一种超薄光纤光栅压力环传感器

技术领域

本发明涉及传感器与检测技术领域，具体涉及一种超薄光纤光栅压力环传感器。

背景技术

在高铁中行驶过程中，列车受电弓滑板会一直处于高速运动状态，弓网系统对碳滑板的压力过大。这种情况长期持续并且不予处理，会造成碳滑板异常磨损，不仅影响列车的正常供电，甚至还会产生打火，导致线路运行中断，构成较为严重的运营事故。

在实际中，受电弓有多种减震形式，较为常见的是弹簧套筒减震的受电弓，弹簧套筒安装在受电弓的碳滑板和弓架之间，碳滑板承受来自弓网电缆的压力，并将压力传递给套筒内的弹簧，即套筒底部承受来自弓网的全部压力，因此监测弹簧套筒底部所受压力即可实现弓网压力的获取。弹簧套筒内可供安装的宽度和高度均有限，且实际中还没有完全契合该弹簧套筒结构的监测产品，来实现实时监测受电弓所受弓网压力。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种超薄光纤光栅压力环传感器，能够安装在受电弓的弹簧套筒内，由此实现实时监测受电弓所受的弓网压力，并且及时发现碳滑板的异常磨损，以减少运营事故的产生。

本发明提供的基础方案为：

一种超薄光纤光栅压力环传感器，包括底座、环形悬臂梁和保护壳，所述底座包括底座本体，该底座本体上方固定设置有固定台，所述底座本体上设置有第一通孔，所述环形悬臂梁包括环形悬臂梁本体，该环形悬臂梁本体顶部固定设置有受压凸台，该环形悬臂梁本体的底部设置了环形槽，所述环形槽内埋设有光纤光栅，该光纤光栅与所述受压凸台相对设置，所述受压凸台与所述固定台错开且数量一致，所述环形悬臂梁本体通过抵接所述固定台与所述底座可拆卸地连接，所述保护壳顶部与所述受压凸台抵接并插接在所述环形悬臂梁上。

本发明的技术原理和有益效果为：环形悬臂梁顶部设置有受压凸台，底部和受压凸台相对应位置设置有光纤光栅，把光纤光栅埋设于受压凸台下方的环形槽内，用于实时监测受压凸台的压力。环形悬臂梁安装于底座的固定台上，固定台相当于支点，目的在于让上方环形悬臂梁远离固定台的部分处于悬空状态，类似于悬臂梁。在此基础上，受压凸台突出于整个环形悬臂梁，由于此时环形悬臂梁远离固定台的部分一直处于悬空状态，上方弹簧套筒传递的压力会全部集中在这两个受压凸台上，通过受压凸台也能让压力集中加载到光纤光栅的位置，由此可以实现对受电弓所受的弓网压力的监测，并且保证压力监测的准确性。整个产品外部还添加了保护套，作用是提供一个平面来直接接触弹簧套筒底部，实现对弹簧套筒底部压力的加载和有效传递。

目前利用弹簧套筒减震的受电弓的压力监测，关乎到碳滑板异常磨损以及运营安全，成为使用该类型减震的受电弓一个亟待解决的问题。本发明借鉴了悬臂梁结构，在单支点的悬臂梁原理基础上进行了改进和创新，使用的是环形悬臂梁的方式，在同样的压力作用下，悬臂端(即环形悬臂梁)变形更小，且压力集中分布在受压凸台上，过载能力更高，保障运行期间结构不损坏，满足了在受电弓运行的过程中附属结构变形不可过大的要求，也使产品整体的过载能力大大提高。在环形槽内可以放多个光电光栅，保证了受电弓压力监测的同时，安全性能可靠。

额外的，本发明中用于压力监测的光纤光栅属于波长调制型，在一个通道可以容纳并且串联多个不同的光纤光栅，相互之间不会干扰。

进一步，还包括光纤尾纤，所述底座本体上还固定连接有出线筒，该出线筒位于所述第一通孔的下方，所述出线筒为中空圆柱，所述光纤尾纤依次穿过出线筒和所述第一通孔与所述光纤光栅固定连接。

光纤光栅能够和普通光纤间具有良好的兼容性，光纤尾纤即为普通光纤，而普通光栅上能够刻蚀光纤光栅，通过普通光纤进行信号传输，将光纤内部的光栅反射的光谱传递给外部的光纤光栅解调仪，以此来得到悬臂环梁两侧受压凸台所受的压力值。

进一步，所述固定台上设置有第二通孔，所述环形悬臂梁本体上还设置有第三通孔，所述环形悬臂梁本体通过螺钉依次穿过所述第三通孔和所述第二通孔与所述固定台可拆卸连接；所述受压凸台上还设置有第四通孔，所述保护壳上设置有第五通孔，所述保护壳通过螺钉依次穿过所述第五通孔和所述第四通孔与所述受压凸台可拆卸连接。

将固定台和环形悬臂梁本体，保护壳和受压凸台均通过螺钉实现连接，方便整个装置的安装和拆卸。

进一步，所述第二通孔和所述第四通孔均为螺纹孔，所述第一通孔、所述第三通孔和所述第五通孔均为光孔。

通过铰刀在固定台、受压凸台上铰孔，形成精度较高的螺纹孔，来实现保护壳、环形悬臂梁和底座的可拆卸稳固连接，而出线筒上方的第一通孔，环形悬臂梁本体，以及保护壳上的第五通孔没有特殊要求，制成光孔方便配合使用即可。

进一步，所述环形悬臂梁本体和所述受压凸台一体成型。

将环形悬臂梁本体和受压凸台一体成型制造出来，能提升整体结构的强度和支撑度，能够使用更长时间。另外，受压凸台受到压力时能够产生一定形变同时能够恢复原状，便于更好地传递压力给光栅光纤。

进一步，所述受压凸台和所述固定台均为两个，该受压凸台对称设置在所述环形悬臂梁上，该固定台对称设置在所述底座上，两个受压凸台中心相连形成第一直线，该第一直线与所述两个固定台中心相连形成的第二直线垂直。

从俯视角度来看本发明，两个受压凸台位于整个圆环的最上方和最下方，对称设置，而两个固定台位于最左方和最右方，同样也对称设置，这样都能使受力均匀，并且整体结构稳定。

进一步，所述固定台的内壁和外壁分别与所述环形悬臂梁本体的内壁和外壁齐平，所述受压凸台的内壁和外壁分别与所述环形悬臂梁本体的内壁和外壁齐平。

受压凸台、固定台的内外壁和环形悬臂梁本体的内外壁齐平，即它们的宽度相同，这样在外形美观的同时也能给保证结构的稳定性。

进一步，所述光纤光栅通过光纤专用胶封固于所述环形槽内。

进一步，所述底座本体为圆环，该圆环的底部外周向外延伸并形成台阶。

将底座本体的底部外周向外延伸并形成台阶，使最底部的面积大于上层的面积，给出线筒的固定设置预留足够空间。

进一步，所述保护壳包括内侧板、外侧板和顶板，三者围合形成顶部封闭底部敞口的环柱形空腔，所述环形悬臂梁穿设在所述环形柱空腔内，所述环形悬臂梁与所述环形柱空腔同轴设置，所述顶板抵接在所述受压凸台上。

由于保护壳环柱形空腔的设计，其内壁可以贴合在环形悬臂梁上，外壁底部可以贴合在环形悬臂梁的外壁上，从而对环形悬臂梁起到保护作用，同时提供一个圆环平面来直接接触弹簧套筒底部，实现对弹簧套筒底部压力的加载和有效传递。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明一实施例提供的超薄光纤光栅压力环传感器的立体主视图；

图2为图1所示的去除保护壳后超薄光纤光栅压力环传感器的立体主视图；

图3为底座的立体主视图；

图4为环形悬臂梁的立体仰视图；

附图标记：

1-底座；2-保护壳；21-第五通孔；3-出线筒；31-第一通孔；4-光纤尾纤；5-环形悬臂梁；51-第三通孔；6-受压凸台；61-第四通孔；7-固定台；71-第二通孔；8-底座本体；9-环形槽；10-光纤光栅；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例基本如附图1、附图2、附图3和附图4所示：一种超薄光纤光栅压力环传感器，包括底座1、环形悬臂梁5和保护壳2，底座1包括底座本体8，该底座本体8上方固定且对称设置有固定台7，该底座本体8上还设置有第一通孔31，环形悬臂梁5包括环形悬臂梁本体，该环形悬臂梁本体顶部固定设置有受压凸台6，环形悬臂梁本体和受压凸台6一体成型，且整个环形悬臂梁5均采用弹性优秀的耐腐蚀金属材料，该环形悬臂梁本体的底部还设置了环形槽9，环形槽9内埋设有光纤光栅10，光纤光栅10通过光纤专用胶封固于环形槽9内，该光纤光栅10与受压凸台6相对设置，受压凸台6与固定台7错开设置。

固定台7上设置有第二通孔71，在环形悬臂梁本体上还设置有第三通孔51，环形悬臂梁本体通过螺钉依次穿过第三通孔51和第二通孔71与固定台7可拆卸连接；受压凸台6上还设置有第四通孔61，保护壳2上设置有第五通孔21，保护壳2通过螺钉依次穿过第五通孔21和第四通孔61与受压凸台6可拆卸连接。该第二通孔71、第四通孔61均为螺纹孔，优选为一种铰刀铰成的螺纹孔，第一通孔31、第三通孔51和第五通孔21均为光孔即可。

还包括光纤尾纤4，光纤尾纤4是一种普通光纤，同时光纤光栅10可以刻蚀在普通光栅上，通过普通光纤进行信号传输。在上述底座本体8上还固定连接有出线筒3，该出线筒3位于第一通孔31的下方，出线筒3为中空圆柱，光纤尾纤4依次穿过出线筒3和第一通孔31与光纤光栅10固定连接。

如附图2所示，本实施例中受压凸台6和固定台7均为两个，也可以根据实际情况设置多个，不过受压凸台6和固定台7的数量需要一致，该受压凸台6对称设置在环形悬臂梁5上，该固定台7对称设置在底座1上，两个受压凸台6中心相连形成第一直线，该第一直线与两个固定台7中心相连形成的第二直线垂直。并且固定台7的内壁和外壁与环形悬臂梁本体的内壁和外壁齐平，受压凸台6的内壁和外壁分别与环形悬臂梁本体的内壁和外壁齐平。

如附图3所示，底座本体8为圆环，该圆环的底部外周向外延伸并形成台阶。保护壳2包括内侧板、外侧板和顶板，三者围合形成顶部封闭底部敞口的环柱形空腔，上述环形悬臂梁5穿设在环形柱空腔内，环形悬臂梁5与该环形柱空腔同轴设置，顶板抵接在受压凸台6上。保护壳2通过顶板与受压凸台6抵接并插接在环形悬臂梁5上。安装好后的保护壳2与上述底座本体8的台阶之间有距离，便于压力的传递。

额外的，由于本发明中用于压力监测的光纤光栅10属于波长调制型，在一个通道可以容纳并且串联多个不同的光纤光栅10，在环形槽9内还同时添加了测温光栅，用于温度补偿。

使用时，在受电弓弹簧套筒的套筒底部可打5mm孔，内部紧留有一定空间的环形空间，可将本产品安装到套筒底部，同时出线口3的直径为4mm，可穿过套筒底部5mm的孔，由此将光纤尾纤4接入外部的光纤光栅解调仪，实时采集环形悬臂梁两侧的压力值，以此来实时监测受电弓所受的弓网压力。

光纤光栅10自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域。光纤光栅传感器是以光纤光栅10为核心传感元件封装而成的一种新型传感器，通过检测写入光纤内部的光栅反射的布拉格波长光谱，实现被测结构的应力、应变、温度量值的绝对测量。光纤光栅传感器自身无需供电，本安型满足管廊防火防爆需求，并且具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、高灵敏度和低成本等优点。而受电弓高压电网下作业，电类传感器难以正常工作，电缆也有引电入车的危险，因此本发明采用光纤光栅技术封装受电弓弓网压力传感器。

本发明可解决受电弓弓网压力监测的技术缺陷，电类压力传感器尺寸难以满足受电弓弹簧套筒的特殊尺寸，以及电类传感器的电缆在高压弓网下工作危险性极高的问题。同时本发明尺寸精小、安装简易、易于量产，监测精度可高达0.1N。

另外，本发明还可用于各种机械设备，如汽车减震器中的压力监测，其中的保护壳也可以根据实际需要设计形状，而并非圆柱形。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。