一种光纤光栅轴向力传感器的制作方法

1.本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤光栅轴向力传感器。


背景技术：

2.在水利设施、航天发动机和石化油气运输等领域中会用到泵系统，在泵系统运行时会产生一个与转轴的轴心线相平行的力，一般称之为轴向力。如果此力的大小发生异常，旋转机械中各零件之间的接触和磨损会增加，这种情况长期存在势必会降低这些机械的寿命和性能，使其难以长时间的可靠运行，更加严重的时候则引起安全事故，造成较大的人员安全风险及财产损失风险。因此，通过先进的测试手段和方法监测轴向力的大小和变化情况，提出一些平衡或者减小轴向力的方法，进一步监控发动机的运行状态，对提高系统的整体性能和安全性具有重大意义。
3.目前轴向力传感器是基于电阻应变计或者压电传感器的传统电子式传感器。在使用中存在绝缘电阻异常降低、抗电磁干扰能力差、导线的引出多且复杂、不同温度下测量结果差异较大等问题。亟需研制满足使用要求的一种新型的轴向力传感器。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种光纤光栅轴向力传感器，克服了现有传统电子式传感器在使用中存在绝缘电阻异常降低、抗电磁干扰能力差、导线的引出多且复杂、不同温度下测量结果差异较大等问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种光纤光栅轴向力传感器，包括：光纤、应变光纤光栅、弹性体、护套、密封圈和保护罩；
6.光纤上刻写有若干只应变光纤光栅；
7.光纤及应变光纤光栅通过粘接胶或焊料固定在弹性体上；
8.弹性体设置在保护罩内；其中，弹性体与保护罩通过密封圈焊接在一起，用于对光纤及应变光纤光栅进行密封保护；
9.保护罩的侧面设置有护套，光纤的尾纤通过护套引出。
10.在上述光纤光栅轴向力传感器中，
11.应变光纤光栅的数量不少于2，且为偶数；
12.应变光纤光栅的长度为5mm～10mm。
13.在上述光纤光栅轴向力传感器中，应变光纤光栅及应变光纤光栅两端的部分光纤通过粘接胶或焊料固定在弹性体上。
14.在上述光纤光栅轴向力传感器中，还包括：温度光纤光栅和套管；其中，光纤上刻写有若干只温度光纤光栅，温度光纤光栅外侧套有套管，通过套管固定在弹性体上，实现温度光纤光栅与弹性体的力隔离。
15.在上述光纤光栅轴向力传感器中，弹性体的材料为不锈钢材料；弹性体为圆环形结构；应变光纤光栅沿弹性体的厚度方向安装固定。
16.在上述光纤光栅轴向力传感器中，弹性体的厚度大于应变光纤光栅的长度。
17.在上述光纤光栅轴向力传感器中，粘接胶或焊料为大于2gpa的高弹性模量的材料。
18.在上述光纤光栅轴向力传感器中，在通过光纤光栅轴向力传感器进行轴向力测量时，有：
19.将光纤光栅轴向力传感器安装在离心泵水力试验件上；
20.将光纤的尾纤接入光纤光栅测量设备；
21.开始测试，离心泵水力试验件产生的轴向力通过止推轴承外环传递到弹性体上，弹性体发生形变，光纤光栅轴向力传感器输出相应的检测信号；
22.光纤光栅测量设备对光纤光栅轴向力传感器输出的检测信号进行接收、解析，计算得到离心泵水力试验件的轴向力f。
23.在上述光纤光栅轴向力传感器中，轴向力f的解算公式如下：
[0024][0025]
其中，d表示弹性体的外径，d表示弹性体的内径，e表示弹性体的弹性模量，k
ε
表示应变光纤光栅的应变灵敏度系数，λb表示光纤光栅轴向力传感器的中心波长，δλb表示波长变化量。
[0026]
在上述光纤光栅轴向力传感器中，在通过光纤光栅轴向力传感器进行轴向力测量时，还包括：根据由温度光纤光栅输出的用于表征温度的波长，对由应变光纤光栅输出的用于表征力的波长进行补偿，即实现温度补偿，以提高测量精度。
[0027]
本发明具有以下优点：
[0028]
(1)本发明公开了一种光纤光栅轴向力传感器，采用光纤光栅作为敏感器件，不受高压水环境下电绝缘性下降的影响，在高压水环境下的适应性强。
[0029]
(2)本发明公开了一种光纤光栅轴向力传感器，通过把光纤光栅固定在弹性体上，弹性体受力传递给光纤光栅，光纤光栅直接测量到弹性体的应变，再通过转换计算得到轴向力的测量值，测量值不受接插件损耗、线缆损耗、光源功率等变化的影响，零位稳定性好，有利于保持长期或多次测量的精度。
[0030]
(3)本发明公开了一种光纤光栅轴向力传感器，减小了引出的线缆的数目和直径，降低了漏水、泄压的风险，可满足对轴向力监测的需求，为发动机设计、试验验证和优化改进提供轴向力等关键参数。
附图说明
[0031]
图1是本发明实施例中一种光纤光栅轴向力传感器的半剖视图；
[0032]
图2是本发明实施例中一种光纤光栅轴向力传感器的俯视视图；
[0033]
图3是本发明实施例中一种光纤光栅轴向力传感器的正视图；
[0034]
图4是本发明实施例中一种光纤光栅轴向力传感器在离心泵水力试验件上的安装示意图。
具体实施方式
[0035]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
[0036]
如图1～3，在本实施例中，该光纤光栅轴向力传感器包括：光纤1、应变光纤光栅2、弹性体4、护套5、密封圈6和保护罩7。其中，光纤1上刻写有若干只应变光纤光栅2；光纤1及应变光纤光栅2通过粘接胶或焊料固定在弹性体4上；弹性体4设置在保护罩7内；弹性体4与保护罩7通过密封圈6焊接在一起，用于对光纤1及应变光纤光栅2进行密封保护，保护其不受外部直接碰撞而损坏，同时满足浸水测试的需求；护套5设置在保护罩7的侧面，光纤1的尾纤通过护套5引出。
[0037]
在本实施例中，应变光纤光栅2的数量不少于2只，且一般为偶数，优选为4～10只，以保证测量结果的准确性。应变光纤光栅2的长度为5mm～10mm，该长度的光纤光栅2的反射谱线宽窄(≤0.25nm)、反射率高(≥70％)、便于光纤光栅信号检测。
[0038]
在本实施例中，应变光纤光栅2及应变光纤光栅2两端的部分(约5mm)光纤通过粘接胶或焊料固定在弹性体4上，以保证光纤1及应变光纤光栅2与弹性体4的牢固连接。
[0039]
在本实施例中，该光纤光栅轴向力传感器还可以包括：温度光纤光栅和套管；其中，光纤1上刻写有若干只温度光纤光栅，温度光纤光栅外侧套有套管，通过套管固定在弹性体4上，实现温度光纤光栅与弹性体4的力隔离，保证温度光纤光栅的测量结果不受弹性体4的形变影响。
[0040]
在本实施例中，弹性体4的材料可以为不锈钢材料，不锈钢材料在水环境中不会产生锈蚀、便于采用焊接密封工艺实现密封。当然，具体材料型号要根据轴向力测量量程选择确定，一般选择原则为：在1.5倍满量程及设计余量下，弹性体的应力不大于材料的屈服强度。
[0041]
在本实施例中，轴向力测试时，光纤光栅轴向力传感器的受力方向一般为其厚度方向，因此应变光纤光栅2的安装方向应沿弹性体4的厚度方向安装固定。此外，由于后续还需要密封保护，因此弹性体4的厚度要大于应变光纤光栅2长度。这样才能把应变光纤光栅2密封在结构内部。
[0042]
在本实施例中，粘接胶或焊料选择大于2gpa的高弹性模量的材料，以保证光纤1及应变光纤光栅2与弹性体4的牢固连接，这样才能获得高传递系数的应变信息，进而提高测量结果的准确性。
[0043]
在本实施例中，在通过光纤光栅轴向力传感器进行轴向力测量时，有：将光纤光栅轴向力传感器安装在离心泵水力试验件上；将光纤1的尾纤接入光纤光栅测量设备；开始测试，离心泵水力试验件产生的轴向力通过止推轴承外环传递到弹性体4上，弹性体4发生形变，光纤光栅轴向力传感器输出相应的检测信号；光纤光栅测量设备对光纤光栅轴向力传感器输出的检测信号进行接收、解析，计算得到离心泵水力试验件的轴向力f。
[0044]
如图4所示，光纤光栅轴向力传感器300的一侧为止推轴承100，离心泵水力试验件产生的轴向力通过止推轴承100外环传递到光纤光栅轴向力传感器300的弹性体4上；光纤光栅轴向力传感器300的另一侧为离心泵水力试验件壳体200内壁，用于限位。离心泵水力试验件壳体200内壁上设置出线孔，用于光纤光栅轴向力传感器300的尾纤的引出。止推轴承100内环装配在转轴400上，止推轴承100外环与离心泵水力试验件壳体200内壁。
[0045]
在本实施例中，弹性体4为圆环形。对于理想的圆环形弹性体，根据其结构特性，其轴向应变ε与所测轴向力f之间关系如下：
[0046][0047]
应变光纤光栅2仅受轴向均匀应变时波长漂移量与外界应变关系可表示为：
[0048][0049]
综合式(1)和式(2)可知，轴向力f的解算公式如下：
[0050][0051]
其中，d表示弹性体的外径，d表示弹性体的内径，e表示弹性体的弹性模量，k
ε
表示应变光纤光栅的应变灵敏度系数，λb表示光纤光栅轴向力传感器的中心波长，δλb表示波长变化量。
[0052]
在本实施例中，可通过万能试验机和高精度光纤光栅解调系统来对光纤光栅轴向力传感器进行静态标定，建立λb与f之间的关系，就能实现基于光纤光栅轴向力传感器的轴向力测量。
[0053]
在本实施例中，在通过光纤光栅轴向力传感器进行轴向力测量时还可以：根据由温度光纤光栅输出的用于表征温度的波长，对由应变光纤光栅(2)输出的用于表征力的波长进行补偿，以解决测量过程中由于温度变化带来的漂移问题，以提高测量精度。
[0054]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0055]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。