纜索拉力光纖微彎傳感器及其非線性補償

吳麗雙

(泉州師范學院物理與信息工程學院，福建泉州362000)

1 引言

光纖傳感器具有靈敏度高、隱蔽性好、體積小、抗電磁干擾能力強、化學穩定性好、耐高溫、可調參數多以及結構元件無金屬化等優點，在工業、軍事、醫療等領域都得到廣泛的應用［1－3］，作為拉力傳感器已應用于大型海上浮吊光纖光柵拉力傳感器系統［4］、汽車動態稱重系統［5］等領域。電梯和起重機是現代生活中經常用到的設備，其安全性也日益受到人們的關注。為避免電梯和起重機超載引起安全隱患，也需要安裝纜索拉力傳感器［6］。光纖應力傳感器的種類繁多，各有優缺點，但對于實際應用而言，結構簡單、可靠，成本低廉的光纖傳感器才具有市場競爭力。為此本文設計了一種結構簡單、使用方便的纜索拉力光纖傳感器，采用光纖微彎傳感原理，通過分析傳感器力學原理，結合實驗測試，驗證該光纖拉力傳感器的可行性和響應特性。

2 纜索拉力光纖傳感器工作原理

圖1為用于纜索拉力測量的光纖傳感器結構示意圖，該傳感器類型屬于光纖微彎傳感器。用一根細鋼絲繩將光纖微彎傳感器固定在纜索上。光纖微彎傳感器由兩塊波形壓板(變形器)和兩只彈簧構成。其中一塊波形壓板是固定板，另一塊是活動板，用兩只彈簧將其連接到固定板上。將一根多模光纖(階躍型或漸變型)從兩塊波形壓板之間通過。當活動板受到細鋼絲繩的壓力時，光纖就會發生周期性彎曲，一部分光從纖芯中的傳播模耦合到包層的輻射模，產生損耗。當活動板所加的壓力增加時，泄漏到包層中的散射光強度隨之增大，光纖芯模的輸出光強度減小，這樣光強受到了調制。通過檢測泄漏出包層的散射光強度或光纖芯透射光強度就能測出壓力信號的變化量。

圖1 光纖拉力傳感器結構示意圖

光纖微彎損耗是光纖隨機畸變而產生的高次模與輻射模之間的模耦合所引起的光功率損失，規則變形器微彎衰減大小可由下式求出［7］:

式中，N是微彎變形器的齒數;h是微彎突起的高度;E是涂層材料的楊氏模量;Ef是光纖的楊氏模量;a為纖芯半徑，b為光纖外半徑;Δ為光纖的相對折射率差。

設纜索的拉力為F，纜索的楊氏模量為E0，橫截面積為S，則纜索的長度應變為ε=。當光

0纖微彎傳感器在纜索上的安裝長度為L時，其間的伸長長度可表示為:

根據三角關系，纜索伸長ΔL將引起斜邊細鋼絲繩的長度變化Δl和微彎變形器活動板的位移h，關系式為:

設細鋼絲繩的楊氏模量為E1，橫截面積為S1，所受拉力為F1，則有:

變形器活動板位移方向受細鋼絲繩合壓力F2=2F1sinα，設彈簧的彈性系數為k，當忽略光纖的橫向應力，可得微彎變形器活動板的位移h為:

由式(1)～(5)最后可得纜索的拉力F與光纖微彎衰減值Am的關系為:

3 實驗結果與分析

纜索拉力光纖傳感器實驗裝置如圖2所示。實驗裝置設有一個LED光源輸出口，一個PIN光電探測器輸入口，通過一根多模光纖(其數值孔徑NA=0.19，纖芯半徑 a=25 μm)連接，調節 LED 驅動電流即可調節輸入光強，LED光源發射中心波長為890 nm的光，由多模光纖傳輸，經過變形器時受到調制，輸出光強隨變形器位移變化而變化，變形器的位移變化量由所加重物的重量決定。PIN端將測得的輸出光強轉化為電壓信號，送至輸出顯示。其中變形器總齒數18齒，齒距為2.9 mm。當彈簧工作在線性區(小變形量)時，實驗結果如圖3所示，實驗數據的擬合曲線與式(6)計算的理論曲線重合很好。

圖2 實驗裝置示意圖

根據圖3的測試結果可得輸出光強度(電壓)與纜索所受拉力(重力)的擬合關系式為:

圖3 實驗測試結果曲線

上述理論計算結果和實驗測試結果都說明輸出光強(電壓)與纜索拉力的關系存在非線性特性，傳感靈敏度隨著拉力的增大而提高。為了克服這種纜索拉力光纖傳感器的非線性缺點，本文采用如圖4(a)所示的梯形彈簧，其形變量與壓力的關系曲線如圖4(b)所示，當施加在彈簧上的壓力增加時彈簧形變量隨著減小，可抵消光纖變形器位移傳感器的非線性。從圖4(b)易看出梯形彈簧的響應曲線呈非線性，這是因為該彈簧承受的壓力增加時，簧圈從大端開始并死，隨著并死圈數的增多，有效圈數相應的減少，彈簧剛度也隨之逐漸增大，直到彈簧完全壓并為止，這一階段壓力與形變量呈非線性關系，因此在圖1所示的光纖拉力傳感器結構中，只要彈簧工作在此非線性區域中，通過選擇合適參數，就能補償圖3所示的響應非線性。圖5所示曲線為經過優化的梯形彈簧補償后的纜索拉力傳感特性曲線，可以看到響應曲線具有很好的線性度。

圖4 梯形彈簧及其響應曲線

圖5 經過補償的纜索拉力傳感特性曲線

4 結論

本文針對纜索拉力引起應變和力學關系的基本原理分析，根據光纖微彎傳感器的相關理論，設計了一種結構簡單、使用方便的纜索拉力光纖傳感器。實驗測試了纜索拉力光纖傳感器的響應曲線，結果表明實驗數據擬合曲線與理論曲線吻合很好，并顯示存在非線性響應特性。經過梯形彈簧的非線性補償，實驗結果證明纜索拉力光纖傳感器可以獲得很好的線性響應。該纜索拉力光纖傳感器可應用于電梯、塔吊、起重機、空中索道等場合的拉力監測。

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