CN102288162A - 基于光纤布拉格光栅的倾角传感器及其倾角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅的倾角传感器及其倾角测量方法，属结构倾角测量技术领域。包括固定底板（12）、固定压块（6）、还包括薄壁式等截面金属梁（9），该薄壁式等截面金属梁（9）上端通过第一活动压块（10）及第五螺钉（11）与上述固定压块配合安装于固定底板（12）上，还包括通过第六螺钉（15）和第二活动压块（16）固定于薄壁式等截面金属梁（9）下端的质量块（17）；上述薄壁式等截面金属梁（9）上两侧相对位置分别贴有第一光纤布拉格光栅（13）和第二光纤布拉格光栅（14）。该方法根据两个光纤布拉格光栅的中心波长的变化与倾角的对应关系即可检测出倾角的大小和方向。本发明测量精度高且具有温度自补偿功能。

Description

基于光纤布拉格光栅的倾角传感器及其倾角测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅的倾角传感器及其倾角测量方法，属于结构倾角测量及光纤传感技术领域。 

背景技术

目前，倾角传感器从工作原理上可分为气体摆式、液体摆式、固体摆式三种。气体摆式有较强的抗振动或冲击能力，但气体运动控制比较复杂，且测量精度不高。液体摆式倾角传感器系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，但测量范围较小，对测量环境要求也较高。固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，而在实用中产品类型较多为电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，在工程中应用也较为广泛，但易受电磁干扰，且在连续性、实时性和测量灵敏度等方面也越来越难以满足现今的监测要求。 

华中科技大学的研究学者[伍贤智，仁伟新，“一种新型光纤光栅倾角传感器的研制”，华中科技大学学报，25(4)，332-334(2008)]提出了一种用于土木工程监测的光纤光栅倾角测量方法，和传统的机械式、电磁式等测量方法相比，设计成本和结构复杂度有一定的改善，但该种方法依然存在以下技术问题和缺陷：①由于摆锤直接套在轴上，通过绕轴的偏转实现倾角测量，而实际倾角测量时，特别是测量精度要求很高的场合下，摆锤与轴之间的摩擦力以及摆锤与应变梁的固定方式均会给测量带来很大的不确定性误差，从而限制了传感器的实际应用；②由于测量灵敏度的限制，该传感器仅适用于小角度测量，不能根据实际工程需要扩大量程检测范围。 

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足和缺陷，提出一种测量精度高且具有温度自补偿的基于光纤布拉格光栅的倾角传感器及其测量方法。且该传感器可根据工程实际需要通过更换不同尺寸的薄壁式等截面金属梁来改变传感器的检测灵敏度。 

一种基于光纤布拉格光栅的倾角传感器，包括固定底板、固定于固定底板上 的固定压块、薄壁式等截面金属梁，该薄壁式等截面金属梁上端通过一活动压块及螺钉与上述固定压块配合安装于固定底板上，薄壁式等截面金属梁下端另一螺钉和另一活动压块与质量块固定在一起；上述薄壁式等截面金属梁上两侧的相对位置分别贴有两根参数相同的光纤布拉格光栅。 

一种基于光纤布拉格光栅倾角传感器的倾角测量方法，包括以下过程： 

(a)、预测被测结构倾斜运动平面； 

(b)、将光纤布拉格光栅倾角传感器竖直地固定于被测结构上，且该传感器的固定底板与上述倾斜运动平面平行； 

(c)、当被测结构偏离竖直平面产生倾角时，薄壁式等截面金属梁的上端由于被固定在固定底板上而保持相对位置不变，而紧密连接在一起的质量块和薄壁式等截面金属梁下端会由于重力的作用而克服薄壁式等截面金属梁上端拉力保持竖直向下，这样薄壁式等截面金属梁就会因不同倾角导致不同形变； 

(d)、粘贴在薄壁式等截面金属梁表面的第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅会因为薄壁式等截面金属梁的不同形变产生不同的轴向伸缩，从而导致的布拉格光栅中心波长的漂移，根据中心波长的变化与倾角的对应关系即可检测出倾角的大小和方向；具体公式如下： 

$\mathrm{\Δ\λ}=(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B\·\frac{12\mathrm{mg}\·L_2}{{\mathrm{Eab}}^2}\mathrm{\θ}$

其中，Δλ为两个光纤布拉格光栅的中心波长偏移之差，λB为光纤布拉格光栅的中心波长，Pe为光纤的有效弹光系数，m为质量块的质量，g为重力加速度，L2为光纤布拉格光栅的中心位置到薄壁式等截面金属梁下端小孔的距离，E为薄壁式等截面金属梁材料的弹性模量，a为薄壁式等截面金属梁材料的宽度，b为薄壁式等截面金属梁材料的厚度，θ为被测结构偏离竖直面的倾斜角度。 

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点： 

1、本发明的光纤布拉格光栅倾角传感器由于采用刚度较大且截面积处处相等的薄壁式等截面金属梁，因此梁的加工精度较高，残余应变较小，能有效提高传感器的测量精度。 

2、本发明的质量块直接与薄壁式等截面金属梁固定在一起，当倾角发生改变时，质量块与薄壁式等截面金属梁同时发生偏转，与采用固定的转轴相比，质 量块与薄壁式等截面金属梁不存在相对位移，且在小角度的高精度测量过程中也不存在由于质量块与转轴之间的摩擦导致的响应灵敏度低和响应滞后的问题，从而大大提高了传感器的测量精度。 

3、本发明通过采用固定滑块、活动滑块和连接螺钉的固定方式，不仅能有效地克服在倾角检测时因薄壁式等截面金属梁的相对运动导致的测量误差，提高检测精度，还能方便地对不同尺寸参数的薄壁式等截面金属梁材料的更换，提高传感器的设计灵活性。 

4、本发明可通过调整薄壁式等截面金属梁的尺寸参数达到调节传感器灵敏度的目的，以满足不同场合下的对结构倾角测量范围和测量精度的不同应用需求。对于精度要求高的小角度测量可通过减小薄壁式等截面金属梁的宽度或增加质量块的质量来提高系统灵敏度，对于应变量程范围大的倾角测量可通过增加薄壁式等截面金属梁的宽度以降低灵敏度来扩大它的角度量程范围。 

5、本发明的薄壁式等截面金属梁与固定压块和质量块均通过螺钉连接，易于更换，方便二次设计，使得传感器具有可反复设计调整的实用性。 

6、本发明的薄壁式等截面金属梁的上下表面分别粘贴两根光纤布拉格光栅，有效地克服了温度与应变交叉敏感的问题，实现了温度自补偿，并使系统灵敏度整体提高了一倍。 

7、本发明可通过设计多个相同的传感器，每个传感器分别采用不同中心波长的光纤布拉格光栅，并所有传感器相应的布拉格光栅串接起来，即使用两根光纤即可实现多点分布式倾角测量，大大提高了工程检测系统的实用性，降低了系统复杂性和设计成本。 

附图说明

图1是本发明的一种结构图。 

图2是本发明的原理图及其等效模型。 

图3是本发明的实验测得倾角响应曲线图。 

图4是本发明灵敏度调节的倾角响应曲线图。 

其中，1、盒体顶盖；2、第一小孔；3、第二小孔；4、第一螺钉；5、第二螺钉；6、固定压块；7、第三螺钉；8、第四螺钉固定；9、薄壁式等截面金属梁；10、第一活动压块；11、第五螺钉；12、固定底板；13、第一光纤布拉格光栅； 14、第二光纤布拉格光栅；15、第六螺钉；16、第二活动压块；17、质量块；18、盒体。 

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： 

如图一所示，一种光纤布拉格光栅倾角传感器，包括盒体18、盒体顶盖1、固定底板12、薄壁式等截面金属梁9、固定压块6、第一活动压块10、质量块17、第一光纤布拉格光栅13及第二光纤布拉格光栅14。盒体18的上开口端通过第一螺钉4和第二螺钉5设置盒体顶盖1，盒体顶盖1上钻有第一小孔2和第二小孔3以便将光纤引出。固定底板12固定在盒体18内侧面中心位置的上侧，固定压块6通过第三螺钉7和第四螺钉8固定在固定底板12上，薄壁式等截面金属梁9的两端分别钻有一个小孔，第一活动压块10通过第五螺钉11将薄壁式等截面金属梁9的上端紧紧地压在固定压块6上，薄壁式等截面金属梁9的下端通过第六螺钉15将第二活动压块16和质量块17紧密连接在一起，第一光纤布拉格光栅13和第二光纤布拉格光栅14通过特殊的粘贴工艺分别准直地固定在薄壁式等截面金属梁9上、下表面中心位置并施以一定的预应力。 

使用时，将本发明传感器竖直地固定于被测结构上，当结构倾角发生变化时，传感器也发生相同的倾斜角度的变化，而被固定在传感器盒体18内侧固定底板12上的薄壁式等截面金属梁9上端的位置保持相对不变，此时由于重力的作用，盒体内的质量块17与薄壁式等截面金属梁9的下端会克服薄壁式等截面金属梁9上端的拉力保持竖直向下，这样就会使得薄壁式等截面金属梁9因不同的倾角产生不同的形变，进而导致薄壁式等截面金属梁9表面的应变分布不同，而粘贴在薄壁式等截面金属梁9表面固定位置的第一光纤布拉格光栅13和第二光纤布拉格光栅14会因为薄壁式等截面金属梁9的不同应变产生不同的轴向伸缩，从而导致的布拉格光栅中心波长的漂移，根据中心波长的变化与倾角的对应关系即可检测出倾角的大小和方向。如图二所示，利用等效替换的原理，相当于薄壁式等截面金属梁9上端被固定，其下端由于倾角的不同而受到不同方向的载荷，设该外力载荷大小为F，F可分解为水平分量F1和垂直分量F2。从而可以分别计算出薄壁式等截面金属梁任意部位的应变。 

F1产生的轴向拉应力为： 

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{F_1}{A}=\frac{F\·\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{ab}}$ ① 

其中θ为被测结构偏离竖直平面的倾斜角度，a为薄壁式等截面金属梁的宽度，b为薄壁式等截面金属梁的厚度。 

F2在与薄壁式等截面金属梁末端小孔中心位置距离L2处产生的弯曲正应力为： 

${\mathrm{\σ}}_2=\frac{M\·y}{I_z}=\frac{F_2\·L_2\·b/2}{{\mathrm{ab}}^3/12}=\frac{6F\·L_2\sin \mathrm{\θ}}{{\mathrm{ab}}^2}$ ② 

则薄壁式等截面金属梁上、下侧中心位置的总应力分别为： 

σ_上＝σ₁+σ₂        ③ 

σ_下＝σ₁-σ₂        ④ 

由于传感器采用双光栅的差动法，则实际测得的应力为： 

⑤ 

上式中m为质量块的质量，g为重力加速度。 

则光栅测得的应变之差为： 

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δ\σ}}{E}=\frac{12\mathrm{mg}\·L_2\sin \mathrm{\θ}}{{\mathrm{Eab}}^2}\≈\frac{12\mathrm{mg}\·L_2}{{\mathrm{Eab}}^2}\mathrm{\θ}$ ⑥ 

上式中E为薄壁式等截面梁金属梁的弹性模量。 

由温度和应变引起的光栅Bragg波长的漂移，可表示为： 

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-p_e)\mathrm{\ϵ}+(\mathrm{\ξ}+\mathrm{\α})\mathrm{\ΔT}$ ⑦ 

上式中Pe为光纤的有效弹光系数，ε为光纤布拉格光栅的轴向应变ΔλB为光纤布拉格光栅的中心波长偏移量，λB为光纤布拉格光栅的中心波长。 

由于采用双光栅对称结构，即两个参数相同的布拉格光栅处于相同的温度场中，利用差动法即可消除温度和应变交叉敏感的问题，自补偿后的两布拉格光栅波长偏移量之差Δλ可表示为： 

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-p_e)\mathrm{\Δ\ϵ}$ ⑧ 

将公式(6)代入公式(8)可得： 

$\mathrm{\Δ\λ}=(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B\·\frac{12\mathrm{mg}\·L_2}{{\mathrm{Eab}}^2}\mathrm{\θ}=\mathrm{k\θ}$ ⑨ 

上式中，k为光纤光栅倾角传感器的灵敏度。 

$k=(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B\·\frac{12\mathrm{mg}\·L_2}{{\mathrm{Eab}}^2}$ ⑩ 

因此，可以利用两根光纤布拉格光栅中心波长的变化差来测量因被测结构倾角改变引起的薄壁式等截面金属梁(9)弯曲变形的应力变化，从而得出中心波长的变化差与倾角的关系，以达到测量倾角的目的。同时，由⑤式可以看出，实际测得的应变为弯曲正应力产生应变的2倍，可见该测量方法将系统灵敏度整体提高了2倍，从而进一步提高了测量精度；由⑩式还可以看出，通过对薄壁式等截面金属梁尺寸参数与结构参数的优化可以实现传感器灵敏度的调节，根据实际应用的需要通过对第五螺钉11和第六螺钉15的调节将参数优化后的薄壁式等截面金属梁9灵活地进行安装与拆卸，不仅能提高传感器的设计灵活性，还能满足不同应用场合下对传感器灵敏度的不同需求。 

此外，本发明采用这种双光栅差动法能简单有效地解决光纤布拉格光栅的温度、应变交叉敏感的问题，实现温度自补偿，温度补偿效果明显。这种设计实现温度补偿的原理是：薄壁式等截面金属梁9采用金属材料，由于薄壁式等截面金属梁9的厚度取得很小以及金属材料的导热性，使得两根参数相同的第一光纤布拉格光栅13和第二光纤布拉格光栅14始终处于相同的温度场中。当温度变化时由于布拉格光栅各点的热膨胀系数相同，因此由温度变化引起的布拉格光栅栅格周期的变化是相同的，即Bragg波长总是随温度同向同步漂移而保持相对位置不变，从而实现了温度自补偿。 

下面通过几个具体实施例可进一步理解本发明。 

实施例1 

薄壁式等截面金属梁9的材料选用弹性及韧度较好的铍青铜，其弹性模量为E＝131GPa，铍青铜的上端被固定压块6和第一活动压块10固定在固定底板12 上，薄壁式等截面金属梁9下端通过第二活动压块16和第六螺钉15与质量块17紧密相连，铍青铜的长度为L＝52mm，宽度为a＝6mm，厚度为b＝1.5mm，质量块17采用密度大的圆柱形黄铜，其质量m＝0.1kg。当发生结构偏离竖直平面产生倾角时，质量块17所产生的外力载荷使得距薄壁式等截面金属梁9下端L2＝9mm处的应变发生变化，进而使该处粘贴的光纤布拉格光栅发生轴向伸缩导致中心波长发生漂移。由于采用双光栅的差动法，则第一光纤布拉格光栅13和第二光纤布拉格光栅14实际测得的应变之差与倾斜角度的关系为： 

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{12\mathrm{mg}\·L_2}{{\mathrm{Eab}}^2}\mathrm{\θ}=6.107\×{10}^5\mathrm{\θ}$

采用双光栅对称结构消除温度影响后，第一光纤布拉格光栅13和第二光纤布拉格光栅14的中心波长变化之差与倾斜角度的关系为 

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B=(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B\·\frac{12\mathrm{mg}\·L_2}{{\mathrm{Eab}}^2}\mathrm{\θ}=98.133\mathrm{\θ}\left(\mathrm{pm}\right)$

则本发明传感器的理论灵敏度为 

实验所得的传感器倾角响应曲线图如图三所示，本发明传感器的灵敏度可达到56.93pm/1°，0-5°范围内的线性度较好，且测量精度为0.02°，在同类的利用光纤光栅实现倾角传感技术中具有较高的实际测量精度。 

实施例2 

与实施例1相似，区别在于薄壁式等截面金属梁的宽度变为b＝8mm，实验所得传感器倾角响应曲线如图四所示，由图四可以看出，增大薄壁式等截面金属梁宽度后，传感器在线性范围为0-80°，即增大薄壁式等截面金属梁宽度减小了传感器的灵敏度，扩大了传感器的倾角检测范围，从而能有效适用于不同工程环境的应用需求。 

Claims (2)

1.一种基于光纤布拉格光栅的倾角传感器，其特征在于：包括固定底板(12)、固定于固定底板(12)上的固定压块(6)、还包括薄壁式等截面金属梁(9)，该薄壁式等截面金属梁(9)上端通过第一活动压块(10)及第五螺钉(11)与上述固定压块配合安装于固定底板(12)上，还包括通过第六螺钉(15)和第二活动压块(16)固定于薄壁式等截面金属梁(9)下端的质量块(17)；上述薄壁式等截面金属梁(9)上两侧的相对位置分别贴有第一光纤布拉格光栅(13)和第二光纤布拉格光栅(14)。

2.利用权利要求1所述传感器的测量倾角的倾角测量方法，其特征在于包括以下过程：

(a)、预测被测结构倾斜运动平面；

(b)、将光纤布拉格光栅倾角传感器竖直地固定于被测结构上，且该传感器的固定底板(12)与上述倾斜运动平面平行；

(c)、当被测结构偏离竖直平面产生倾角时，薄壁式等截面金属梁的上端由于被固定在固定底板(12)上而保持相对位置不变，而紧密连接在一起的质量块(17)和薄壁式等截面金属梁下端会由于重力的作用而克服薄壁式等截面金属梁上端拉力保持竖直向下，这样薄壁式等截面金属梁就会因不同倾角导致不同形变；

(d)、粘贴在薄壁式等截面金属梁(9)表面的第一光纤布拉格光栅(13)和第二光纤布拉格光栅(14)会因为薄壁式等截面金属梁(9)的不同形变产生不同的轴向伸缩，从而导致的布拉格光栅中心波长的漂移，根据中心波长的变化与倾角的对应关系即可检测出倾角的大小和方向；具体公式如下：

$\mathrm{\Δ\λ}=(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B\·\frac{12\mathrm{mg}\·L_2}{{\mathrm{Eab}}^2}\mathrm{\θ}$

其中，Δλ为两个光纤布拉格光栅的中心波长偏移之差，λB为光纤布拉格光栅的中心波长，Pe为光纤的有效弹光系数，m为质量块的质量，g为重力加速度，L2为光纤布拉格光栅的中心位置到薄壁式等截面金属梁下端小孔的距离，E为薄壁式等截面金属梁材料的弹性模量，a为薄壁式等截面金属梁材料的宽度，b为薄壁式等截面金属梁材料的厚度，θ为被测结构偏离竖直面的倾斜角度。

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