一种适用于冷轧板形检测的金属化光纤光栅应力传感器的制作方法

1.本发明涉及光纤及光学器件技术领域和金属冷轧加工装备领域，尤其是一种适用于冷轧板形检测的金属化光纤光栅应力传感器，属于一种光纤光栅应力传感器。


背景技术：

2.金属冷轧板带板形检测装备作为金属压延加工领域所必须的基础设备，对于保证板材轧制质量、提高板带加工生产效率具有重要意义。现有板形检测仪广泛使用的应力传感器以电子式或者机械式传感器为典型代表，在测量精度、测量速度、工艺结构和抗干扰等方面都存在诸多问题。
3.光纤光栅传感技术是光纤传感领域的一个重要分支，因其具有结构简单、检测精度高、响应速度快、耐油污、抗电磁干扰等特点，非常适合应用在强电磁干扰环境下的温度、应力、应变等参量的检测领域。随着对光纤光栅传感器理论的不断探索，利用光纤光栅制作的应力传感器、应变传感器、温度传感器、加速度传感器等各类型传感器，近年来已经广泛应用于航空航天、生物医学、海洋工程、结构健康监测等工程领域。
4.各种光纤光栅传感器中的应力敏感元件主要包括有弹性圆柱、空心弹性圆柱、悬臂梁、扭转棒、圆形膜片等形式。传统的将光纤光栅粘贴在弹性金属圆柱表面的应力传感器制备方法，需要经过大面积应力传递才能够最终被解调设备检测到，承受的载荷大但产生的位移小，所制备的传感器应力灵敏度不够高，应用范围受到很大限制。其他的，如利用悬臂梁结构的制备方法，以应变或自由端的位移作为输出量，结构简单、灵敏度高，但常用于检测较小的力和应变。


技术实现要素：

5.本发明需要解决的技术问题是提供一种适用于冷轧板形检测的金属化光纤光栅应力传感器，加工工艺简单、成本低廉且工作稳定的适用于冷轧板形检测的金属化光纤光栅应力传感器，并可适用其它需要精密测量压应力的工业场合。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种适用于冷轧板形检测的金属化光纤光栅应力传感器，包括开口向上的圆筒形的圆筒型底座、设置在圆筒型底座开口处的与圆筒型底座的开口固定连接的弹性金属圆盘、固定连接在弹性金属圆盘上表面上的开口向下的压力接触盖帽，固定连接在圆筒型底座、弹性金属圆盘和压力接触盖帽围成的空间内的金属化光纤光栅，所述金属化光纤光栅从圆筒型底座内向上延伸穿透弹性金属圆盘的厚度进入压力接触盖帽的内部之后向下延伸再穿透弹性金属圆盘的厚度回到圆筒型底座内。
7.本发明技术方案的进一步改进在于：所述金属化光纤光栅的两端与法兰接头固定连接，法兰接头固定连接在圆筒型底座的外壁面上，两个法兰接头分别位于相对设置在圆筒型底座的外壁面的前后两侧上。
8.本发明技术方案的进一步改进在于：所述法兰接头固定连接在圆筒型底座的外壁
面的高度方向的中间部分。
9.本发明技术方案的进一步改进在于：所述金属化光纤光栅的外表面上设至有光栅金属镀膜区。
10.本发明技术方案的进一步改进在于：所述圆筒型底座的内部型腔的底面上固定连接有圆筒型底座底部小圆柱体，圆筒型底座底部小圆柱体上设置有小圆柱体中心的通孔和小圆柱体中心到边缘的凹槽，金属化光纤光栅插入小圆柱体中心的通孔和小圆柱体中心到边缘的凹槽中。
11.本发明技术方案的进一步改进在于：所述弹性金属圆盘上设置有与金属化光纤光栅相配合的穿透弹性金属圆盘厚度的两个弹性金属圆盘的通孔。
12.本发明技术方案的进一步改进在于：所述金属化光纤光栅上设置有两个光栅两端的镍管。
13.本发明技术方案的进一步改进在于：所述金属化光纤光栅上的两个光栅两端的镍管与圆筒型底座底部小圆柱体焊接连接。
14.由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：本发明加工工艺简单、成本低廉且工作稳定的适用于冷轧板形检测的金属化光纤光栅应力传感器，并可适用其它需要精密测量压应力的工业场合，结合弹性圆柱法和悬臂梁法各自的优势，利用弹性金属圆盘可以测量大载荷的特点，同时通过自由端，即弹性金属圆盘的位移直接影响光栅中心波长的变化，尽可能减少了应力传递损耗导致的传感器灵敏度降低的弊端。本发明传感器灵活设计，扩大了设备适用范围，便于应用到更多工业测量检测领域中。
15.本发明传感器应力测量值仅与传感器所受的轴向应力大小有关而与传感器周围受力方向无关，可更有效的反映出受力点处的应力水平。
16.把光纤光栅留在传感器内部，法兰接头作为对外接口，传感器只留接口对外的结构，这样可以保证传感器在旋转或其他复杂工作环境能够正常工作，不易损坏。避免了光栅封在表面，光纤要穿过下底座留在板型检测辊的内部，转起来特别容易断的结构，延长了设备使用寿命。
17.本发明传感器可以串联形成级联光纤光栅传感器网络，并进行准分布式的应力测量；通过调整各传感器的位置，可以对测量内容进行温度补偿，如将四个传感器固定在冷轧板型检测仪的一面测量应力变化，同时将一个传感器固定在冷轧板型检测仪对面位置，不受应力作用只测量温度变化，根据温度补偿光纤光栅的波长值消除由于温度变化引起的传感器波长漂移，提高测量精度。
18.本发明传感器抗电磁干扰性能好，在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响；光纤光栅为无源器件，无需电源驱动，制备安装方便，易于解调。
附图说明
19.图1是传感器结构正视剖切结构示意图；图2是图1的侧视剖切结构示意图；图3是传感器弹性金属圆盘俯视示意图；图4是金属化光纤光栅结构示意图；
图5是传感器圆筒型底座俯视示意图；其中，1、压力接触盖帽，2、金属化光纤光栅，21、光栅金属镀膜区，22、光栅两端的镍管，3、法兰接头，4、弹性金属圆盘，41、弹性金属圆盘的通孔，42、表面圆环形凹槽，5、圆筒型底座，51、圆筒型底座外壁，52、圆筒型底座内壁，53、圆筒型底座底部小圆柱体，54、小圆柱体中心的通孔，55、小圆柱体中心到边缘的凹槽。
具体实施方式
20.下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：如图1至图5所示，一种适用于冷轧板形检测的金属化光纤光栅应力传感器，本发明传感器为中空结构，主要由圆筒型底座5、弹性金属圆盘4、压力接触盖帽1、金属化光纤光栅2和法兰接头3组成。如图1或图3或图5中所示，圆筒型底座5的圆筒型底座外壁51与圆筒型底座内壁52构成的台阶可以紧密承接固定弹性金属圆盘4；弹性金属圆盘4上表面的圆环形凹槽42可以与压力接触盖帽1紧密嵌合；弹性金属圆盘4上的通孔41与圆筒型底座5底部的小圆柱体中心的通孔54、中心到边缘的小圆柱体中心到边缘的凹槽55可以穿过并固定金属化光纤光栅2。
21.所述弹性金属圆盘4为扁圆柱体，上表面有圆环形凹槽42，圆环形凹槽42可以与压力接触盖帽1紧密嵌合，一方面保护金属化光纤光栅2不易损坏断裂，另一方面可以通过压力接触盖帽1传递应力信息到弹性金属圆盘4，使之产生微小形变，进而影响金属化光纤光栅2自由端的位移变化量；所述弹性金属圆盘4中心和靠近圆环形凹槽42边缘的位置有两个弹性金属圆盘的通孔41用来穿进穿出金属化光纤光栅2；所述圆筒型底座5底部有一凸起小圆柱体，就是圆筒型底座底部小圆柱体53，圆筒型底座底部小圆柱体53中心的小圆柱体中心的通孔54及中心到边缘位置的一道小圆柱体中心到边缘的凹槽55用于金属化光纤光栅2的固定和走线；所述金属化光纤光栅2有两个镍管，可以焊在圆筒型底座5和弹性金属圆盘4中心的对应位置上来固定金属化光纤光栅2并施加一定的预应力；所述金属化光纤光栅2的外表面上设至有光栅金属镀膜区21；所述金属化光纤光栅2的两端连接法兰接头3，作为对外接口；所述法兰接头3固定连接在圆筒型底座5的外壁面的高度方向的中间部分；多余的光纤沿圆筒型底座内壁52内壁粘牢，或藏于弹性金属圆盘4与压力接触盖帽1之间的中空位置中。
22.具体的制造方法：首先将两个法兰接头3嵌入并焊死在圆筒型底座5的外壁的对应的前后表面上，也就是在圆筒型底座外壁51上；然后将如图4所示的金属化光纤光栅2的一端剪短并连接到法兰接头3上，将金属化光纤光栅2沿圆筒型底座5的内壁向下固定，也就是沿圆筒型底座内壁52向下延伸，埋入圆筒型底座5的圆筒型底座底部小圆柱体53上的小圆柱体中心到边缘的凹槽55中，留好长度使金属化光纤光栅2的这一端的光栅两端的镍管22嵌入一半的长度在圆筒型底座5的底部圆筒型底座底部小圆柱体53上的小圆柱体中心的通孔54中，激光焊接固定好这一端；将金属化光纤光栅2的另一端穿过如图3所示的弹性金属圆盘4的两个弹性金属圆盘的通孔41再回到圆筒型底座5的内部，并连接到另一个法兰接头3上，将金属化光纤光栅2沿圆筒型底座5的圆筒型底座内壁52向上固定，一直固定到弹性金
属圆盘4的弹性金属圆盘的通孔41旁边；此时将弹性金属圆盘4盖在圆筒型底座5的开口处，激光焊接固定好这两部分；之后使用夹具竖直固定弹性金属圆盘4的中心的弹性金属圆盘的通孔41漏在外面的那一段光纤，旋转游标施加一定的预应力并将金属化光纤光栅2自由端的镍管22焊接固定在弹性金属圆盘4的弹性金属圆盘的通孔41上，至此形成内部中空、光纤光栅悬空、通过自由端弹性金属圆盘4的位移直接影响光栅中心波长的变化的传感器主体结构；最后理好弹性金属圆盘4的两个弹性金属圆盘的通孔41之间漏在外面的那一段光纤，盖上压力接触盖帽1并焊接固定到传感器主体结构上，完成整个传感器的制备。
23.最终制成的传感器的性能与弹性金属圆盘4选取的材料及厚度直接相关。弹性金属圆盘4的微小位移与外部压应力之间存在线性关系。弹性金属圆盘4的厚度影响上述线性关系的梯度；厚度越大，线性梯度越小，位移变化导致的光纤光栅中心波长的变化量也就越小。根据上述性质，可以很好的根据工程需要，选取不同材料及厚度的弹性金属圆盘4来设计传感器的量程。基于此，本发明传感器可以灵活设计，从而应用到更多工业测量检测领域中。