CN102175185A - 一种光纤光栅倾角传感器及标定方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅倾角传感器，包括：摆、转轴、工作光纤光栅、温度补偿光纤光栅、保护盒；所述摆的一端铰装在所述保护盒内，另一端自由悬置；工作光纤光栅一端固定在保护盒内，另一端连接在摆的自由悬置端；温度补偿光纤光栅安装在所述保护盒中；其标定方法是，使光纤光栅倾角传感器轴线与梁的轴线垂直并粘贴在梁表面；按设计步长改变梁的倾角；记录每个倾角点θ_i时所述传感器的中心波长值λⁱ，i＝1.2...m；以倾角θ为横坐标、相应转角处实时测量的传感器中心波长变化之差Δλ为纵坐标设置笛卡尔直角坐标系；根据所得的θ_i、λⁱ数据，得到Δλ数据点的离散分布图，根据离散分布图中Δλ数据点的分布形状，确定采用

对离散的数据点进行拟合，根据最小二乘法原理、求多元极值的必要条件及θ_i、λⁱ数据，计算得β₁、λ，得到拟合的

实现摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器的标定，即本发明测量精度高、抗电磁干扰能力强、稳定性好，适于工业化生产，特别适用于土木工程结构变形的监测。

Description

一种光纤光栅倾角传感器及标定方法

技术领域

本发明公开了一种光纤光栅倾角传感器及标定方法，属于压力传感器技术领域。

技术背景

通过对国内外资料的查阅发现，到目前为止，有关光纤光栅倾角传感器方面的研究很少，还处于探索阶段。

2000年，Ferdinand等人利用光纤光栅研制出第一个光纤光栅倾角传感器，两根光纤布拉格光栅对称的张拉在固定端与转动端之间，当结构物旋转时，两个光栅的波长向相反的方向变化，但是受温度的影响是一致的。因而实现了温度自补偿。

2003年，Guan等人利用支架、摆锤、光栅，摆锤悬挂在支架上，能够自由的摆动，光纤光栅以能阻止摆锤摆动的方式连接摆锤和支架，一侧连接锤摆，另一侧连接支架，且光栅处于拉伸状态，从而使对称布置的光栅发生相应的应变，测量从光栅反射回来的波长的变化来计算倾斜角度。

2004年，Zhao等人把两根光纤光栅对称的贴于带了摆锤的等强度梁上，通过测量梁的应变来计算倾斜角度。

2005年，Dong等人将三根光纤光栅贴于三片按120°布置的应变梁上，应变梁通过钢弦与摆锤上方的圆盘相连，此种方法不但同时测量角度的大小还可以测量角度方向，但精度较低。

2006年，Toshimitsu等人应用一根光纤光栅与摆锤相连制作的倾角传感器温度影响较大。

现有的光纤光栅倾角传感器由于测量精度低、寿命短、体积大等缺点难以应用于桥梁结构的变形监测，为此设计制作新型的光纤光栅倾角传感器，对于土木工程结构变形监测具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤光栅倾角传感器及标定方法，使其能方便的用于土木工程结构变形监测中。

本发明一种光纤光栅倾角传感器，包括：摆、转轴、工作光纤光栅、温度补偿光纤光栅、保护盒；所述摆的一端通过所述转轴铰装在所述保护盒内，另一端自由悬置在所述保护盒中；所述工作光纤光栅通过引线从保护盒内引出且一端固定在所述保护盒内，另一端连接在所述摆的自由悬置端；所述的温度补偿光纤光栅安装在所述保护盒中，并通过引线从保护盒内引出。

本发明中，所述摆由不锈钢材料制成。

本发明中，所述保护盒由铝合金材料制成。

本发明中，所述工作光纤光栅与温度补偿光纤光栅，采用相位掩模法在掺锗光敏光纤中写入。

本发明一种光纤光栅倾角传感器的标定方法，包括下述步骤：

第一步：准备一工字型简支梁、一光纤光栅传感网络分析仪、一千分表、一水平尺；所述简支梁的一端铰装在铰轴上，另一端由一千斤顶支撑；

第二步：用水平尺将工字型简支梁轴线调整至水平，然后，将光纤光栅倾角传感器粘贴在梁表面，使光纤光栅倾角传感器的轴线与梁的轴线垂直；此时，光纤光栅倾角传感器中的光纤光栅处于无应变状态；将光纤光栅倾角传感器与光纤光栅传感网络分析仪电连接；

第三步：调整千斤顶活塞的形程，使所述简支梁绕其铰轴转动，按步长Δθ＝0.2°逐步改变简支梁的倾角，同时用千分表实时测量所述简支梁的倾角θ_i；达到测量上限后静置5分钟，再平稳下降至测量下限，以倾角逆时针增大为正行程，正行程和反行程，往反一次为1个循环；首先，记录θ＝0°时，光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值

然后，按设定步长进行正行程、反行程的测量，在每个倾角点θ_i静置2分钟，待光纤光栅传感网络分析仪读数稳定后，记录光纤光栅倾角传感器中的两根光纤光栅在相应倾角处的中心波长值

i＝1.2…m；最后，记录反行程结束时，θ＝0°的光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值

第四步：以倾角θ为横坐标、中心波长变化之差Δλ为纵坐标设置笛卡尔直角坐标系，其中，Δλ为光纤光栅倾角传感器在相应转角处实时测量的光纤光栅中心波长值变化

与或与

之差，即

或

，其中

根据第三步所得的θ_i、数据，得到中心波长变化之差Δλ数据点的离散分布图，根据离散分布图中Δλ数据点的分布形状，采用一次多项式对离散的数据点进行线性拟合，确定一次多项式为

式中φ(θ_j)是以倾角θ_j为自变量的函数，其中θ_j为实际工程中所需测量的倾角，

为实际工程中所测量的光纤光栅倾角传感器中光纤光栅中心波长值变化

与

之差；

第五步：根据最小二乘法原理，有

φ为一次多项式集合；取j＝i，得到：

令即

将第三步所得的θ_i、

数据代入I中，当φ(θ_i)满足时，由求多元极值的必要条件可得：

即得到含有2个未知数β₁、λ的两个方程，解方程组，得β₁、λ，从而得到拟合的

实现摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器的标定，即

本法明其工作原理及优点简述于下：

使用时，将本发明制备的光纤光栅倾角传感器，其敏感元件主要为光纤光栅，利用工作光纤光栅随摆的自由悬置端的摆动，使工作光纤光栅的长度伸长或缩短，通过测量工作光纤光栅中心波长的变化值，实现对被测结构的倾斜角度的测量。使一侧的光栅被拉长，而另一侧的光栅被缩短，导致光栅的中心波长发生偏移，通过检测光纤光栅中心波长的变化量，就可以测出倾斜角度的变化，这种新型的光纤光栅倾角传感器具有很好的线性关系。

光纤光栅倾角传感器相对于其它测量变形的传感器来说，具有许多的优点。首先是其测量精度得到了极大的提高，所有测量变形的仪器都需要一个参考点，而光纤光栅倾角传感器是以重力的方向为参考点，无论传感器的位置发生怎么样的变化，重力的方向始终是固定不变的，而其它测量变形的仪器是以某一位置为参考点，这参考点不能像重力方向一样始终不变，这样就会对长期的监测带来一定的误差。除此这外，光纤光栅倾角传感器是通过测量光栅中心波长变化来计算所测角度，而光纤光栅具有耐电磁干扰、信号衰减少等优点，所以光纤光栅倾角传感器能用应于恶劣的环境中。利用光纤光栅倾角传感器测量桥梁挠度不需要静止的参考点，不受日光、雨、雾等影响，降低了对环境条件的依赖，尤其适于测量跨线桥，跨河桥的挠度，且安装相对比较方便，大大的提高了工作效率。另外光纤光栅是对应变与温度双灵敏的元件，测量应变时必顺剔除温度的影响，本发明另置一根温度补偿光纤光栅于保护盒里，以不受力光栅法进行温度自补偿，即把所测得的工作光纤的中心波长变化值减去温度补偿光纤光栅中心波长变化值。总结起来，本发明具有以下优点：

(1)测量精度较以前的光纤光栅倾角传感器有了极大的提高。

(2)体积小，便于在户外用于桥梁结构的变形监测。

(3)结构简单，安装相对比较方便，工作效率较高。

(4)它的使用不受所测量环境条件的限制。

(5)实现了传感器温度自补偿，从而它能适应复杂多变外界测试环境，并直接应用于实际工程中。

(6)有较高的精度、稳定性、传输速度快，因而能提高所测结构精度便于组成分布式的系统。

综上所述，本发明测量精度高、抗电磁干扰能力强、稳定性好，适于工业化生产，适于各种工程结构变形的监测，特别适用于土木工程结构变形的监测。

附图说明

附图1为本发明结构示意图。

附图2为附图1中光纤光栅结构示意图。

附图3为本发明实施例1所得的实验数据离散分布图。

图中：1-转轴，2-摆，3-工作光纤光栅，4-温度补偿光纤光栅，5-保护盒。

具体实施方式

本发明的具体实施方式，下面结合附图及实施例进行详细说明。

实施例1

一种光纤光栅倾角传感器，包括：摆2、转轴1、工作光纤光栅3、温度补偿光纤光栅4、保护盒5；所述摆2的一端通过所述转轴1铰装在所述保护盒5内，另一端自由悬置在所述保护盒5中；所述工作光纤光栅3通过引线6从保护盒5内引出且一端固定在所述保护盒5内，另一端连接在所述摆2的自由悬置端；所述的温度补偿光纤光栅4安装在所述保护盒5中，并通过引线7从保护盒5内引出。

本实施例中，所述摆2由不锈钢材料制成。

本实施例中，所述保护盒5由铝合金材料制成。

本实施例中，所述工作光纤光栅3与温度补偿光纤光栅4，含有10个光栅区的纤芯9构成，外面包有包层12，采用相位掩模法在掺锗光敏光纤中写入，布拉格波长为1550nm，反射率大于90％。

本发明实施例1制备的摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器的标定方法如下：

第一步：准备一工字型简支梁、一光纤光栅传感网络分析仪、一千分表、一水平尺；所述简支梁的一端铰装在铰轴上，另一端由一千斤顶支撑；

第二步：用水平尺将工字型简支梁轴线调整至水平，然后，将摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器粘贴在梁表面，使摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感的轴线与梁的轴线垂直；此时，摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感中的光纤光栅处于无应变状态；将摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感与光纤光栅传感网络分析仪电连接；

第三步：调整千斤顶活塞的形程，使所述简支梁绕其铰轴转动，按步长Δθ＝0.2°逐步改变简支梁的倾角，同时用千分表实时测量所述简支梁的倾角θ_i；达到测量上限后静置5分钟，再平稳下降至测量下限，以倾角逆时针增大为正行程，正行程和反行程，往反一次为1个循环；首先，记录θ＝0°时，光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值然后，按设定步长进行正行程、反行程的测量，在每个倾角点θ_i静置2分钟，待光纤光栅传感网络分析仪读数稳定后，记录光纤光栅倾角传感器中的两根光纤光栅在相应倾角处的中心波长值

i＝1.2...m；最后，记录反行程结束时，θ＝0°的光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值

测量过程中应平稳地升压和降压，不应中断，避免出现超调和回调现象。本实施例进行了4个的行程循环测量，所测得数据见表1、表2、表3、表4：

表1光纤光栅倾角传感器循环实验一测量数据

表2光纤光栅倾角传感器循环实验二测量数据

表3光纤光栅倾角传感器循环实验三测量数据

表4光纤光栅倾角传感器循环实验四测量数据

第四步：以倾角θ为横坐标、中心波长变化之差Δλ为纵坐标设置笛卡尔直角坐标系，其中，Δλ为光纤光栅倾角传感器在相应转角处实时测量的光纤光栅中心波长值变化

与

或

与

之差，即

或

其中根据第三步所得的θ_i、

数据，得到中心波长变化之差Δλ数据点的离散分布图，根据离散分布图中Δλ数据点的分布形状，采用一次多项式对离散的数据点进行线性拟合，确定一次多项式为

式中φ(θ_j)是以倾角θ_j为自变量的函数，其中θ_j为实际工程中所需测量的倾角，

为实际工程中所测量的光纤光栅倾角传感器中光纤光栅中心波长值变化与

之差；

第五步：根据最小二乘法原理，有

φ为一次多项式集合；取j＝i，得到：

令

即

将第三步所得的θ_i、

数据代入I中，当φ(θ_i)满足

时，由求多元极值的必要条件可得：

即得到含有2个未知数β₁、λ的两个方程，解方程组，得β₁、λ，从而得到拟合的

实现摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器的标定，即

本实施例获得的光纤光栅倾角传感器，性能指标如下：

量程

分辨率

灵敏度

迟滞

重复性

线性度

总精度

3.2°

0.098％

322pm/deg

0.488％

1.76％

0.294％

1.85％

Claims (5)

1.一种光纤光栅倾角传感器，包括：摆、转轴、工作光纤光栅、温度补偿光纤光栅、保护盒；所述摆的一端通过所述转轴铰装在所述保护盒内，另一端自由悬置在所述保护盒中；所述工作光纤光栅通过引线从保护盒内引出且一端固定在所述保护盒内，另一端连接在所述摆的自由悬置端；所述的温度补偿光纤光栅安装在所述保护盒中，并通过引线从保护盒内引出。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅倾角传感器，其特征在于：所述摆由不锈钢材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅倾角传感器，其特征在于：所述保护盒由铝合金材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅倾角传感器，其特征在于：所述工作光纤光栅与温度补偿光纤光栅，采用相位掩模法在掺锗光敏光纤中写入。

5.一种光纤光栅倾角传感器的标定方法，包括下述步骤：

第一步：准备一工字型简支梁、一光纤光栅传感网络分析仪、一千分表、一水平尺；所述简支梁的一端铰装在铰轴上，另一端由一千斤顶支撑；

第二步：用水平尺将工字型简支梁轴线调整至水平，然后，将光纤光栅倾角传感器粘贴在梁表面，使光纤光栅倾角传感器的轴线与梁的轴线垂直；此时，光纤光栅倾角传感器中的光纤光栅处于无应变状态；将光纤光栅倾角传感器与光纤光栅传感网络分析仪电连接；

第三步：调整千斤顶活塞的形程，使所述简支梁绕其铰轴转动，按步长Δθ＝0.2°逐步改变简支梁的倾角，同时用千分表实时测量所述简支梁的倾角θ_i；达到测量上限后静置5分钟，再平稳下降至测量下限，以倾角逆时针增大为正行程，正行程和反行程，往反一次为1个循环；首先，记录θ＝0°时，光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值

然后，按设定步长进行正行程、反行程的测量，在每个倾角点θ_i静置2分钟，待光纤光栅传感网络分析仪读数稳定后，记录光纤光栅倾角传感器中的两根光纤光栅在相应倾角处的中心波长值

i＝1.2…m；最后，记录反行程结束时，θ＝0°的光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值

第四步：以倾角θ为横坐标、中心波长变化之差Δλ为纵坐标设置笛卡尔直角坐标系，其中，Δλ为光纤光栅倾角传感器在相应转角处实时测量的光纤光栅中心波长值变化

与

或

与

之差，即

或其中

根据第三步所得的θ_i、数据，得到中心波长变化之差Δλ数据点的离散分布图，根据离散分布图中Δλ数据点的分布形状，采用一次多项式对离散的数据点进行线性拟合，确定一次多项式为

式中φ(θ_j)是以倾角θ_j为自变量的函数，其中θ_j为实际工程中所需测量的倾角，

为实际工程中所测量的光纤光栅倾角传感器中光纤光栅中心波长值变化

与之差；

第五步：根据最小二乘法原理，有

φ为一次多项式集合；取j＝i，得到：

令

即

将第三步所得的θ_i、数据代入I中，当φ(θ_i)满足

时，由求多元极值的必要条件可得：

即得到含有2个未知数β₁、λ的两个方程，解方程组，得β₁、λ，从而得到拟合的

实现摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器的标定，即

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