专利名称：差动应变式光纤Bragg光栅的悬浮型皮带秤的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种差动应变式光纤Bragg光栅的悬浮型皮带秤，属于光电子测量技 术领域。
背景技术：
皮带秤是皮带输送机输送固体散状物料过程中对物料进行连续称量的一种计量 设备，悬浮型皮带秤已广泛应用于电力、煤炭、冶金、矿山、港口、化工、建材等行业的物料 计量。由于悬浮型皮带秤的换能元件大多采用电阻应变片，测量精度受到电磁干扰的影响 (方原柏，《电子皮带秤》，北京冶金工业出版社，2007年)。光纤Bragg光栅监测到的信息通过光信号传播，具有抗电磁干扰能力(EMI)和在 易燃易爆场合的本征安全性，因此采用光纤Bragg光栅作为悬浮型皮带秤中称重传感器的 换能元件，可克服电磁干扰，适用于易燃易爆等工业环境。
发明内容本发明的目的是提供一种差动应变式光纤Bragg光栅的悬浮型皮带秤，实现了皮 带秤的实时称重，可实现对温度和压力的同时测量，抗干扰能力强。本发明的目的是这样实现的差动应变式光纤Bragg光栅的悬浮型皮带秤包括静 态梁、称重托辊、固定螺丝、光纤Bragg光栅、等强度悬臂梁、动态梁，动态梁与称重托辊的 固定座连成一体，等强度悬臂梁的受力端与动态梁相连，并用固定螺丝紧固，等强度悬臂梁 的固定端用固定螺丝固定在静态梁上，在等强度悬臂梁上、下表面分别贴有光纤Bragg光 栅，粘贴位置为等强度悬臂梁对称中心线上，并采用差动温度补偿法来消除温度对测量结 果的影响，从而实现对重量的精确测量。温度变化引起两支光纤Bragg光栅的位移变化是 相同的，而应力引起两光纤Bragg光栅的位移变化是大小相同方向相反的，根据差异性，进 行信息补偿。输送物料时物料对皮带的压力通过称重托辊传递给动态梁，动态梁将力传递给等 强度悬臂梁，等强度悬臂梁产生挠度(形变量)变化，从而引起光纤Bragg光栅波长位移变 化。本发明的差动应变式光纤Bragg光栅的悬浮型皮带秤测量物料质量的原理是物 料输送时物料对皮带的压力通过称重托辊传递给动态梁6，动态梁6再将压力传递给等强 度悬臂梁5，根据力传递可知，物料输送时物料质量M与等强度悬臂梁自由端所受力F的关 系为F = Mg(1)其中g为重力加速度。皮带秤载荷引起等强度悬臂梁自由端移位，光纤Bragg光栅随等强度悬臂梁形 变，若测量过程中温度变化了 ΔΤ，则载荷和温度引起的光纤Bragg光栅的波长移位量 Δ λΒ 为[0011]δ λ B = (SeA ε +St δ τ) λ b(2)其中Se为应变敏感系数At为温度敏感系数；Δ ε为等强度悬臂梁自由端移位； ΔT为温度变化量；λ Β为中心波长。将等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅的波长移位相减，消除环境 温度的影响Δ λΒ1>2 = Λ λΒ1-Δ λΒ2 = 2Se Δ ε λΒ(3)其中Δ λ Β1,2为等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅的波长移位差 值；Δ λ B1和Δ λ B2分别为等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅的波长移位。等强度悬臂梁自由端移位δ ε与等强度悬臂梁自由端所受应力f的关系为Ag= t'l'Lu2⑷
E-O0-η其中L、h分别为等强度悬臂梁的长度和厚度；E为等强度悬臂梁材料的杨氏模量； b0为等强度悬臂梁固定端的宽度。将式(4)代入式(3)，则光纤Bragg光栅的Bragg波长移位与等强度悬臂梁自由端 所受应力f的关系为AAm2 = U^fffB(5)
Eb0h将式(1)代入式(5)，则光纤Bragg光栅的Bragg波长移位与物料输送时物料质量 M的关系为 ^^(6) Eb0h式(6)表明了物料输送时物料质量M与光纤Bragg光栅波长移位之间的数学模 型，通过测量光纤Bragg光栅波长移位就可以计算出物料输送时物料的质量。本发明的有益效果是1.实现了皮带秤的实时称重本发明将等强度悬臂梁5的固定端和自由端分别固 定在静态梁1和动态梁6上，光纤Bragg光栅4粘贴在等强度悬臂梁5上，通过把等强度悬 臂梁的挠度转换成对光纤Bragg光栅的中心波长移位的测量来实现皮带秤的实时称重。2.利用粘贴于等强度悬臂梁上、下表面的传感光栅对温度和压力响应的差异性， 可实现对温度和压力的同时测量。3.抗干扰能力强由于光纤Bragg光栅是电绝缘材料，因此具有抗电磁干扰能力 (EMI)，光纤Bragg光栅传感器适用于电磁干扰情况下的皮带秤称重。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但实施例不是对本发明的限定。
图1为本发明的结构示意图。图2为本发明检测系统示意图。
具体实施方式图1及图2中静态梁1，称重托辊2，固定螺丝3，光纤Bragg光栅4，等强度悬臂梁5，动态梁6，平行板簧7，皮带输送机纵梁8。本实施例基于德国申克公司的BEP型皮带秤，并采用不锈钢材料制成的等强度悬臂梁。1、等强度悬臂梁，尺寸参数为L = 250mm, h = 5匪，bQ = 200匪；2、等强度悬臂梁，材料参数为45#钢的^ung’ s模量为E = 200GPa ；3、光纤Bragg光栅的技术参数为中心波长λΒ = 1550. OOOnm，应变敏感系数S ε =0. 78 ；4、重力加速度为g = 9. 8N/Kg ；5、按附图2配置实验；6、用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长。7、根据式(8)，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位对物料输送时物料质量M的响应 灵敏度为字= ^(7) M Eb0h将已知量带入式(9)，理论计算表明，该皮带秤中的光纤Bragg光栅称重传感器的 灵敏度为35. 54pm/Kg。因此，当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为Ipm时，该传感器的 分辨率为0. 028Kg。对比分析结果表明，该种差动应变式光纤Bragg光栅的悬浮型皮带秤具 有高测量分辨率，测量误差小，重复性好等优点。
权利要求1.一种差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤，其特征是动态梁(6)与称重托辊 (2)的固定座连成一体，等强度悬臂梁(5)的受力端与动态梁(6)相连，并用固定螺丝(3) 紧固，等强度悬臂梁(5)的固定端固定在静态梁(1)上，沿等强度悬臂梁( 上、下表面的 中心线各粘贴一支光纤Bragg光栅G)，光纤Bragg光栅(4)与信号处理装置光连接。
2.根椐权利要求1所述的差动应变式光纤Bragg光栅的悬浮型皮带秤，其特征是在 等强度悬臂梁( 上、下两面都粘贴光纤Bragg光栅，粘贴位置为等强度悬臂梁( 对称中 心线上，并采用差动温度补偿法来消除温度对测量结果的影响，从而实现对重量的精确测 量。
专利摘要本实用新型涉及一种差动应变式光纤Bragg光栅悬浮型皮带秤，包括静态梁、称重托辊、固定螺丝、光纤Bragg光栅、等强度悬臂梁、动态梁。动态梁与称重托辊的固定座连成一体，等强度悬臂梁的受力端与动态梁相连，并用固定螺丝紧固，等强度悬臂梁的固定端用固定螺丝固定在静态梁上，在等强度悬臂梁的上、下表面分别粘贴光纤Bragg光栅，粘贴位置为等强度悬臂梁对称中心线上，并采用差动温度补偿法来消除温度对测量结果的影响，从而实现对重量的精确测量。可实现皮带秤的实时称重，并能实现对温度和压力的同时测量，抗干扰能力强。
文档编号G01K11/32GK201844872SQ20102059577
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月8日 优先权日2010年11月8日
发明者李川 申请人:昆明理工大学