本實(shí)用新型涉及一種光纖光柵傳感器，屬于光纖光柵傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種溫度自補(bǔ)償差動式光纖光柵微位移傳感器。

背景技術(shù)：

在實(shí)際工程的研究中，大部分的位移傳感器易受到環(huán)境的影響，列舉如下：

電容式位移傳感器缺點(diǎn)是輸出參量為非線性、寄生電容易對測量結(jié)果產(chǎn)生影響并且只適用于干凈的工作場合；激光位移傳感器缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，測量穩(wěn)定性易受環(huán)境影響，故對工作環(huán)境的要求很高；光學(xué)位移傳感器的信號在傳送過程中衰減比較厲害，而且電磁干擾對它的影響也很明顯；電感式位移傳感器的缺點(diǎn)是普遍比較笨重，并且利用鐵芯來使線圈的電感發(fā)生變化，頻響不高、慣量較大，另外還容易出現(xiàn)線圈發(fā)熱和電磁吸力等問題；磁柵傳感器存在抗電磁干擾能力較低、體積較大、輸出的信號不夠穩(wěn)定、使用壽命較短等缺點(diǎn)；光學(xué)位移傳感器的信號在傳送過程中衰減比較厲害，而且電磁干擾對它的影響也很明顯。

針對以上現(xiàn)有傳感器的種種缺陷，光纖位移傳感器基本能夠克服，即：光纖由于光纖光柵的體積小、抗腐蝕、抗干擾、能夠進(jìn)行分布式測量及可以作為獨(dú)立的光纖傳感元件對被測物體進(jìn)行監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，使其在傳感領(lǐng)域有著良好的使用價(jià)值。光纖光柵的檢測原理是用它的波長調(diào)制傳感機(jī)理，這樣的傳感機(jī)理使其探測能力不受光源光強(qiáng)變化、探測器老化、連接損耗及光纖彎曲等因素而受影響，并且能在同一根光纖中串接多個(gè)光纖光柵進(jìn)行分布式測量。但現(xiàn)有的光纖光柵微位移傳感器在很多情況下不能測量物體的微小形變，難以實(shí)現(xiàn)微小形變的精確測量，難以滿足實(shí)際工程的應(yīng)用需求，故，迫切需要設(shè)計(jì)出一種高精度光纖光柵微位移傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的光纖光柵微位移傳感器難以對微小形變進(jìn)行精確測量的缺陷與問題，提供一種能夠?qū)ξ⑿⌒巫冞M(jìn)行精確測量的溫度自補(bǔ)償?shù)牟顒邮焦饫w光柵微位移傳感器。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是：一種溫度自補(bǔ)償?shù)牟顒邮焦饫w光柵微位移傳感器，包括一號光纖光柵與二號光纖光柵，且一號光纖光柵、二號光纖光柵設(shè)置在同一根光纖上；

所述差動式光纖光柵微位移傳感器還包括硬芯夾緊螺母、硬芯夾緊螺栓、圓形彈性膜片、一號外殼與二號外殼，所述硬芯夾緊螺栓包括成一體結(jié)構(gòu)的栓螺紋頭、豎栓部與橫栓部，所述豎栓部的右側(cè)面的底部與橫栓部垂直連接，豎栓部的左側(cè)面的中部與栓螺紋頭垂直連接，且栓螺紋頭的中部、豎栓部的中部、橫栓部的頂部共開設(shè)有同一個(gè)栓凹槽；所述硬芯夾緊螺母包括豎母部與橫母部，所述豎母部的左側(cè)面的底部與橫母部垂直連接，豎母部的右側(cè)面內(nèi)開設(shè)有與栓螺紋頭對應(yīng)螺紋連接的母螺紋槽，且豎母部的中部、橫母部的頂部共開設(shè)有同一個(gè)母凹槽；所述一號外殼的右側(cè)面、二號外殼的左側(cè)面的中部分別開設(shè)有一號外凹槽、二號外凹槽，且一號外凹槽、二號外凹槽、母凹槽、栓凹槽同軸設(shè)置；所述一號光纖光柵的兩端分別粘貼在一號外凹槽、母凹槽內(nèi)，二號光纖光柵的兩端分別粘貼在二號外凹槽、栓凹槽內(nèi)；

所述栓螺紋頭的外側(cè)圍上套設(shè)有圓形彈性膜片的中心孔，該圓形彈性膜片上近其中心孔的部位則夾于豎栓部左側(cè)面、豎母部右側(cè)面之間，圓形彈性膜片上位于豎栓部、豎母部之外的部位則夾于一號端蓋、二號端蓋之間，所述一號端蓋的右側(cè)面內(nèi)鑲嵌有硬芯夾緊螺母，一號端蓋的左側(cè)面內(nèi)經(jīng)一號彈簧與一號外殼的右側(cè)面的底部相連接，一號端蓋的上下端部則與一號外殼的右側(cè)面的上下內(nèi)壁滑動配合，所述二號端蓋的左側(cè)面內(nèi)鑲嵌有硬芯夾緊螺栓，二號端蓋的右側(cè)面經(jīng)二號彈簧與二號外殼的左側(cè)面的底部相連接，二號端蓋的上下端部則與二號外殼的左側(cè)面的上下內(nèi)壁滑動配合。

所述栓螺紋頭的外側(cè)圍上套設(shè)有調(diào)整墊片，所述圓形彈性膜片經(jīng)調(diào)整墊片與豎栓部的左側(cè)面相接觸。

所述一號端蓋的右側(cè)面的上下端部設(shè)置有一號臺階部，所述二號端蓋的左側(cè)面的內(nèi)部設(shè)置有與一號臺階部相配合的二號臺階槽。

所述一號端蓋的左側(cè)面內(nèi)開設(shè)有一號蓋彈簧槽以與一號彈簧的右端相連接，所述一號外殼的右側(cè)面的內(nèi)部開設(shè)有一號殼彈簧槽以與一號彈簧的左端相連接。

所述二號端蓋的右側(cè)面內(nèi)開設(shè)有二號蓋彈簧槽以與二號彈簧的右端相連接，所述二號外殼的左側(cè)面的內(nèi)部開設(shè)有二號殼彈簧槽以與二號彈簧的右端相連接。

所述一號外殼的右側(cè)面的上下內(nèi)壁上開設(shè)有一號殼臺階槽，該一號殼臺階槽包括直徑依次減小的一號右階部與一號左階部，所述一號左階部位于一號右階部、一號外殼的右側(cè)面的底部之間，且一號右階部與一號端蓋的上下端部滑動配合。

所述二號外殼的左側(cè)面的上下內(nèi)壁上開設(shè)有二號殼臺階槽，該二號殼臺階槽包括直徑依次減小的二號左階部與二號右階部，所述二號右階部位于二號左階部、二號外殼的左側(cè)面的底部之間，且二號左階部與二號端蓋的上下端部滑動配合。

所述一號外殼上繞其中心均勻開設(shè)有多個(gè)一號固定孔，所述二號外殼上繞其中心均勻開設(shè)有多個(gè)二號固定孔，所述二號端蓋上繞其中心均勻開設(shè)有多個(gè)二號端蓋孔，一號固定孔內(nèi)穿入的固定螺栓依次經(jīng)二號端蓋孔、二號固定孔后與固定螺母進(jìn)行螺紋連接。

所述固定螺栓上位于一號外殼、二號外殼之間的部位上套設(shè)有限位套管。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果為：

1、本實(shí)用新型一種溫度自補(bǔ)償?shù)牟顒邮焦饫w光柵微位移傳感器中，圓形彈性膜片、一號光纖光柵、二號光纖光柵串聯(lián)以同時(shí)作為彈性元件，位移測量的分辨率和精度高，可測0.1um精度的微小位移變化，此外，改變圓形彈性膜片的厚度或是硬芯半徑(硬芯夾緊螺母、硬芯夾緊螺栓的配合部位)與圓形彈性膜片半徑的比值，還可得到不同的靈敏度和分辨率來滿足所需的要求，進(jìn)一步提高測量精度，并拓寬應(yīng)用范圍。因此，本實(shí)用新型的精確度較高，能夠?qū)ξ⑿⌒巫冞M(jìn)行精確測量。

2、本實(shí)用新型一種溫度自補(bǔ)償?shù)牟顒邮焦饫w光柵微位移傳感器中，以一號光纖光柵、二號光纖光柵作為測量的敏感元件，而光纖光柵作為敏感元件，可通過解調(diào)光纖光柵的波長漂移量來獲得位移量，光纖光柵自身的特點(diǎn)使得本傳感器同樣具備抗電磁干擾強(qiáng)、信號衰減程度小等優(yōu)點(diǎn)，從而克服惡劣環(huán)境測量時(shí)所存在的不足。因此，本實(shí)用新型不僅抗電磁干擾強(qiáng)，而且信號衰減程度小。

3、本實(shí)用新型一種溫度自補(bǔ)償?shù)牟顒邮焦饫w光柵微位移傳感器中，圓形彈性膜片、一號光纖光柵、二號光纖光柵串聯(lián)同時(shí)作為彈性元件以進(jìn)行測量，而在彈性元件的左右兩方都分別設(shè)置有一號彈簧、二號彈簧以進(jìn)行差動式往復(fù)運(yùn)動，該設(shè)計(jì)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)雙向測量位移，而且可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，以適應(yīng)溫度變化較大的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。因此，本實(shí)用新型能實(shí)現(xiàn)雙向測量位移與溫度補(bǔ)償。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1的爆炸視圖。

圖3是本實(shí)用新型的剖視圖。

圖4是圖3中硬芯夾緊螺母、硬芯夾緊螺栓的放大示意圖。

圖中：一號光纖光柵100、二號光纖光柵200、一號外殼1、一號外凹槽11、一號殼彈簧槽12、一號殼臺階槽13、一號右階部131、一號左階部132、一號固定孔14、一號彈簧2、一號端蓋3、一號臺階部31、一號蓋彈簧槽32、硬芯夾緊螺母4、母螺紋槽41、豎母部42、橫母部43、母凹槽44、二號外殼5、二號外凹槽51、二號殼彈簧槽52、二號殼臺階槽53、二號左階部531、二號右階部532、二號固定孔54、二號彈簧6、二號端蓋7、二號臺階槽71、二號蓋彈簧槽72、二號端蓋孔73、硬芯夾緊螺栓8、栓螺紋頭81、豎栓部82、橫栓部83、栓凹槽84、圓形彈性膜片9、調(diào)整墊片10、固定螺栓15、固定螺母16、限位套管17。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖說明和具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

參見圖1―圖4，一種溫度自補(bǔ)償?shù)牟顒邮焦饫w光柵微位移傳感器，包括一號光纖光柵100與二號光纖光柵200，且一號光纖光柵100、二號光纖光柵200設(shè)置在同一根光纖上；所述差動式光纖光柵微位移傳感器還包括硬芯夾緊螺母4、硬芯夾緊螺栓8、圓形彈性膜片9、一號外殼1與二號外殼5，所述硬芯夾緊螺栓8包括成一體結(jié)構(gòu)的栓螺紋頭81、豎栓部82與橫栓部83，所述豎栓部82的右側(cè)面的底部與橫栓部83垂直連接，豎栓部82的左側(cè)面的中部與栓螺紋頭81垂直連接，且栓螺紋頭81的中部、豎栓部82的中部、橫栓部83的頂部共開設(shè)有同一個(gè)栓凹槽84；所述硬芯夾緊螺母4包括豎母部42與橫母部43，所述豎母部42的左側(cè)面的底部與橫母部43垂直連接，豎母部42的右側(cè)面內(nèi)開設(shè)有與栓螺紋頭81對應(yīng)螺紋連接的母螺紋槽41，且豎母部42的中部、橫母部43的頂部共開設(shè)有同一個(gè)母凹槽44；所述一號外殼1的右側(cè)面、二號外殼5的左側(cè)面的中部分別開設(shè)有一號外凹槽11、二號外凹槽51，且一號外凹槽11、二號外凹槽51、母凹槽44、栓凹槽84同軸設(shè)置；所述一號光纖光柵100的兩端分別粘貼在一號外凹槽11、母凹槽44內(nèi)，二號光纖光柵200的兩端分別粘貼在二號外凹槽51、栓凹槽84內(nèi)；

所述栓螺紋頭81的外側(cè)圍上套設(shè)有圓形彈性膜片9的中心孔，該圓形彈性膜片9上近其中心孔的部位則夾于豎栓部82左側(cè)面、豎母部42右側(cè)面之間，圓形彈性膜片9上位于豎栓部82、豎母部42之外的部位則夾于一號端蓋3、二號端蓋7之間，所述一號端蓋3的右側(cè)面內(nèi)鑲嵌有硬芯夾緊螺母4，一號端蓋3的左側(cè)面內(nèi)經(jīng)一號彈簧2與一號外殼1的右側(cè)面的底部相連接，一號端蓋3的上下端部則與一號外殼1的右側(cè)面的上下內(nèi)壁滑動配合，所述二號端蓋7的左側(cè)面內(nèi)鑲嵌有硬芯夾緊螺栓8，二號端蓋7的右側(cè)面經(jīng)二號彈簧6與二號外殼5的左側(cè)面的底部相連接，二號端蓋7的上下端部則與二號外殼5的左側(cè)面的上下內(nèi)壁滑動配合。

所述栓螺紋頭81的外側(cè)圍上套設(shè)有調(diào)整墊片10，所述圓形彈性膜片9經(jīng)調(diào)整墊片10與豎栓部82的左側(cè)面相接觸。

所述一號端蓋3的右側(cè)面的上下端部設(shè)置有一號臺階部31，所述二號端蓋7的左側(cè)面的內(nèi)部設(shè)置有與一號臺階部31相配合的二號臺階槽71。

所述一號端蓋3的左側(cè)面內(nèi)開設(shè)有一號蓋彈簧槽32以與一號彈簧2的右端相連接，所述一號外殼1的右側(cè)面的內(nèi)部開設(shè)有一號殼彈簧槽12以與一號彈簧2的左端相連接。

所述二號端蓋7的右側(cè)面內(nèi)開設(shè)有二號蓋彈簧槽72以與二號彈簧6的右端相連接，所述二號外殼5的左側(cè)面的內(nèi)部開設(shè)有二號殼彈簧槽52以與二號彈簧6的右端相連接。

所述一號外殼1的右側(cè)面的上下內(nèi)壁上開設(shè)有一號殼臺階槽13，該一號殼臺階槽13包括直徑依次減小的一號右階部131與一號左階部132，所述一號左階部132位于一號右階部131、一號外殼1的右側(cè)面的底部之間，且一號右階部131與一號端蓋3的上下端部滑動配合。

所述二號外殼5的左側(cè)面的上下內(nèi)壁上開設(shè)有二號殼臺階槽53，該二號殼臺階槽53包括直徑依次減小的二號左階部531與二號右階部532，所述二號右階部532位于二號左階部531、二號外殼5的左側(cè)面的底部之間，且二號左階部531與二號端蓋7的上下端部滑動配合。

所述一號外殼1上繞其中心均勻開設(shè)有多個(gè)一號固定孔14，所述二號外殼5上繞其中心均勻開設(shè)有多個(gè)二號固定孔54，所述二號端蓋7上繞其中心均勻開設(shè)有多個(gè)二號端蓋孔73，一號固定孔14內(nèi)穿入的固定螺栓15依次經(jīng)二號端蓋孔73、二號固定孔54后與固定螺母16進(jìn)行螺紋連接。

所述固定螺栓15上位于一號外殼1、二號外殼5之間的部位上套設(shè)有限位套管17。

一、本實(shí)用新型的組裝過程如下：

S1、將硬芯夾緊螺栓8穿過調(diào)整墊片10，再將其穿過圓形彈性膜片9，之后與硬芯夾緊螺母4擰緊；

S2、將單模光纖穿過硬芯夾緊螺栓8、硬芯夾緊螺母4上的凹槽，使一號光纖光柵100位于夾緊結(jié)構(gòu)(即硬芯夾緊螺母4、硬芯夾緊螺栓8、圓形彈性膜片9、調(diào)整墊片10結(jié)合的整體)的左側(cè)，二號光纖光柵200位于夾緊結(jié)構(gòu)的右側(cè)，一號光纖光柵100的右側(cè)方用膠固定在硬芯夾緊螺母4的半圓形的母凹槽44中，二號光纖光柵200的左側(cè)方用膠固定在硬芯夾緊螺栓8的半圓形的栓凹槽84中；

S3、將圓形彈性膜片9放入相對應(yīng)的二號端蓋7的凹槽中，再將一號端蓋3的臺階對準(zhǔn)圓形彈性膜片9的另一面，之后將一號端蓋3旋入二號端蓋7內(nèi)，使一號端蓋3的臺階將圓形彈性膜片9的外緣壓緊；

S4、將一號彈簧2的右端放入一號端蓋3的一端凹槽中，用膠固定；

S5、將二號彈簧6的左端放入二號端蓋7的凹槽中，用膠固定；

S6、將四個(gè)限位套管17小心的放入二號端蓋7上所對應(yīng)的二號端蓋孔73中；

S7、將單模光纖的左側(cè)從一號外殼1中穿出，右側(cè)從二號外殼5中穿出；

S8、一號外殼1上的一號殼彈簧槽12對準(zhǔn)一號彈簧2的左端，二號外殼5上的二號殼彈簧槽52對準(zhǔn)二號彈簧6的右端，將固定螺栓15依次穿入一號固定孔14、限位套管17、二號固定孔54，再用固定螺母16將其擰緊，四個(gè)固定螺栓15、固定螺母16按照上述說明依次連接；

S9、將單模光纖的左右兩端同時(shí)懸掛重物，此為對一號光纖光柵100、二號光纖光柵200施加預(yù)緊力，使光柵處于拉伸狀態(tài)，并用膠將其固定在一號外凹槽11、二號外凹槽51中；

S10、再將單模光纖的左右兩端同時(shí)連上兩根跳線，并連入用于連接光纖光柵信號解調(diào)設(shè)備上，此時(shí)，組裝完畢。

二、本實(shí)用新型的基本工作原理如下：

本實(shí)用新型將一號光纖光柵100、二號光纖光柵200對稱串聯(lián)于圓形彈性膜片9上，此時(shí)圓形彈性膜片9與兩根光柵同時(shí)作為彈性元件，串聯(lián)順序依次為一號光纖光柵100、圓形彈性膜片9、二號光纖光柵200；一號光纖光柵100的左側(cè)和二號光纖光柵200的右側(cè)固定于同一基體上，此時(shí)拉動圓形彈性膜片9的外緣，其中有一個(gè)光纖光柵壓縮而另一個(gè)光纖光柵拉伸，圓形彈性膜片9的外緣與基體之間的位移，等于其中一個(gè)光纖光柵的伸長量和圓形彈性膜片9的撓度之和。圓形彈性膜片9可以雙向運(yùn)動，兩個(gè)光柵總是處于一根壓縮一根拉伸的狀態(tài)，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)差動式。假設(shè)圓形彈性膜片9的外緣向右移動，一號光纖光柵100拉伸，二號光纖光柵200壓縮，兩根光柵的波長漂移量同時(shí)包括了拉伸(壓縮)變形和溫度的影響，且一號光纖光柵100的拉伸量等于二號光纖光柵200的壓縮量,一號光纖光柵100、二號光纖光柵200所處于的溫度環(huán)境也相同，那么差分后就可以消除環(huán)境溫度的影響且有增敏的效果。

列舉計(jì)算過程如下：當(dāng)二號端蓋7受到軸向位移時(shí)(假設(shè)二號端蓋7左移)，會使圓形彈性膜片9產(chǎn)生擾度變化(而硬芯部分不發(fā)生撓度變化)Δw，如下：

其中，R為膜片的半徑，r為膜片的硬芯半徑，E為圓形彈性膜片9的彈性模量，μ為圓形彈性膜片9的泊松比，產(chǎn)生位移所受載荷為Q。

圓形彈性膜片9的硬芯受到的光纖光柵對其的施加載荷為：

此時(shí)，一號光纖光柵100壓縮而二號光纖光柵200拉伸，一號光纖光柵100和二號光纖光柵200應(yīng)力由于應(yīng)力引起的波長變化可表示為：

一號光纖光柵100和二號光纖光柵200的波長相近且Δλ_B的值遠(yuǎn)小于λ_B的值，所以可近似將λ_B1和λ_B2認(rèn)為是同一波長，兩根光柵差分得：

其中，λ_B為FBG的波長，Δλ_B為FBG的波長漂移變化量，ρ_e有效彈光系數(shù)(ρ_e＝0.22)，l為外殼到硬芯夾緊螺栓的距離。

由胡克定律可知光纖光柵的張力可表示為：

其中，E_f為光纖的彈性模量，A_f為光纖的橫截面面積。

光柵與膜片串聯(lián)，受力相同，設(shè)總位移量為x，光纖光柵的有效工作長度的變化量Δl，膜片的位移量為x₁，則有：

x₁＝x-Δl

此時(shí)，Δω＝x₁，且當(dāng)傳感器發(fā)生位移時(shí)，兩段光纖光柵一端受壓一端受拉，所受載荷Q＝2q，則有：

而靈敏度k為：

綜上所述，本實(shí)用新型是采用光纖光柵作為敏感元件，可通過解調(diào)光纖光柵的波長漂移量來獲得位移量。解決現(xiàn)有的各類傳感器中抗電磁干擾能力差、信號在傳送過程中衰減比較厲害、輸出的信號不夠穩(wěn)定等可靠性差的問題，以及現(xiàn)有光纖光柵位移傳感器的測量靈敏度和精度較低，難以實(shí)現(xiàn)微小形變的精確測量的技術(shù)問題。本實(shí)用新型是將圓形彈性膜片與兩個(gè)光柵串聯(lián)同時(shí)作為彈性元件，可差動式往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)雙向測量位移。本實(shí)用新型是將圓形彈性膜片與光柵串聯(lián)同時(shí)作為彈性體，位移測量的分辨率和精度高，可測得0.1um的微小位移變化，同時(shí)改變圓形彈性膜片的厚度或是硬芯半徑與圓形彈性膜片半徑的比值，可得到不同的靈敏度和分辨率來滿足所需的要求。本傳感器可差動式往復(fù)運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，以適應(yīng)溫度變化較大的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

以上實(shí)施例僅用于說明本申請的計(jì)算思想和特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠了解本申請的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，本申請的保護(hù)范圍不限于上述實(shí)施例。所以，凡依據(jù)本申請所揭示的原理、設(shè)計(jì)思路所作的等同變化或修飾，均在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。