一种位移传感器

技术领域

本发明涉及位移传感器技术领域，尤其涉及一种位移传感器。

背景技术

位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。但是小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，被广泛使用。

但是，应用于汽车上的位移传感器在使用时，依然存在易拉断、测量范围窄和灵敏度低的问题，同时还对温度高度敏感，达不到使用要求，存在测量不精确的现象。为此，我们提出了一种位移传感器。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种位移传感器。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种位移传感器，包括FBG、弹性元件一、底座一以及探针；

所述弹性元件一呈对称的弓形状，且弹性元件一的两端均呈水平状；

所述FBG贴附于弹性元件一的上下表面中部；

所述弹性元件一下侧的一端设置于底座一上表面的一端，所述弹性元件一下侧的另一端与探针相连接；

所述底座一靠近探针的一侧上表面安装有底座二，所述底座二上插设有导杆，导杆延伸至底座二外侧的一端与探针相固定连接；

当有外力推动探针时，弹性元件一靠近探针的一端产生位移ΔL，弹性元件一变形，使处于弹性元件一上下表面的FBG随之感知应变，且应变大小相等方向相反；

此时，通过解调仪解调出两个FBG的波长变化，将两光栅反射出的波长漂移量取差值，达到位移测量及温度补偿的目的；具体为：

当L发生变化时，弹性元件一的截面发生应变，此时计算出截面的弯矩得出截面的应变，所述弹性元件一的力矩为M、拉力为F，在F＝1单独作用时，末端B沿F方向的相对位移为δ11，沿M方向的相对位移为δ21，在M＝1单独作用时，末端B沿F方向的相对位移为δ12，沿M方向的相对位移为δ22，在F和M的联合作用下，末端B沿F方向的相对位移为ΔL，沿M方向的相对位移为0，正则方程如下：

δ11F+δ12M＝ΔL，

δ21F+δ22M＝0；

利用莫尔定理计算上述方程的4个系数：

其中

再根据上述正则方程得出：

根据材料力学得出，弹性元件一的截面弯矩为：

弹性元件一的截面的应变为：

由光纤光栅性质可知：

对温度解耦求得：

最终得出：

优选的，所述弹性元件二为半弓形状，且弹性元件二的下端为水平状，所述底座一为“L”状，所述弹性元件二的上端与底座一上端相接触，所述底座一远离竖直部分的上表面端部安装有底座二，所述弹性元件二的另一端与探针相连接；

所述底座二上插设有导杆，所述导杆延伸至底座二外侧的一端与探针相连接。

优选的，当有外力推动探针时，半弓形的弹性元件二靠近探针的一端产生位移，弹性元件二变形，使处于弹性元件二上下表面的FBG感知应变，且应变大小为1:2，方向相反。

优选的，当(a+b)的长度发生变化时，CD段的截面发生应变，此时计算出CD截面的弯矩即可得出截面的应变，与上述的弹性元件一的计算方法相同。

优选的，得出：

由于所处环境相同，对温度解耦求得：

其中ψ为求解出的系数值。

优选的，当传感器所测位移量为定值时，尺寸h越小，d数值越大，弹性元件一的应变越大，此时传感器的灵敏度越高。

本发明提出的一种位移传感器，有益效果在于：

通过弓形的半弓形的弹性元件上分别设置FBG，均能满足测量值稳定可靠、精度高、抗电磁干扰能力强、温度不敏感的要求，符合实际使用场景，测量精确。

附图说明

图1为本发明提出的一种位移传感器的的弹性元件一的结构示意图；

图2为本发明提出的一种位移传感器的弹性元件一的尺寸标注图；

图3为本发明提出的一种位移传感器的受力分析简图一；

图4为本发明提出的一种位移传感器的分段计算示意图；

图5为本发明提出的一种位移传感器的在F＝1单独作用时受力图；

图6为本发明提出的一种位移传感器的在M＝1单独作用时受力图；

图7为本发明提出的一种位移传感器的弹性元件二的结构示意图；

图8为本发明提出的一种位移传感器的弹性元件二的尺寸标注图；

图9为本发明提出的一种位移传感器的方型光纤光栅传感器尺寸与应变关系的三维示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

参照图1-6和图9，一种位移传感器，包括FBG、弹性元件一、底座一以及探针；

弹性元件一呈对称的弓形状，且弹性元件一的两端均呈水平状；

FBG贴附于弹性元件一的上下表面中部；

弹性元件一下侧的一端设置于底座一上表面的一端，弹性元件一下侧的另一端与探针相连接；

底座一靠近探针的一侧上表面安装有底座二，底座二上插设有导杆，导杆延伸至底座二外侧的一端与探针相固定连接；

当有外力推动探针时，弹性元件一靠近探针的一端产生位移ΔL，弹性元件一变形，使处于弹性元件一上下表面的FBG随之感知应变，且应变大小相等方向相反；

此时，通过解调仪解调出两个FBG的波长变化，将两光栅反射出的波长漂移量取差值，达到位移测量及温度补偿的目的；具体为：

当L发生变化时，弹性元件一的截面发生应变，此时计算出截面的弯矩得出截面的应变，弹性元件一的力矩为M、拉力为F，在F＝1单独作用时，末端B沿F方向的相对位移为δ11，沿M方向的相对位移为δ21，在M＝1单独作用时，末端B沿F方向的相对位移为δ12，沿M方向的相对位移为δ22，在F和M的联合作用下，末端B沿F方向的相对位移为ΔL，沿M方向的相对位移为0，正则方程如下：

δ11F+δ12M＝ΔL，

δ21F+δ22M＝0；

利用莫尔定理计算上述方程的4个系数：

其中

再根据上述正则方程得出：

根据材料力学得出，弹性元件一的截面弯矩为：

弹性元件一的截面的应变为：

由光纤光栅性质可知：

对温度解耦求得：

最终得出：

温度解耦之后，光纤光栅的反射波长漂移量仅与弹性元件一的应变有关,所以讨论弹性元件一的应变与尺寸的关系就可得出波长漂移量与尺寸的关系。由

由图9可知，当传感器所测位移量为定值时，尺寸h值越小,d值越大,弹性元件一的应变越大,此时传感器的灵敏度也就越高。因该传感器可用来测量汽车变形的微位移，为了在使用时使传感器既有一定的抗振作用，又满足零敏感的要求,故传感器的外观尺寸要尽量小。

实施例2

参照图7-8，弹性元件二为半弓形状，且弹性元件二的下端为水平状，底座一为“L”状，弹性元件二的上端与底座一上端相接触，底座一远离竖直部分的上表面端部安装有底座二，弹性元件二的另一端与探针相连接；

底座二上插设有导杆，导杆延伸至底座二外侧的一端与探针相连接。

当有外力推动探针时，半弓形的弹性元件二靠近探针的一端产生位移，弹性元件二变形，使处于弹性元件二上下表面的FBG感知应变，且应变大小为1:2，方向相反，当(a+b)的长度发生变化时，CD段的截面发生应变，此时计算出CD截面的弯矩即可得出截面的应变，与上述的弹性元件一的计算方法相同(在此不再赘述)。

得出：

由于所处环境相同，对温度解耦求得：

其中ψ为求解出的系数值，当传感器所测位移量为定值时，尺寸h越小，d数值越大，弹性元件二的应变越大，此时传感器的灵敏度越高。

本发明中的使用原理及优点：

结合两种弹性元件，通过温度补偿实验得知，温度补偿后的弹性元件一和弹性元件二的传感器的温度灵敏度均为极小值，即两种弹性元件传感器均对温度不敏感。

对比两种弹性元件一和弹性元件二,弹性元件二FBG传感器的线性度较好，而弹性元件一FBG传感器的灵敏度与实际计算更加相符且温度补偿效果更好。与弹性元件一相比,弹性元件二结构更为简单,干扰因素少,所以实验的线性度较好。弹性元件一上下壁位置的应变差别不大，更容易选择粘贴位置；而弹性元件二FBG粘贴位置周围的应变变化较大,FBG粘贴位置稍有偏差，弹性元件二FBG传感器的灵敏度就会有所改变,这是造成弹性元件二FBG传感器的灵敏度与理论计算的符合度、以及温度补偿效果都稍逊色于弹性元件一FBG传感器的主要原因；

通过弓形的半弓形的弹性元件上分别设置FBG，均能满足测量值稳定可靠、精度高、抗电磁干扰能力强、温度不敏感的要求，符合实际使用场景，测量精确。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。