CN101526339A - 温度自补偿光纤光栅位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，它是利用毛细金属管封装的两只裸光纤光栅通过金属连接块、弹簧和连接杆与探头相连，形成位移传感器实施其功能的主体，再将此主体安装于金属盒内，最后将毛细金属管的端部通过金属连接块与金属盒固定，光纤从金属连接块和金属盒侧壁上的小孔穿出，探头通过金属盒的导杆孔可以自由伸缩。当位移传感器安装于结构上，在结构产生位移时，探头和金属盒发生相对运动，这使得光纤光栅伸长或者缩短，从而产生光纤光栅工作波长的漂移，利用位移传感器的温度补偿理论和位移计算公式可以测试结构的位移和温度。

Description

温度自补偿光纤光栅位移传感器

技术领域

本发明涉及一种位移测量装置，尤其是对土木工程结构模型试验和长期使用过程中的位移进行测量的传感器。

背景技术

目前，普通电式、振弦式位移传感器安装在结构上，可以短期或者长期测量结构在各种荷载下的位移，以分析结构的受力状况。但此类位移传感器在工程应用中尚有一定的局限性，如电式位移传感器容易受到电磁干扰、测量信号不稳定，振弦式位移传感器长期使用时会产生徐变、长期稳定性差等。

为了开发性能更为优良的位移传感器用于结构的状态测量，选用新型的测量原理并进行合理的传感器设计是有效途径之一。光纤布拉格光栅传感(Fiber Bragg Grating，FBG)是一种新型的传感原理，它以光波为信号载体，并采用波长调制，不受光强的影响，信号稳定，在土木工程结构的各种场合都具有良好的传感性能。利用光纤光栅原理制作的位移传感器能有效的测量结构的位移，且制作出的传感器具有体积小、测量精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可靠性和稳定性好、耐久性好等优点。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种光纤光栅位移传感器，它能对工程结构的位移反应进行实时准确的测量；同时，在测量的过程中能自动对温度变化引起的干扰进行补偿并且获得测量点的温度值。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的温度自补偿光纤光栅位移传感器，该温度自补偿光纤光栅位移传感器的外壳由金属盒和金属盒盖组成，还包括探头、隔板、连接杆、限位板、左光纤光栅传感装置和右光纤光栅传感装置；其中隔板横向设置在金属盒的内部、左右两端及底部与金属盒内壁固定，将金属盒分割成上下两个空腔，隔板中部开设有长孔；探头布置在金属盒的上部空腔内，两端分别从金属盒的左右两侧壁穿出；连接杆的一端穿过长孔与探头相连，连接杆在位于隔板的上下两侧分别设置限位板，以防止连接杆发生上下滑动；左光纤光栅传感装置和右光纤光栅传感装置结构相同，在金属盒的下部空腔内相互对称放置，分别通过弹簧与连接杆的另一端连接；

所述左光纤光栅传感装置从左至右依次设置左金属连接块、第一光纤光栅传感器、右金属连接块与左弹簧；其中左金属连接块的左端与金属盒的内壁固定连接，第一光纤光栅传感器的左右两端分别连接左金属连接块的右端和右金属连接块的左端，右金属连接块的右端与左弹簧的一端连接，左弹簧的另一端与连接杆的另一端连接；

所述右光纤光栅传感装置与左光纤光栅传感装置结构对称，从左至右依次包括右弹簧、第一金属连接块、第二光纤光栅传感器、第二金属连接块，右弹簧的左端与连接杆的另一端连接，右弹簧的右端与第一金属连接块的左端连接，第二光纤光栅传感器的左右两端分别与第一金属连接块的右端、第二金属连接块的左端连接，第二金属连接块的右端与金属盒的右侧壁固定；

第一光纤光栅传感器的光纤导线的一端依次穿过左金属连接块、金属盒的内壁后伸出金属盒的外部形成第一尾纤，另一端穿过右金属连接块后形成第二尾纤；第二光纤光栅传感器的光纤导线的一端穿过第一金属连接块后形成第三尾纤，另一端依次穿过第二金属连接块和金属盒的右侧壁后形成第四尾纤；第一光纤光栅传感器与第二光纤光栅传感器通过第二尾纤与第三尾纤焊接连接；

本发明的温度自补偿光纤光栅位移传感器，左光纤光栅传感装置和右光纤光栅传感装置与金属盒底板的接触面以及限位板与隔板之间的接触面设置润滑材料。

本发明的温度自补偿光纤光栅位移传感器，所述第一光纤光栅传感器包括毛细金属管、环氧树脂、裸光纤光栅，其中裸光纤光栅被环氧树脂封装在毛细金属管中，裸光纤光栅的两端分别穿出毛细金属管的两端在管腔外形成第一尾纤和第二尾纤；所述第二光纤光栅传感器与第一光纤光栅传感器的结构相同。

有益效果：

本发明的温度自补偿光纤光栅位移传感器，在利用光纤光栅位移传感器测量位移的同时还能得到结构的温度变化，具有温度自补偿功能，不需要额外的温度测量装置。而且其具有长期稳定性好、测量精度高、量程大及性能稳定等优点。另外，本发明是将探头通过弹簧与光纤光栅相连并安装于外壳内，结构较为简单。

附图说明

图1是本发明的内部构造示意图；

图2是图1中沿A-A方向的剖面构造示意图；

图3是图1中沿B-B方向的剖面构造示意图；

图4金属盒2的左视图；图5金属盒2的右视图；

图6是第一光纤光栅传感器25构造示意图；

图7是右光纤光栅传感装置构造示意图；图8是隔板3的俯视图；

图9是左金属连接块15的剖视图；图10是右金属连接块18的剖视图。

图中有：探头1；金属盒2；隔板3；连接杆4；限位板5；第一尾纤6；左弹簧7；第二尾纤8；第三尾纤9；右弹簧10；第四尾纤11；金属盒盖12；导杆孔13；第一小孔14；左金属连接块15；毛细金属管16；环氧树脂17；右金属连接块18；裸光纤光栅19；第一金属连接块20；第二金属连接块21；隔板长孔22；第二小孔23；第三小孔24；第一光纤光栅传感器25；第二光纤光栅传感器26。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1～图10所示，本发明温度自补偿光纤光栅位移传感器包括探头1、金属盒2、隔板3、连接杆4、限位板5、第一尾纤6、左弹簧7、第二尾纤8、第三尾纤9、右弹簧10、第四尾纤11、金属盒盖12、导杆孔13、第一小孔14、左金属连接块15、毛细金属管16、环氧树脂17、右金属连接块18、裸光纤光栅19、隔板长孔22、第二小孔23，第三小孔24、第一光纤光栅传感器25、第二光纤光栅传感器26；其中，隔板3横向设置在金属盒2的内部、左右两端及底部与金属盒2内壁固定，将金属盒2分割成上下两个空腔，隔板3上开长孔22；探头1布置在金属盒2的上部空腔内，通过金属盒2的左右两侧壁导杆孔13穿出，连接杆4通过隔板3的长孔22和探头1相连，连接杆4在隔板3上下两侧分别设置限位板5，以防止连接杆4发生上下的滑动，产生位移偏差；将毛细金属管16采用酒精洗净烘干后固定于实验台座，裸光纤光栅19的光栅段去除涂敷层并用脱脂棉球蘸酒精擦净后穿过毛细金属管16，调整实验台座使裸光纤光栅19具有一定的预拉应变并保持平直且位于毛细金属管16的中心，在毛细金属管16中灌入环氧树脂17，加热使环氧树脂17凝固，从而形成第一光纤光栅传感器25；在金属盒2的下部空腔内，将第一光纤光栅传感器25左端与左金属连接块15粘接，右端与右金属连接块18粘接；并将光纤导线一端依次穿过左金属连接块12的第二小孔23、金属外壳2的第一小孔14后形成第一尾纤6，另一端穿过右金属连接块18的第三小孔24后形成第二尾纤8；左金属连接块15和金属盒2的左侧壁固定，右金属连接块18和左弹簧7左端相连，左弹簧7右端与连接杆4固定，左光纤光栅传感装置就制作完成，右光纤光栅传感装置与左光纤光栅传感装置结构对称放置于金属盒2的下部空腔内，从左至右依次包括右弹簧10、第一金属连接块20、第二光纤光栅传感器26、第二金属连接块21，右弹簧10的左端与连接杆4固定，右端与第一金属连接块20的左端连接，第二光纤光栅传感器26的左右两端分别与第一金属连接块20的右端、第二金属连接块21的左端连接，第二金属连接块21的右端与金属盒2的右侧壁固定；第二光纤光栅传感器26的光纤导线的一端穿过第一金属连接块20后形成第三尾纤9，另一端依次穿过第二金属连接块21和金属盒2的右侧壁后形成第四尾纤11；第三尾纤9与第二尾纤8焊接连接；传感器探头1与传感器外壳2发生相对位移时，通过连接杆4与探头1相连的左弹簧7和右弹簧10带动第一光纤光栅传感器25和第二光纤光栅传感器26伸长或缩短，从而使光栅反射波长产生漂移。

左光纤光栅传感装置和右光纤光栅传感装置与金属盒底板的接触面以及限位板5与隔板3之间的接触面设置润滑材料。图2中金属盒盖12与金属盒2粘接形成传感器外壳。

下面对本发明的工作原理做进一步详细的说明：

金属盒和金属盒盖组成传感器的外部结构，主要起保护传感器和帮助固定传感器于待测点的作用；两个光纤光栅传感装置和两个与之相连的弹簧以及一个探头形成传感器的内部结构，是实现传感器功能的主体。弹簧的刚度可以根据光纤光栅传感装置刚度和结构测量的实际需要进行调整。当传感器探头所在点与传感器外壳固定点发生相对位移时，与探头通过连接杆相连的弹簧带动光纤光栅伸长或者缩短，从而产生光栅反射波长的漂移，光纤光栅解调仪通过检测波长的漂移，并经过一定的计算公式得出探头所在点的位移。由于连接杆处在两个光纤光栅的中间，在探头与传感器外壳相对运动的过程中，总是会有其中一只光纤光栅伸长，另外一只光纤光栅压缩，造成两只光纤光栅波长漂移方向相反，综合利用两只光纤光栅的波长漂移量可以消除光纤光栅传感装置由于温度变化引起的波长漂移的影响并获得测量点的位移变化和温度变化，因而温度自补偿光纤光栅位移传感器具有温度自补偿功能，不需要额外的温度测量装置。

具体计算公式如下：

根据模耦合理论，FBG中心波长与光纤光栅栅距的关系为：

λ_B＝2n·Λ(1)

其中，λ_B是光纤光栅的反射波长；n是光纤光栅纤芯的有效折射率；Λ是光纤光栅的栅距。反射光信号的中心波长λ_B跟光栅周期Λ和纤芯的有效折射率n有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射光的中心波长发生变化。光纤光栅的中心波长漂移Δλ_B与温度变化ΔT和应变变化Δε的关系为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=({\mathrm{\α}}_f+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}+(1-P_e)\mathrm{\Δ\ϵ}---\left(2\right)$

其中， ${\mathrm{\α}}_f=\frac{1}{\mathrm{\Λ}}\frac{\mathrm{d\Λ}}{\mathrm{dT}}$ 为光纤的热膨胀系数， $\mathrm{\ξ}=\frac{1}{n}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}$ 为光纤材料的热光系数， $P_e=-\frac{1}{n}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\ϵ}}$ 为光纤材料的弹光系数。

设光纤光栅传感装置的位移变化为ΔL，左光纤光栅传感装置的标距长度为L₁，右光纤光栅传感装置的标距长度为L₂，则左右两光纤光栅由于位移引起的应变为：

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_1=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L_1}---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_2=-\frac{\mathrm{\ΔL}}{L_2}---\left(4\right)$

综合公式(3)、(4)得：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{1}{2}(L_1{\mathrm{\Δ\ϵ}}_1-L_2{\mathrm{\Δ\ϵ}}_2)---\left(5\right)$

采用同一批光纤光栅封装，左右两光纤光栅传感装置的热膨胀系数α_f、热光系数ξ、弹光系数P_e相同。将(2)式代入(5)式得：

$\begin{array}{c}\mathrm{\ΔL}=\frac{1}{2}\left\{L_1\frac{1}{1-P_e}\right[\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}-({\mathrm{\α}}_f+\mathrm{\ξ}){\mathrm{\ΔT}}_1]-L_2\frac{1}{1-P_e}[\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}-({\mathrm{\α}}_f+\mathrm{\ξ})\mathrm{\Δ}{T}_2\left]\right\}\\ =\frac{1}{2}\frac{1}{1-P_e}(L_1\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}-L_2\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}})\end{array}---\left(6\right)$

左右两光纤光栅传感装置的初始波长λ_B1和λ_B2已知，通过检测光纤光栅的波长漂移Δλ_B1和Δλ_B2，则光纤光栅传感装置的位移变化可得。

设光纤光栅传感装置的等效刚度为K₁，弹簧的刚度为K₂，则结构的位移L与光纤光栅传感装置的位移为ΔL之间的关系为：

$L=\frac{K_1+K_2}{K_2}\mathrm{\ΔL}---\left(7\right)$

利用(2)式可得结构的温度变化为：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_f+\mathrm{\ξ}}[\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}-(1-P_e)\mathrm{\Δ\ϵ}]---\left(8\right)$

在利用光纤光栅位移传感器测量位移的同时还能得到结构的温度变化，而且其具有长期稳定性好、测量精度高、量程大及性能稳定等优点。另外，本发明是将探头通过弹簧与光纤光栅相连并安装于外壳内，结构较为简单。

Claims (3)

1、一种温度自补偿光纤光栅位移传感器，该温度自补偿光纤光栅位移传感器的外壳由金属盒(2)和金属盒盖(12)组成，其特征在于：还包括探头(1)、隔板(3)、连接杆(4)、限位板(5)、左光纤光栅传感装置和右光纤光栅传感装置；其中隔板(3)横向设置在金属盒(2)的内部、左右两端及底部与金属盒(2)内壁固定，将金属盒(2)分割成上下两个空腔，隔板(3)中部开设有长孔(22)；探头(1)布置在金属盒(2)的上部空腔内，两端分别从金属盒(2)的左右两侧壁穿出；连接杆(4)的一端穿过长孔(22)与探头(1)相连，连接杆(4)在位于隔板(3)的上下两侧分别设置限位板(5)，以防止连接杆(4)发生上下滑动；左光纤光栅传感装置和右光纤光栅传感装置结构相同，在金属盒(2)的下部空腔内相互对称放置，分别通过弹簧与连接杆(4)的另一端连接；

所述左光纤光栅传感装置从左至右依次设置左金属连接块(15)、第一光纤光栅传感器(23)、右金属连接块(18)与左弹簧(7)；其中左金属连接块(15)的左端与金属盒(2)的内壁固定连接，第一光纤光栅传感器(25)的左右两端分别连接左金属连接块(15)的右端和右金属连接块(18)的左端，右金属连接块(18)的右端与左弹簧(7)的一端连接，左弹簧(7)的另一端与连接杆(4)的另一端连接；

所述右光纤光栅传感装置与左光纤光栅传感装置结构对称，从左至右依次包括右弹簧(10)、第一金属连接块(20)、第二光纤光栅传感器(26)、第二金属连接块(21)，右弹簧(10)的左端与连接杆(4)的另一端连接，右弹簧(10)的右端与第一金属连接块(20)的左端连接，第二光纤光栅传感器(26)的左右两端分别与第一金属连接块(20)的右端、第二金属连接块(21)的左端连接，第二金属连接块(21)的右端与金属盒(2)的右侧壁固定；

第一光纤光栅传感器(25)的光纤导线的一端依次穿过左金属连接块(15)、金属盒(2)的内壁后伸出金属盒(2)的外部形成第一尾纤(6)，另一端穿过右金属连接块(18)后形成第二尾纤(8)；第二光纤光栅传感器(26)的光纤导线的一端穿过第一金属连接块(20)后形成第三尾纤(9)，另一端依次穿过第二金属连接块(21)和金属盒(2)的右侧壁后形成第四尾纤(11)；第一光纤光栅传感器(25)与第二光纤光栅传感器(26)通过第二尾纤(8)与第三尾纤(9)焊接连接。

2、根据权利要求1所述的温度自补偿光纤光栅位移传感器，其特征在于：左光纤光栅传感装置和右光纤光栅传感装置与金属盒(2)底板的接触面以及限位板(5)与隔板(3)之间的接触面设置润滑材料。

3、根据权利要求1所述的温度自补偿光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅传感器(25)包括毛细金属管(16)、环氧树脂(17)、裸光纤光栅(19)，其中裸光纤光栅(19)被环氧树脂(17)封装在毛细金属管(16)中，裸光纤光栅(19)的两端分别穿出毛细金属管(16)的两端在管腔外形成第一尾纤(6)和第二尾纤(8)；所述第二光纤光栅传感器(26)与第一光纤光栅传感器(25)的结构相同。

Images