用于轧制力测量的微分光纤干涉式传感器的研究

【摘要】： 机械工程中测量轧制力的方法有两种：应力测量法和传感器测量法。应力测量法，由于中性面难以确定及四个立柱受力不均等因素，有时引起较大误差。传感器测量法，测力传感器分为电容式、压磁式、电阻应变式。其中以电阻应变式为主流，但它的测量精度易受电磁、温漂等因素干扰。本文设计了一种微分干涉式光纤应变传感器，通过测量轧机内安装的弹性元件的应变来测量轧制力，其结构简单，精确度及灵敏度高，易于安装与使用。 微分干涉式光纤应变传感系统由传感头、光路、光电转换电路、信号处理电路组成。本系统以安装于轧机内的弹性元件为第一敏感元件，把它的形变转换为光纤的应变，来调制光的相位。文中介绍了调制原理、选择弹性元件的原则，推导了传感头的数学模型。光相位的检测是采用萨格纳克微分干涉仪来实现的。文中设计了应用于本系统的干涉仪结构，推导了光路的数学模型。该干涉仪使调制相位被压缩了上百倍，提高了线性度，扩大了动态测量范围。对光强信号的检测，文中设计了集光电检测、电流-电压转换为一体的前置放大电路，提高电路性能的滤波电路，解相位压缩的积分电路。 在完成系统设计和元件优化选择后，以压电陶瓷替代轧机内的弹性元件，通过在其内外表面加驱动电压使其产生变形，用上述微分干涉式传感器测量该应变。实验表明，本文的设计是正确的、可行的。其精度达到了灵敏度为0.15V／με。本系统还适用于其他场合的动态应变、应力的测量，对环境噪声具有较好的抑制作用。