CN101603827A - 新型光纤光栅二维倾斜角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是在现有的光纤布拉格光栅基础上，利用光纤光栅的应变效应和波长测量技术制成的测量倾斜角度大小和方向的新型光纤传感器。该系统由底座(1)、支柱(2)、顶盘(3)、光纤光栅(4)、重物(5)和光纤(6)组成。当装置倾斜一定角度时，引起三个光纤光栅受力不同，利用波长测量技术测量出的光纤光栅中心反射波长的漂移量来反推出倾斜角度的大小及方向。一般光纤光栅对温度比较敏感，由于本发明中使用了三个光纤光栅，且其处于同一环境中，由温度而引起的中心波长漂移量一致，在进行角度分析计算的过程中可以进行补偿，因此，本发明测量倾斜角度时对温度不敏感。本发明原理简单，它除了具有普通光纤传感器质量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、使用安全可靠等特点外，还具有尺寸较小、灵敏度高、易与光纤耦合，且损耗小、集传感与传输于一体、易采用波分复用等独特的优点，实现起来方便，所以可以作为许多领域的倾斜角度传感器。

Description

新型光纤光栅二维倾斜角度传感器

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及光纤光栅应用与倾斜角度测量技术。

背景技术

日常生活中，我们经常需要测量一些设备、建筑等在建造或安装时是否倾斜。当倾斜角度比较大时，我们可以简单地用量角器等现成的工具进行较粗略的测量，而当倾斜角度很小(如小于5°)时，用这种方法就难以实现较准确的测量。后来人们提出了一些如用电容变化来测量倾斜角度的传感器，但电信号容易受到电磁干扰，因此其适用范围受到很大的限制，并且它的测量精度不高，结构也比较复杂。

布拉格光纤光栅是20世纪90年代以来国际上新兴的一种在光纤通信、光纤传感及光信息处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。在特制光纤上用紫外光刻制光纤光栅，制成点式光纤传感探头，应变或温度变化可引起光纤光栅中心反射波长的漂移，通过该漂移量来反推出应变和温度变化。通常采用宽光谱光源和解调系统实施对应变和温度的检测，采用波分、时分和码分技术实现多点测量，组成应变、温度传感网络。布拉格光纤光栅传感器具有适应恶劣工作环境、抗电磁干扰、集传感与传输于一体、构造简单、使用方便等优点，可对结构的应力应变进行高精度测量、准分布式测量。国内外已将光纤光栅传感技术应用于大型土木建筑工程、电力工程、石化工业等安全健康监控领域。近年来，国内外不少高等院校、研究所和公司开展了光纤光栅传感技术的研究和实施了大量的应用工程。也有人提出了基于光纤光栅的倾斜传感器设计，利用钟摆结构将角度变化产生的力通过力矩作用于数个光纤光栅上，然后测量光纤光栅的波长漂移，通过漂移计算得到倾斜的角度和方向。但是，所提出的方案，需要将光纤光栅贴在悬壁梁表面上或固定在钢性框架上，倾斜产生的力需要通过中间装置传递到光纤光栅，装置的机械接触、摩擦、转动都会带来较大的误差，因此对装置的刚性连接和稳定性要求非常高。

发明内容

本发明提出一种新型光纤光栅二维倾斜角度传感器，采用光纤光栅应变效应原理，直接将力作用于光纤光栅上，不需要中间传递装置，因此结构简单、测量精度高且价格低，可以测量二维倾斜角度的大小和方向。本发明中用了三个光纤布拉格光栅，每个光纤光栅一端的尾纤被固定在顶盘上，且三个固定点与顶盘中心的连线互成120°(如附图1所示)，另外一端的尾纤汇集在一起(中间的长度一致)吊住一个重物。当装置倾斜时，其受力平衡被改变，三个光纤光栅所受的力也因此改变，导致光栅波长的漂移，通过测量三个光栅的波长漂移量，可以计算出倾斜的角度和方向。而且，由于温度变化引起的三个光纤光栅的波长漂移量是相等的，在分析计算中可以进行补偿，因此这样还可以消除温度变化对测量结果带来的影响。具体理论分析如下：

当传感器处于水平时，如附图2，设顶盘的半径为r，光纤的长度为l，我们就可以计算出各光纤光栅与竖直方向的夹角，假设分别为φ₁，φ₂，φ₃，可知：

${\mathrm{\φ}}_1={\mathrm{\φ}}_2={\mathrm{\φ}}_3=\arcsin \left(\frac{r}{l}\right)$

根据受力分析，我们可以得到：

$F_1=F_2=F_3=\frac{\mathrm{mg}}{3\cos {\mathrm{\φ}}_i}$

其中，F_{i＝1，2，3}为各个光纤光栅受到的拉力，m为重物的质量，g为重力加速度。先用光纤光栅解调仪测出此时三个光纤光栅的中心反射波长，将其记录下来。当传感器处于一定的倾斜角时，如附图3，同样用光纤光栅解调仪测出三个光纤光栅的中心反射波长，也记录下来，将其与之前记录的值作一个差值，记为Δλ_i，然后根据：

$\mathrm{\Δ}{F}_i=\mathrm{AE\Δ\ϵ}=\mathrm{AE}\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_i}{{\mathrm{\λ}}_i(1-P_e)}$

其中，ΔF_i为光纤光栅所受到拉力的变化量，A为光纤的横截面积，E为光纤的杨氏模量，Δε为光栅在倾斜后的应变大小，λ_i为第i(i＝1，2，3)个光纤光栅的中心反射波长，P_e为光纤的光弹系数。这样，我们就可以根据波长漂移量来求出每个光纤光栅上所受拉力的变化量。再根据附图3所示的受力分析，我们可以得到：

(F₁+ΔF₁)cosφ₁′+(F₂+ΔF₂)cosφ₂′+(F₃+ΔF₃)cosφ₃′＝mg

再加上水平方向的二维受力平衡关系，我们就可以求出φ_i′的大小，再根据φ_i′与倾斜角之间的空间关系，就可以求出倾斜角的大小。

另外，我们可以通过观察各光栅中心波长漂移量的大小来判断倾斜角的方向。从光纤光栅解调仪上我们可以看到三个中心反射波长中，有一个最大的漂移量，那么倾斜方向就是该最大漂移量所对应光栅的那一端的反方向。具体倾斜的中心轴与最大漂移量对应光栅所成的角度可以由上面的推导计算得出。

附图说明

图1为本发明中的传感器顶盘投影示意图。

图2为本发明中传感器处于水平时的结构示意图。

图3为本发明中传感器处于倾斜时的结构示意图。

图4为本发明的整体原理示意图。

其中：1--底座、2--支柱、3--顶盘、4--光纤光栅、5--重物、6--光纤、7--光纤光栅解调仪、8--计算机

具体实施方式

下面结合附图2、3、4对本发明的技术方案作进一步说明。

参照附图2，具体实施时，我们用金属圆板作为顶盘(3)和底盘(1)的材料，支柱选用金属棒。将金属棒与顶盘(3)及底盘(1)钢性连接，各个光纤光栅(4)的尾纤与顶盘(3)及重物(5)用强力胶粘合。将光纤(6)与光纤光栅解调仪(7)连接，并将光纤光栅解调仪(7)与计算机(8)连接。这样由光纤光栅解调仪(7)发出的光经过光纤传输到各个光纤光栅(4)，符合布拉格条件的中心波长被反射回，经光纤传回光纤光栅解调仪(7)，然后从计算机(8)读出中心反射波长的大小。

首先我们在三根光纤末端挂上一个重物(5)来产生预应变，将整个传感器放在一个水平的平面上，如附图2所示。打开光纤光栅解调仪(7)，并用其测出中心反射波长，并记录下来。接下来，将整个传感器放在一个具有一定倾斜角度的平面上，如附图3所示。此时三个光纤光栅(4)的受力不同，同样用光纤光栅解调仪(7)读出此时对应的中心反射波长，也记录下来，这样我们就可以从两次读数中计算出一个差值。重复多次实验来取平均值，这样我们就可以得到一个比较精确的波长漂移量，然后根据公式计算出倾斜的空间角的大小，并根据漂移量的大小来判断倾斜方向。

Claims (6)

1.本发明提出的新型倾斜角度传感器是利用光纤光栅的应变效应和波长测量技术制成的测量倾斜角度大小和方向的光纤光栅传感器。它由底座(1)、支柱(2)、顶盘(3)、光纤光栅(4)、重物(5)和光纤(6)组成。

2.根据权利要求1所述的光纤可以是SMF-28型单模光纤。

3.根据权利要求1所述的3个光纤光栅用串联方式进行连接。

4.根据权利要求1所述的顶盘与底盘可以由不锈钢板、有机玻璃板或铝板制成，且两者严格平行，并保持水平。

5.根据权利要求1所述的3根光纤在顶盘的投影互成120°。

6.根据权利要求1所述的重物重量不超过光纤所能承受的最大范围，但重量越重，测量的灵敏度越高。

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