CN101852597A - 温度不敏感型光纤光栅倾斜传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度不敏感型光纤光栅倾斜传感器。传统的传感器成本比较高、使用不方便。本发明包括支架、弹性棒、质量块和光纤光栅。支架中的支撑杆的两端分别与底座和顶盘固定连接，支撑杆与底座的平面以及顶盘的平面垂直；弹性棒的一端与顶盘固定连接、另一端与质量块固定连接，弹性棒与顶盘的平面垂直，且位于顶盘的中心位置；弹性棒内设置有两条光纤光栅，两条光纤光栅分别在弹性棒的任意两个相互垂直的纵截面上，每个纵截面上设置有一根光纤光栅；光纤光栅的中心位于弹性棒的中心轴线上，光纤光栅封装在弹性棒内，光纤光栅的两端通过引导光纤引出弹性棒外，用来连接光开关。本发明结构简单，成本低。

Description

温度不敏感型光纤光栅倾斜传感器

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种温度不敏感型光纤光栅倾斜传感器。

背景技术

倾斜角测量是人类社会活动中不可缺少的部分，随着社会的发展，对倾斜角测量提出了更高的要求。近些年，倾斜角测量技术在动态实时测量、高速高可靠性、高精度、模块化方向取得了突飞猛进的发展。倾斜角测量过程中动态数学模型的建立、系统理论、人工智能、神经网络、数字滤波、振动理论、阻尼技术、自诊断与自适应技术等在倾斜角测量领域的应用开始逐渐普及。

倾斜角测量仪器产品广泛应用于机械工业检测、精密器件加工、食品生产线、建筑工程、军工、船舶、飞行、地质、石油和电力等。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。

近20年来光纤光栅传感器逐渐成为传感领域的研究热点，光纤光栅传感器除了具有其它类型光纤传感器所共有的抗干扰能力强、可靠性好、耐腐蚀、本质安全防爆、体积小、重量轻等优点之外，还具有编码方式可靠、易于复用和组网等独特优点。其应用领域不断拓展，现在人们已将其逐步应用于多种物理量的测量，制成了各种传感器。

但是传统的利用波长测量的光纤光栅传感器测量系统造价昂贵，测量需要进行波长扫描，因此反应时间长，测量速度慢。关柏鸥等人提出了一种基于两对FBG的钟摆式二维倾斜角传感器，倾斜通过钟摆对分处在正交二维平面内的两对FBG产生力矩作用，引起FBG的反射波长变化，通过测量FBG的波长间隔的变化，实现对倾斜角的大小和方向的测量，同时可避免温度对测量结果的影响[B.-O.Guan，H.-Y.Tam，and S.-Y.Liu，“Temperatureindependent fiber Bragg grating tilt sensor，”IEEE Photon.Technol.Lett，2004，vol.16：224-226]。何少灵等人也通过设计，将FBG的数量减少到三个，同时采用FBG直接悬挂重物的方式来减少测量误差[S.He，X.Dong，K.Ni，Y.Jin，C.C.Chan and P.Shum，“Temperature-Insensitive2D Tilt Sensor with Three Fiber Bragg Gratings，”Meas.Sci.Technol，2010，vol.21：4]。以上所述的FBG倾斜角传感器采用的都是波长解调的方法，对波长的解调需要借助光谱分析仪或者将法布里珀罗滤波器和光功率计结合来完成，因此在实际应用中增加了系统的成本。

现有技术中存在用三个锥形弹性金属片，将钟摆的受力转换成三个FBG的反射光强变化，实现了强度解调型的二维倾斜角传感，但该装置存在着力传递过程或结构复杂等因素并且使用了三个FBG，增加测量时的误差及系统不稳定[X.Dong，C.Zhan，K.Hu，P.Shum，and C.C.Chan，“Temperature-insensitive tilt sensor with strain-chirped fiberBragg gratings，”IEEE Photon.Technol.Lett，2005，vol.17：2394-2396]。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种光纤光栅倾斜传感器。本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

光纤光栅倾斜传感器包括支架、弹性棒、质量块和光纤光栅(FBG)。

支架包括平行设置的底座和顶盘，支撑杆的两端分别与底座和顶盘固定连接，支撑杆与底座的平面以及顶盘的平面垂直；弹性棒的一端与顶盘固定连接、另一端与质量块固定连接，弹性棒与顶盘的平面垂直，且位于顶盘的中心位置；

所述的弹性棒为圆柱体，弹性棒内设置有两条光纤光栅，两条光纤光栅分别在弹性棒的任意两个相互垂直的纵截面上，每个纵截面上设置有一根光纤光栅；

所述的光纤光栅的中心位于弹性棒的中心轴线上，光纤光栅封装在弹性棒内，光纤光栅的两端通过引导光纤引出弹性棒外，用来连接光开关。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：本发明只用两个FBG，避免复杂的波长解调而通过测量其反射光强可实现免受温度影响的二维倾斜传感，无需额外的解调装置和温度补偿措施，比已报道的同类传感器结构更简单，成本更低。用弹性聚合物封装光纤光栅起到保护光栅的作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中两根光纤光栅在两个相互垂直纵截面上设置示意图；

图3为本发明使用示意图；

图4为初始倾斜角在坐标轴上的分解示意图；

图5为本发明理论分析示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

如图1和图2所示，光纤光栅倾斜传感器包括支架、弹性棒4、质量块(本实施例中选用质量球5)和光纤光栅3(FBG)。

支架包括平行设置的底座6和顶盘2，支撑杆1的两端分别与底座6和顶盘2固定连接，支撑杆1与底座6的平面以及顶盘2的平面垂直；弹性棒4的一端与顶盘2固定连接、另一端与质量球5固定连接，弹性棒4与顶盘2的平面垂直，且位于顶盘2的圆心位置；

弹性棒4为圆柱体，弹性棒4内设置有两条光纤光栅3，两条光纤光栅3分别在弹性棒的任意两个相互垂直的纵截面上，每个纵截面上设置有一根光纤光栅3；

所述的光纤光栅3的中心位于弹性棒的中心轴线上，光纤光栅3封装在弹性棒4内，光纤光栅3的两端通过引导光纤引出弹性棒4外，用来连接光开关。

如图2所示，在弹性棒4的一对相互垂直的纵截面，即图中的m平面与n平面上设置有光纤光栅3-1和3-2，即在m平面内设置有光纤光栅3-1，在n平面上设置有光纤光栅3-2，光纤光栅3-1和3-2的中心都位于弹性棒4纵截面的中心轴线上，该图中的两个光纤光栅的中心刚好重叠，但本发明中的两根光纤光栅的中心可以不重叠，即形成一定的中心错位。每根光纤光栅与弹性棒4纵截面的中轴线所成的夹角可以不相同。

如图3所示，将光开关10接入分光计9的一个输出端(分光计可以选用环形器或耦合器)，分光计9的另一个输出端连接光功率计8(如OPM)，分光计9的输入端连接宽带光源7(如SLED)，宽带光源7发出的光经分光计9后到达光开关10，由光开关10分时选通FBG，光功率计测得两个FBG返射回来的光信号，输出两个对应的电压值。由于电压值与对应的反射光信号成正比，而光信号又与被测的倾斜角成一定的函数关系，故通过该方式可实现倾斜角测量。

测量原理分析：以下将以两个FBG与弹性棒轴向夹角相同且以FBG中心在同一高度的特殊情况进行分析(其它情况也可通过相似推导得到)。

因为弹性棒的质量远小于质量球的质量，所以弹性棒的质量在以下的分析中可忽略不计，当该传感器被施加一个倾斜角度后，弹性棒发生弯曲使光栅粘贴区域产生沿着光栅方向梯度分布的应变场使FBG产生啁啾效应。为了能够辨别倾斜角的方向，将传感器施加一个初始倾斜角，在y-z平面和x-z平面分解为θ₀和β₀(如图4所示)，从而使两个FBG具有初始啁啾。如果我们假设被测倾斜角在y-z平面和x-z平面分解为θ和β，在图5基础上，由材料力学理论推得，弹性棒沿着光栅方向的应变与倾斜角的关系可表示为

式中，ε₁和ε₂分别为弹性棒在y-z平面和x-z平面上产生的应变。m为质量球的质量，g是重力加速度，r为弹性棒半径。l_o为光栅与圆柱中轴线交点O到质量块重心的距离，E为弹性棒杨式模量，|l_g|为FBG的不同位置到O点的沿弹性棒的轴向长度，O点左侧(光栅受拉力作用)l_g为负，反之，O点右侧(光栅受压力作用)l_g为正。

为光栅与弹性棒轴向所成的夹角。

FBG的波长变化与所受应变成正比，所以具有初始啁啾的FBG的带宽变化关系可表示为

ΔB₁＝(1-p_e)[ε₁(l_A)-ε₁(l_B)]λ₁-ΔB₁₀    (3)

ΔB₂＝(1-p_e)[ε₂(l_A)-ε₂(l_B)]λ₂-ΔB₂₀    (4)

假定A为光栅靠近质量球的一端，B为远离质量球的另一端，式中l_A为A点到O点的沿圆柱的轴向长度，l_B为B点到O点的沿圆柱的轴向长度。p_c为光纤的有效弹光系数，λ₁和λ₂分别为FBG₁和FBG₂在自由状态下的布拉格中心波长，ΔB₁₀和ΔB₂₀分别为具有初始啁啾的两个光纤光栅(FBG₁和FBG₂)相对自由状态下的光纤光栅的带宽展宽。由式(1)、(2)、(3)和(4)可得到以下关系

$\mathrm{\Δ}{B}_1=\mathrm{\Δ}{B}_{10}\frac{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)}{\sin {\mathrm{\θ}}_0}-\mathrm{\Δ}{B}_{10}---\left(5\right)$

$\mathrm{\Δ}{B}_2=\mathrm{\Δ}{B}_{20}\frac{\sin (\mathrm{\β}+{\mathrm{\β}}_0)}{\sin {\mathrm{\β}}_0}-\mathrm{\Δ}{B}_{20}---\left(6\right)$

由式(5)和(6)可以看出，两个FBG的带宽B₁和B₂随着sin(θ+θ₀)和sin(β+β₀)呈线性变化。所以可以通过测量FBG₁和FBG₂的反射带宽来得到θ和β。反射光强是随带宽展宽而变化，如果使用一个输出功率密度谱平坦的宽带光源作为光源，用光功率计进行测量就可以得到FBG反射光强与θ和β的关系，倾斜角的大小和方向可以通过θ和β求出来，这样就实现了对二维倾斜的解调。

该传感器的倾斜角灵敏度可以方便地通过改变钟摆的物理参数(如质量块的质量和FBG两端位置所对应的圆柱位置等)来调节。

Claims (1)

1.温度不敏感型光纤光栅倾斜传感器，包括支架、弹性棒、质量块和光纤光栅，其特征在于：

支架包括平行设置的底座和顶盘，支撑杆的两端分别与底座和顶盘固定连接，支撑杆与底座的平面以及顶盘的平面垂直；弹性棒的一端与顶盘固定连接、另一端与质量块固定连接，弹性棒与顶盘的平面垂直，且位于顶盘的中心位置；

所述的弹性棒为圆柱体，弹性棒内设置有两条光纤光栅，两条光纤光栅分别在弹性棒的任意两个相互垂直的纵截面上，每个纵截面上设置有一根光纤光栅；

所述的光纤光栅的中心位于弹性棒的中心轴线上，光纤光栅封装在弹性棒内，光纤光栅的两端通过引导光纤引出弹性棒外，用来连接光开关。

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