吳麗雙

(泉州師范學(xué)院物理與信息工程學(xué)院，福建泉州362000)

1 引言

光纖傳感器具有靈敏度高、隱蔽性好、體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、可調(diào)參數(shù)多以及結(jié)構(gòu)元件無(wú)金屬化等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用［1－3］，作為拉力傳感器已應(yīng)用于大型海上浮吊光纖光柵拉力傳感器系統(tǒng)［4］、汽車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)［5］等領(lǐng)域。電梯和起重機(jī)是現(xiàn)代生活中經(jīng)常用到的設(shè)備，其安全性也日益受到人們的關(guān)注。為避免電梯和起重機(jī)超載引起安全隱患，也需要安裝纜索拉力傳感器［6］。光纖應(yīng)力傳感器的種類繁多，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，成本低廉的光纖傳感器才具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。為此本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的纜索拉力光纖傳感器，采用光纖微彎傳感原理，通過(guò)分析傳感器力學(xué)原理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證該光纖拉力傳感器的可行性和響應(yīng)特性。

2 纜索拉力光纖傳感器工作原理

圖1為用于纜索拉力測(cè)量的光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，該傳感器類型屬于光纖微彎傳感器。用一根細(xì)鋼絲繩將光纖微彎傳感器固定在纜索上。光纖微彎傳感器由兩塊波形壓板(變形器)和兩只彈簧構(gòu)成。其中一塊波形壓板是固定板，另一塊是活動(dòng)板，用兩只彈簧將其連接到固定板上。將一根多模光纖(階躍型或漸變型)從兩塊波形壓板之間通過(guò)。當(dāng)活動(dòng)板受到細(xì)鋼絲繩的壓力時(shí)，光纖就會(huì)發(fā)生周期性彎曲，一部分光從纖芯中的傳播模耦合到包層的輻射模，產(chǎn)生損耗。當(dāng)活動(dòng)板所加的壓力增加時(shí)，泄漏到包層中的散射光強(qiáng)度隨之增大，光纖芯模的輸出光強(qiáng)度減小，這樣光強(qiáng)受到了調(diào)制。通過(guò)檢測(cè)泄漏出包層的散射光強(qiáng)度或光纖芯透射光強(qiáng)度就能測(cè)出壓力信號(hào)的變化量。

圖1 光纖拉力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

光纖微彎損耗是光纖隨機(jī)畸變而產(chǎn)生的高次模與輻射模之間的模耦合所引起的光功率損失，規(guī)則變形器微彎衰減大小可由下式求出［7］:

式中，N是微彎變形器的齒數(shù);h是微彎突起的高度;E是涂層材料的楊氏模量;Ef是光纖的楊氏模量;a為纖芯半徑，b為光纖外半徑;Δ為光纖的相對(duì)折射率差。

設(shè)纜索的拉力為F，纜索的楊氏模量為E0，橫截面積為S，則纜索的長(zhǎng)度應(yīng)變?yōu)棣?。當(dāng)光

0纖微彎傳感器在纜索上的安裝長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)，其間的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度可表示為:

根據(jù)三角關(guān)系，纜索伸長(zhǎng)ΔL將引起斜邊細(xì)鋼絲繩的長(zhǎng)度變化Δl和微彎變形器活動(dòng)板的位移h，關(guān)系式為:

設(shè)細(xì)鋼絲繩的楊氏模量為E1，橫截面積為S1，所受拉力為F1，則有:

變形器活動(dòng)板位移方向受細(xì)鋼絲繩合壓力F2=2F1sinα，設(shè)彈簧的彈性系數(shù)為k，當(dāng)忽略光纖的橫向應(yīng)力，可得微彎變形器活動(dòng)板的位移h為:

由式(1)～(5)最后可得纜索的拉力F與光纖微彎衰減值A(chǔ)m的關(guān)系為:

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

纜索拉力光纖傳感器實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)有一個(gè)LED光源輸出口，一個(gè)PIN光電探測(cè)器輸入口，通過(guò)一根多模光纖(其數(shù)值孔徑NA=0.19，纖芯半徑 a=25 μm)連接，調(diào)節(jié) LED 驅(qū)動(dòng)電流即可調(diào)節(jié)輸入光強(qiáng)，LED光源發(fā)射中心波長(zhǎng)為890 nm的光，由多模光纖傳輸，經(jīng)過(guò)變形器時(shí)受到調(diào)制，輸出光強(qiáng)隨變形器位移變化而變化，變形器的位移變化量由所加重物的重量決定。PIN端將測(cè)得的輸出光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，送至輸出顯示。其中變形器總齒數(shù)18齒，齒距為2.9 mm。當(dāng)彈簧工作在線性區(qū)(小變形量)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線與式(6)計(jì)算的理論曲線重合很好。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

根據(jù)圖3的測(cè)試結(jié)果可得輸出光強(qiáng)度(電壓)與纜索所受拉力(重力)的擬合關(guān)系式為:

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果曲線

上述理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果都說(shuō)明輸出光強(qiáng)(電壓)與纜索拉力的關(guān)系存在非線性特性，傳感靈敏度隨著拉力的增大而提高。為了克服這種纜索拉力光纖傳感器的非線性缺點(diǎn)，本文采用如圖4(a)所示的梯形彈簧，其形變量與壓力的關(guān)系曲線如圖4(b)所示，當(dāng)施加在彈簧上的壓力增加時(shí)彈簧形變量隨著減小，可抵消光纖變形器位移傳感器的非線性。從圖4(b)易看出梯形彈簧的響應(yīng)曲線呈非線性，這是因?yàn)樵搹椈沙惺艿膲毫υ黾訒r(shí)，簧圈從大端開(kāi)始并死，隨著并死圈數(shù)的增多，有效圈數(shù)相應(yīng)的減少，彈簧剛度也隨之逐漸增大，直到彈簧完全壓并為止，這一階段壓力與形變量呈非線性關(guān)系，因此在圖1所示的光纖拉力傳感器結(jié)構(gòu)中，只要彈簧工作在此非線性區(qū)域中，通過(guò)選擇合適參數(shù)，就能補(bǔ)償圖3所示的響應(yīng)非線性。圖5所示曲線為經(jīng)過(guò)優(yōu)化的梯形彈簧補(bǔ)償后的纜索拉力傳感特性曲線，可以看到響應(yīng)曲線具有很好的線性度。

圖4 梯形彈簧及其響應(yīng)曲線

圖5 經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)睦|索拉力傳感特性曲線

4 結(jié)論

本文針對(duì)纜索拉力引起應(yīng)變和力學(xué)關(guān)系的基本原理分析，根據(jù)光纖微彎傳感器的相關(guān)理論，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的纜索拉力光纖傳感器。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了纜索拉力光纖傳感器的響應(yīng)曲線，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線與理論曲線吻合很好，并顯示存在非線性響應(yīng)特性。經(jīng)過(guò)梯形彈簧的非線性補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明纜索拉力光纖傳感器可以獲得很好的線性響應(yīng)。該纜索拉力光纖傳感器可應(yīng)用于電梯、塔吊、起重機(jī)、空中索道等場(chǎng)合的拉力監(jiān)測(cè)。

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