CN102175157B - 一种双量程拉线式光纤光栅位移传感器 - Google Patents

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一种双量程拉线式光纤光栅位移传感器，主要包括拉线、外壳和置于壳内的光栅切换组件和光栅感应组件。所述的光栅切换组件包括测量拉杆、测量拉杆支座、连接挡块、连接杆、连接杆支座、限位支座、弹簧。所述的光栅感应装置包括光纤光栅、弹簧、金属毛细管、光纤固定支座和出纤端子。本发明可以根据被测物体位移的大小通过光栅切换装置自动切换测量光栅和参考光栅来实现量程的切换。本发明结构简单、体积小，可以双量程自动选择、测量范围大、精度高、长期稳定性好、达到温度补偿的同时还充分利用了参考光栅和测量光栅。

Description

一种双量程拉线式光纤光栅位移传感器
技术领域    本发明涉及一种位移传感器，特别是光纤光栅位移传感器。
背景技术    位移检测是测量技术中最基本的测量项目之一，是多种物理量测量的基础；电学位移传感器有其本身的不足，如抗电磁干扰能力差，容易受外界环境影响，而光纤光栅位移传感器作为一种新型的智能传感器则不受其影响。现有的光纤光栅位移传感器多数是基于梁式的应变传感器来制作的，如把光栅粘贴在悬臂梁，等强度梁、及一些弹性梁上，位移量通过连接件作用在梁上，使梁发生弯曲，从而使光纤光栅受到压缩或者拉伸导致光纤光栅的中心波长发生变化，通过波长的变化量来得到实际的应变和位移的结果。还有一些是通过一些复杂的机械结构如轮毂，齿轮将应力作用在测量光栅上。这些传感器虽然具有精度高，抗电磁干扰，可以分布式测量等优点，但也存在不足之处：即传感器中仅有一个光栅作为测量光栅而另一个光栅仅用来作为温度补偿时的参考光栅，在测量精度和量程之间不能做到最优化组合，适用范围比较小，而且结构比较复杂。
发明内容    本发明的目的在于提供一种结构简单、布设方便、精度高、双量程、稳定性好的双量程拉线式光纤光栅位移传感器。本发明主要是在该传感器内设有用于参考光栅和测量光栅自动切换的机构。
本发明主要包括有：拉线、外壳和置于外壳内的光栅切换组件和光栅感应组件。其中，光栅切换组件包括测量拉杆、测量拉杆定位座、连接杆、连接杆支座、限位支座及弹簧。上述光栅感应组件包括光纤光栅、弹簧、金属毛细管、出纤端子和光纤固定支座。上述一端可与被测物体相连的拉线，最好采用低膨胀系数的铟钢线，另一端穿过外壳端板上的通孔与测量拉杆的一端相连，该水平的测量拉杆穿过测量拉杆定位座中部与其对应的通孔，最好其朝向端板一侧的拉杆上设有大于通孔的限位挡件，该定位座另一侧的拉杆上设有上下两个相隔一段距离的挡块，即挡块I和挡块II。上述测量拉杆定位座设在外壳内，并与端板有一段间距，其为测量拉杆活动预留的空间。该定位座上下两面分别固定在外壳的顶面和底面，在外壳顶面还固定有限位支座，其一端与定位座相邻，另一端与连接杆支座A相邻。该限位支座上设有向轴线延伸的外凸挡块。上述连接杆支座A上端固定在外壳上，向轴线延伸的自由端所设的支承面上设有水平的连接杆I，该连接杆I一端设顶部可与限位支座挡块对应、钩部可与测量拉杆挡块I对应的端挡块，该连接杆I穿过连接杆支座B通孔的另一端与弹簧I的一端相连，该弹簧I的另一端与金属毛细管I相连。上述连接杆支座B上下两端分别固定在外壳上。该连接杆支座B中部固定有弹簧III的一端，该弹簧III的另一端与测量拉杆的端部相连，该连接杆支座B底部与连接杆支座C相邻，该另一端又与测量拉杆定位座相邻的连接杆支座C设有向中心线延伸的支杆，其支承面上设有水平的连接杆II，该连接杆II一端设可与测量拉杆上的挡块II对应端挡块，该连接杆II穿过连杆支座B又一通孔其另一端与弹簧II的一端相连，该弹簧II的另一端与另一根金属毛细管相连。上述两金属毛细管又分别与一个光纤光栅(FBGI、FBGII)相连，并且该两个光纤光栅串联。光纤光栅I与光纤光栅II为中心波长之差λB2-λB1＝2.5nm的布喇格光栅。上述每个光纤光栅另一端通过出纤端子与外壳相连。上述两条光纤置于光纤固定座上，该光纤固定座设在外壳内。
使用时，把上述光纤光栅位移传感器固定后，把拉线与被测物体固定连接，当被测物体相对传感器产生位移时，物体将带动拉线发生移动，所述的拉线另一端与传感器的测量拉杆相连接，物体的移动会导致测量拉杆也发生相应的移动。该测量拉杆在初始位置时通过挡块I与连接杆I搭接，测量拉杆的移动将带动连接杆I发生相应的移动，当被测物的位移S＜连接杆I到限位支座挡块的距离L时，连接杆I的移动使弹簧I伸长ΔL1，弹簧I的拉力将使光纤光栅FBGI产生应变，此时FBG II为参考光栅，FBG I为测量光栅，传感器选用的是小量程。此时λ′B2-λ′B1≤2.5nm且Δλ＝2.5nm-(λ′B2-λ′B1)，由光纤光栅反射光波长与光栅产发生应变关系可以解调出物体的位移此时位移：S＝ΔL1。随着物体位移的增加，当连接杆I与限位支座挡块接触时，连接杆I会从连接挡块I上自动脱落而回到初始状态，而此时测量拉杆1上的挡块II刚好与连接杆II的挡块接触。随着位移的增加测量拉杆将带动连接杆II发生移动，使弹簧II伸长ΔL2，弹簧II的拉力将使FBG II产生应变，此时FBG I为参考光栅，FBG II为测量光栅，选用的是大量程的。此时λ′B2-λ′B1＞2.5nm且Δλ＝(λ′B2-λ′B1)-2.5nm，从而解调出物体的位移：S＝L+ΔL2，当拉线端松弛时，弹簧III将测量拉杆拉回初始位置，此时连接杆I、连接杆II都回到初始状态，光纤光栅FBG I、FBG II仅受温度影响而不发生应变。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明可以根据被测物体的位移量大小通过光栅切换装置自动切换参考光栅和测量光栅，实现双量程自动切换。两根光栅在不同的位移范围有选择的作为测量光栅和参考光栅，而且任何时刻都有一根光栅作为参考光栅，而另一根光栅作为测量光栅。这样在实现温度补偿的同时，相当于每个传感器中的两根光栅都用做了测量光栅，使测量精度和光栅的利用率大大提高。从而实现位移传感量程和精确度的优化组合，弥补了传统光纤光栅位移传感需要牺牲一根光栅作为温度补偿时的参考光栅的不足。在相同测量精度的情况下使量程比普通光纤光栅位移传感器的量程增加一倍，可以双量程自动选择、测量范围大、精度高、长期稳定性好、达到温度补偿的同时还充分利用了参考光栅和测量光栅。
2、克服了传统电类传感器容易受电磁干扰、长期稳定性差等缺点。
3、结构简单、体积小。
附图说明
图1为本发明的主视剖面示意简图。
具体实施方式    在图1所示的一种双量程拉线式光纤光栅位移传感器的主视剖面示意简图中，铟钢拉线1的一端可与被测物体相连，拉线另一端穿过外壳2端板上的通孔与测量拉杆3的一端相连，该水平的测量拉杆穿过测量拉杆定位座中部与其对应的通孔，其朝向端板一侧的拉杆上设有大于通孔的限位挡件4，该定位座另一侧的拉杆上设有上下两个相隔一段距离的挡块I5和挡块II6。上述测量拉杆定位座7设在外壳内，并与端板有一段间距。该定位座上下两面分别固定在外壳的顶面和底面，在外壳顶面还固定有限位支座8，其一端与定位座相邻，另一端与连接杆支座A9相邻。该限位支座上设有向轴线延伸的外凸挡块10。上述连接杆支座A上端固定在外壳上，向轴线延伸的自由端所设的支承面上设有水平的连接杆I11，该连接杆I一端设顶部可与限位支座挡块对应、钩部可与测量拉杆挡块I对应的端挡块，该连接杆I穿过连接杆支座B 12通孔的另一端与弹簧I13的一端相连，该弹簧I的另一端与金属毛细管I14相连。上述连接杆支座B上下两端分别固定在外壳上。该连接杆支座B中部固定有弹簧III15的一端，该弹簧III的另一端与测量拉杆的端部相连，该连接杆支座B底部与连接杆支座C 16相邻，该另一端又与测量拉杆定位座相邻的连接杆支座C设有向轴线延伸的支杆17，其支承面上设有水平的连接杆II18，该连接杆II一端设可与测量拉杆上的挡块II对应端挡块，该连接杆II穿过连杆支座B又一通孔其另一端与弹簧II19的一端相连，该弹簧II的另一端与金属毛细管II20相连。上述两金属毛细管又分别与光纤光栅I21、光纤光栅II22相连，并且该两个光纤光栅串联。光纤光栅I与光纤光栅II为中心波长之差λB2-λB1＝2.5nm的布喇格光栅。上述每个光纤光栅另一端通过出纤端子23与外壳相连。上述两条光纤置于光纤固定座24上，该光纤固定座设在外壳内。

Claims (4)

1.一种双量程拉线式光纤光栅位移传感器，其特征在于：其拉线一端可与被测物体相连，另一端穿过外壳端板上的通孔与测量拉杆的一端相连，该水平的测量拉杆穿过测量拉杆定位座中部与其对应的通孔，该定位座另一侧的拉杆上设有上下两个相隔一段距离的挡块I和挡块II，上述测量拉杆定位座设在外壳内，并与端板有一段间距，该定位座上下两面分别固定在外壳的顶面和底面，在外壳顶面还固定有限位支座，其一端与定位座相邻，另一端与连接杆支座A相邻，该限位支座上设有向轴线延伸的外凸挡块，上述连接杆支座A上端固定在外壳上，向轴线延伸的自由端所设的支承面上设有水平的连接杆I，该连接杆I一端设顶部可与限位支座挡块对应、钩部可与测量拉杆挡块I对应的端挡块，该连接杆I穿过连接杆支座B通孔的另一端与弹簧I的一端相连，该弹簧I的另一端与金属毛细管I相连，上述连接杆支座B上下两端分别固定在外壳上，该连接杆支座B中部固定有弹簧III的一端，该弹簧III的另一端与测量拉杆的端部相连，该连接杆支座B底部与连接杆支座C相邻，该另一端又与测量拉杆定位座相邻的连接杆支座C设有向中心线延伸的支杆，其支承面上设有水平的连接杆II，该连接杆II一端设可与测量拉杆上的挡块II对应端挡块，该连接杆II穿过连杆支座B又一通孔其另一端与弹簧II的一端相连，该弹簧II的另一端与另一根金属毛细管相连，上述两金属毛细管又分别与一根光纤光栅相连，并且该两根光纤光栅串联，光纤光栅I与光纤光栅II为中心波长之差λB2-λB1＝2.5nm的布喇格光栅，上述两根光纤光栅另一端通过出纤端子与外壳相连。
2.根据权利要求1所述的一种双量程拉线式光纤光栅位移传感器，其特征在于：上述两条光纤光栅置于光纤固定座上，该光纤固定座设在外壳内。
3.根据权利要求1或2所述的一种双量程拉线式光纤光栅位移传感器，其特征在于：测量拉杆朝向端板一侧的拉杆上设有大于通孔的限位挡件。
4.根据权利要求3所述的一种双量程拉线式光纤光栅位移传感器，其特征在于：拉线采用铟钢线。
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