一種大量程光纖布拉格光柵位移傳感器

馬 茜李麗君姚 佳張 艷丁小哲高春亭郭曉麗曹茂永

（山東科技大學(xué)a.電氣與自動化工程學(xué)院； b.電子通信與物理學(xué)院；c.礦山安全檢測技術(shù)與自動化裝備國家地方聯(lián)合工程研究中心，山東青島 266590）

一種大量程光纖布拉格光柵位移傳感器

馬 茜a，c，李麗君b，c，姚 佳b，c，張 艷b，c，丁小哲b，c，高春亭b，c，郭曉麗b，c，曹茂永a，c

（山東科技大學(xué)a.電氣與自動化工程學(xué)院； b.電子通信與物理學(xué)院；c.礦山安全檢測技術(shù)與自動化裝備國家地方聯(lián)合工程研究中心，山東青島 266590）

光纖光柵位移傳感器具有精度高、本質(zhì)安全、體積小和易復(fù)用等特點(diǎn)，但受到敏感材料的局限，大量程光纖光柵位移傳感器很難獲得。針對該問題，提出并實(shí)現(xiàn)了一種大量程的光纖光柵位移傳感器，其采用行星輪系與粘貼光纖光柵懸臂梁相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，通過變換減速比來獲得各種大量程；利用有限元分析法對傳感器懸臂梁材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了不同量程時(shí)該類傳感器的輸出特性。結(jié)果顯示，該傳感器輸出信號的波長漂移量與位移量有著很好的線性關(guān)系，最大量程可達(dá)2 000 mm。

位移傳感器；光纖布拉格光柵；有限元分析；大量程

0　引 言

大量程、高精度的位移傳感器可應(yīng)用在很多領(lǐng)域。目前，用于位移測量的大量程傳感器主要包括機(jī)械式、電子式和光纖式［1］。機(jī)械式傳感器體積大、精度低、且量程較小［2］。電子類位移傳感器由于其抗電磁干擾、組網(wǎng)能力及信號傳輸能力的限制，也在逐漸被光纖式位移傳感器所替代［3-5］。光纖類位移傳感器主要以光纖光柵類最為普遍，但由于材料和結(jié)構(gòu)的限制，目前常用的光纖光柵類傳感器往往以小量程（一般小于100 mm）為主。為了擴(kuò)大量程，主要方法有兩種：（1）通過直連桿連接彈性形變裝置擴(kuò)大量程。但該類光纖傳感器光柵形變小，靈敏度較低，體積大安裝困難。（2）將彈簧直接與光纖光柵相連，通過拉扯彈簧傳遞和擴(kuò)大傳感器量程。但該方法容易造成光纖斷裂，很難在環(huán)境惡劣的工程中使用［6-7］。

本文采用改良的行星輪系作為擴(kuò)大量程的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合光纖布拉格光柵粘貼于懸臂梁上，獲得了一種大量程、高精度和小體積的光纖光柵位移傳感器。

1　傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有限元分析

傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由擴(kuò)大和變換量程的行星輪系和粘貼光纖布拉格光柵的懸臂梁組成。行星輪系與懸臂梁之間通過鋼絲連接。當(dāng)檢測探頭檢測到有位移變化時(shí)，利用行星輪系將位移變化一定比例后，拉動懸臂梁自由端產(chǎn)生相應(yīng)位移，從而使粘貼的光纖光柵產(chǎn)生形變，進(jìn)而發(fā)生波長漂移。行星輪系包括太陽輪1、行星齒輪2、變量程行星齒輪3和齒圈4，行星輪系的轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)，將固定端固定，檢測探頭對準(zhǔn)位移檢測點(diǎn)進(jìn)行檢測。太陽輪繞固定軸線O1順時(shí)針自轉(zhuǎn)，速度為ω1。行星輪固定在行星支架上，既自轉(zhuǎn)又繞太陽輪公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)方向與太陽輪相同，自轉(zhuǎn)方向相反，自轉(zhuǎn)速度為ω2，其上同軸附加一半徑不同的行星齒輪3。齒圈固定不動，當(dāng)位移變化時(shí)拉動太陽輪轉(zhuǎn)動，并帶動行星齒輪2、3轉(zhuǎn)動，將位移縮小一定倍數(shù)后輸出，聯(lián)動的鋼絲拉動懸臂梁端產(chǎn)生微位移，作用于光纖光柵上［8］。

圖1　行星輪系轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)

設(shè)太陽輪的線速度為V1，角速度為ω1，半徑為R1；行星齒輪2的線速度為V2，角速度為ω2，半徑為R2；行星齒輪3的線速度為V3，角速度為ω3，半徑為R3。則太陽輪1與行星齒輪3的線速度之比為

由于齒輪2帶動齒輪3轉(zhuǎn)動，因此ω2=ω3，V1=V2，則

減速比為R∶1，最終減速機(jī)的待測位移端與其懸臂梁自由端的轉(zhuǎn)動位移之比為R2R∶R3。

光纖布拉格光柵的波長漂移為［9］

式中，Pe為有效彈光系數(shù)；L為懸臂梁長度；x為光纖光柵粘貼位置與懸臂梁固定端的距離；E為懸臂梁的場式模量；Iy為與x無關(guān)的常量；z為懸臂梁端面距中性面的距離，且z=h/2，h為懸臂梁厚度。則懸臂梁自由端的擾度為［9］：

式中，f為懸臂梁自由端位移。將式（4）代入式（3）可得布拉格光柵最終波長漂移量為

在不考慮連接處位移損失的情況下，將波長漂移量與待測位移及懸臂梁自由端位移建立關(guān)系，最終的系統(tǒng)位移分辨率為

圖2　不同材料沿X軸的應(yīng)力云圖

傳感器中的光纖光柵粘貼在離懸臂梁固定端一定距離處，當(dāng)均勻且垂直于懸臂梁的力作用在懸臂梁自由端時(shí)，光纖光柵將受到相應(yīng)的拉力。當(dāng)溫度不變、且光纖光柵只受到縱向的拉力，其他方向的應(yīng)力為0時(shí)，光纖光柵的波長將隨著自由端位移的增加而發(fā)生漂移。懸臂梁的材料即場式模量、橫截面積、厚度及光纖光柵的粘貼位置等也會對傳感器的波長漂移量（靈敏度，量程等）產(chǎn)生影響。本文對60Si2Mn、65Mn和50Cr VA型號彈簧鋼材料的材料特性與傳感器輸出特性關(guān)系進(jìn)行了有限元仿真分析。仿真采用ANSYS軟件，懸臂梁長度為100 mm，橫截面厚度為0.5 mm，寬度為20 mm。圖2所示為不同材料沿X軸的應(yīng)力云圖。由圖2可以看出，在梁的幾何參數(shù)一致時(shí)，65Mn所受沿X軸的應(yīng)變最大，即粘貼在上面的光纖光柵也會產(chǎn)生較大的微應(yīng)變，因此在傳感器制作時(shí)選擇65Mn彈簧鋼作為制作懸臂梁的材料。

同時(shí)，懸臂梁平面離自由端一定距離時(shí)，所受的應(yīng)力分布相對較均勻，且越靠近固定端所受應(yīng)力越大。因此，可將光纖光柵粘貼在盡量靠近固定端受力均勻的位置。

懸臂梁的厚度和寬度也會對懸臂梁所受應(yīng)力產(chǎn)生影響。圖3為懸臂梁寬度為30 mm時(shí)的仿真結(jié)果；圖4為懸臂梁厚度為0.4 mm時(shí)的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)懸臂梁的橫截面寬度增大和厚度減小時(shí)，都會使沿X軸所受的應(yīng)力減小，隨之降低粘貼光纖光柵的靈敏度。

圖3　懸臂梁寬度為30 mm時(shí)沿X軸的應(yīng)力云圖

圖4　懸臂梁厚度為0.4 mm時(shí)沿X軸的應(yīng)力云圖

2　傳感器性能測試與分析

傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括量程變換裝置和光柵粘貼懸臂梁結(jié)構(gòu)，二者通過細(xì)鋼絲連接，外軸鋼絲拉線連接于實(shí)際被測結(jié)構(gòu)。通過外置拉線，將位移量傳遞給位移擴(kuò)大裝置，帶動內(nèi)部連接懸臂梁鋼絲軸轉(zhuǎn)動，使得懸臂梁彎曲，并將應(yīng)變傳遞給光纖光柵，通過光柵位移解調(diào)裝置獲得位移量輸出，并可根據(jù)所需測量的位移量來切換傳感器量程。

圖5所示為傳感器測試實(shí)驗(yàn)裝置圖。采用自制1 550 nm波段寬帶光源，解調(diào)設(shè)備為光譜分析儀，環(huán)行器將反射光信號導(dǎo)入解調(diào)設(shè)備中，傳感器外置鋼絲與被測位移裝置連接。

圖5　傳感器測試實(shí)驗(yàn)裝置

懸臂梁長度L=100 m m，厚度h=0.5 mm。自由狀態(tài)下的布拉格光柵波長λ=1 545.88 nm，位移最小變化量為1 mm。圖6為懸臂梁自由端位移與光纖光柵波長擬合曲線。從圖中可見，懸臂梁位移波長的靈敏度為92 pm/mm，懸臂梁自由端最大位移量為30 mm。圖7所示為減速比為4∶1時(shí)的傳感器輸出特性曲線。由圖可知，此時(shí)傳感器的量程可達(dá)200 mm，靈敏度為11.2 pm/mm。實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)改變減速比，可獲得更大量程的傳感器。

圖6　懸臂梁自由端位移與光纖光柵波長擬合曲線

圖7　傳感器輸出特性曲線

為了減小傳感器的體積，我們采取固定減速比，并通過變換轉(zhuǎn)軸半徑的方法來達(dá)到變換傳感器量程的目的。當(dāng)減速機(jī)減速比固定為4∶1時(shí)，量程與傳感器分辨率的關(guān)系如表1所示。可見，隨著量程的變化，分辨率也隨之改變［10］。

表1　傳感器在不同量程時(shí)的分辨率

在鋼絲纏繞過程中，由于纏繞時(shí)鋼絲的疊加和傾斜會產(chǎn)生相應(yīng)的交疊誤差和傾斜誤差，因此在測量時(shí)也會存在一定的隨機(jī)誤差，這部分誤差可以在傳感器的設(shè)計(jì)過程中通過在轉(zhuǎn)動軸上刻制固線凹槽的方法來減小，也可以在解調(diào)系統(tǒng)中通過軟件修正。

3　結(jié)束語

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種量程可調(diào)的光纖光柵位移傳感器，最大測量位移為0～2 000 mm，分辨率為0.89～8.4 mm。該傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、量程大、量程可調(diào)、靈敏度高和易于組網(wǎng)等特點(diǎn)。可在煤礦頂板、液壓支架等要求大量程、高精度、多點(diǎn)、多參量和實(shí)時(shí)監(jiān)測等領(lǐng)域使用，還可用于替代各電子類位移傳感器在其他領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

［1］ 劉焱，王燁.位移傳感器的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2013，32（6）：76-80.

［2］ 王恒.光纖傳感器位移特性的研究與應(yīng)用［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，32（1）：55-58.

［3］ 楊東興，顏樹華，杜列波，等.一種小型化納米級單光柵位移測量系統(tǒng)的研制［J］.紅外與激光工程，2013，42（4）：1020-1025.

［4］ Guo Y，Wang Y，Jin M.Improvement of measurement range of optical fiber displacement sensor based on neutral network［J］.Optik，2014，125（1）：126-129.

［5］ Moreno-Hernandez C J，Monzon-Hernandez D，Martinez-Rios A，et al.Long-Range Interferometric Displacement Sensing With Tapered Optical Fiber Tips ［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2015，27 （4）：379-382.

［6］ 曹春耕.光纖光柵位移傳感器：中國，20045434.4［P］. 2008-03-12.

［7］ 曹清華.布拉格光柵位移傳感器：中國，201020597175. 2［P］.2011-05-25.

［8］ 俞高紅，俞騰飛，葉秉良，等.一種新型行星輪系機(jī)構(gòu)的研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（15）：55-61.

［9］ 彭偉鴻，王英，梅林，等.基于懸臂梁的光纖光柵線性調(diào)諧器研究［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2006，4（4）：36-39.

［10］肖偉新，黃錫山，梁財(cái)春，等.一種新型靈敏度可調(diào)式光纖光柵傳感器［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29（3）：68-72.

A Large Range FBG Displacement Sensor

MA Qiana，c，LI Li-junb，c，YAO Jiab，c，ZHANG Yanb，c，DING Xiao-zheb，c，GAO Chun-tingb，c，GUO Xiao-lib，c，CAO Mao-yonga，c
（Shandong University of Science and Technology a.College of Electrical Engineering and Automation；b.College of Electronic Communication and Physics； 3.Mine Safety Testing Technology and Local Joint Automation Equipment Engineering Research Center，Qingdao 266590，China）

Optical fiber Bragg Grating（FBG）displacement sensor has many advantages such as high sensitivity，intrinsic safety and easy multiplexing，etc.However，it is difficult to obtain a large range FBG displacement sensor due to the limitations of sensitive materials.In this paper，in order to solve this problem，a large range FBG displacement sensor is proposed and demonstrated.The planetary gear train and cantilever beam composite structure are utilized in this sensor.The FBG is pasted on the cantilever beam.Through changing the rotating ratio of the planetary gear train，different range of the sensors are achieved.Finite element analysis method is used to optimize the material and structure of the cantilever.The output characteristics of the sensor in different range are experimentally studied.The results show that the sensor has a very good linear relationship between output wavelengths and displacements and its maxima range can reach 2 000 mm.

displacement sensor；fiber Bragg grating；finite-element analysis；large range

TP212

A

1005-8788（2016）04-0049-03

10.13756/j.gtxyj.2016.04.015

2016-04-11

中國博士后特別資助項(xiàng)目（200902574）；中國博士后面上資助項(xiàng)目（20080441150）；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZR2013FM019，ZR2009AM017）；山東省教育廳資助項(xiàng)目（J06P14）；礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地開放基金資助項(xiàng)目（MDPC201602）

馬茜（1988-），女，山東青島人。博士研究生，主要從事光纖檢測方面的研究。