第二光纤光栅分别设置于等强度悬臂梁的两个上下表面，等强度悬臂梁通过得其表面应变影响光纤光栅中心波长的变化，以构建被测量旋转转角与光纤光栅中心波长的变化之间的对应关系，通过对光纤光栅中心波长变化的分析反演获取被测量旋转转角的测量。2.如权利要求1所述的一种高精度自温补的光纤光栅转角传感器，其特征是：所述凹槽为单圈螺旋形凹槽，以定位导轨等强度悬臂梁与旋转转换元件之间连接线。3.如权利要求1所述的一种高精度自温补的光纤光栅转角传感器，其特征是：通过改变单圈螺旋形凹槽的形状尺寸调节该转角传感器旋转转角的检测灵敏度。4.如权利要求1所述的一种高精度自温补的光纤光栅转角传感器，其特征是：所述转角旋转转换元件中心设有旋转轴，所述旋转轴将转角旋转转换元件因被测量旋转转角引起的周向行程变化量转换为等强度悬臂梁自由端的挠度变化。5.如权利要求1所述的一种高精度自温补的光纤光栅转角传感器，其特征是：所述转角旋转转换元件、等强度悬臂梁、第一光纤光栅和第二光纤光栅外侧设置有保护外...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋善超，辅小荣，何坚强，徐顺清，
申请(专利权)人：盐城工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32