CN103217105B - 一种用于测量位移的传感器及其方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量位移的传感器，该传感器包括至少一个检测单元，上述传感器穿过保护软管，该检测单元具有第一组件和第二组件，上述第一组件和第二组件首尾相连组成活动连接件，第一组件内部光设置有光栅光纤，该光纤测量位移传感器可以实施长距离远程多点的实时监测，采用远程实时监测可以有效地减少人力和物力成本，因为光纤光栅本身抗电磁干扰能力高、绝缘性能好、化学稳定性强、传输损耗小、传输容量大等特点、测量范围广等特点，可以有效地避免天气或其他人为因素对监测造成的影响，增强了测量数据的可靠性。

Description

一种用于测量位移的传感器及其方法

技术领域

本发明涉及一种位移测量装置，尤其涉及一种用于测量位移的传感器，属于光纤位移传感技术领域。

背景技术

由于山体滑坡、坝体变形、路基沉陷为具有非常大的自然灾害，对于国民生产生活产生很大的影响，传统的对于上述自然灾害的检测采用人员定期检测的方法进行检测。但是上述传统的人员检测方法容易受到很多不定因素的影响，例如人为原因造成的错误、天气原因或其他原因使得不能及时进行监测，影响到监测时间和周期、人力和物力上成本过高等一系列缺点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了如下技术方案：一种用于测量位移的传感器，所述传感器包括至少一个检测单元，该检测单元具有第一组件和第二组件，上述第一组件通过一个转动件与第二组件连接，所述第一组件和第二组件处于第一平面，所述转动件的轴线垂直于第一平面，所述第二组件通过所述转动件在第一平面内绕所述转动件的轴线转动，所述第一组件包括：第一基座以及弹性部件，第二组件包括第二基座和连接梁，所述连接梁的一端与第二基座固定连接，所述连接梁的另一端与所述转动件固定连接，其特征在于：在沿垂直于第一平面的方向上所述转动件设置有一凹槽，上述弹性部件的一端与第一基座固定连接，另一端则搭接在所述凹槽内；对于所述弹性部件，其与所述凹槽的搭接的接触面之外的部位，还粘贴有光纤光栅；当第二组件带动所述转动件在第一平面内绕所述转动件的轴线转动时，使得所述搭接在凹槽处的弹性部件发生形变。

同时，本发明还公开了一种利用所述传感器测量位移的方法，其特征在于：其包括如下步骤：

(1)将上述传感器设置在保护软管内，并将其埋入测量环境中，当上述第二组件相对于第一组件发生相对位移时，转动件的凹槽处撬动弹性部件，使弹性部件发生形变；

(2)通过光纤光栅调制解调仪探测光纤光栅中光的波长的变化，计算出第二组件相对于第一组件的旋转的角度θ。

(3)设定第一导销和第二导销之间的距离为定值L，则可通过三角函数关系计算出第二组件发生的位移D，进而得到测量部位的位移。

本发明的优点在于该位移传感器可以实施长距离远程多点的实时监测，采用远程实时监测可以有效地减少人力和物力成本，因为光纤光栅本身抗电磁干扰能力高、绝缘性能好、化学稳定性强、传输损耗小、传输容量大等特点、测量范围广等特点，可以有效地避免天气或其他人为因素对监测造成的影响，增强了测量数据的可靠性。

附图说明

图1光纤测量位移传感器的结构示意图；

图2光纤测量位移传感器的n与n+1节的连接结构示意图；

图3为长圆形连接板侧面示意图；

图4为光纤测量位移传感器测量位移的示意图。

具体实施方式

下面，参照附图1～4对本发明的光纤测量位移传感器以及测量位移方法进行说明。

在图1～2中，该传感器包括至少一个检测单元，上述传感器穿过保护软管，该检测单元具有第一组件和第二组件，上述第一组件和第二组件首尾相连组成刚性连接件，第一组件包括第一基座6、第一连接板2、第二连接板9以及悬臂梁8或弹簧片8，第一基座6设置在第一连接板2和第二连接板9之间通过固定结构固定，第一基座6中部设置有矩形槽，悬臂梁8的一端固定在矩形槽内，第二组件包括第二基座10、第三连接板5、第四连接板11、连接梁4以及导销3，第二基座8设置在第三连接板5和第四连接板11之间通过固定结构固定，导销3的两端穿过第一连接板2和第二连接板9，连接梁11的一端与第二基座10固定连接，连接梁11的另一端与导销3的中部固定连接，导销3的中部沿销体直径设置一凹槽，上述悬臂梁8的另一端搭接在导销3的凹槽内，并使悬臂梁8产生一定的预应力，光纤光栅粘贴在悬臂梁8上。

如果导销通过杠杆连接到第二组件的连接梁，那么容易提高测量的范围，使得第二组件的微小位移也能有效撬动悬臂梁，从而光纤光栅发挥其作用。

如果预先为悬臂梁施加预应力使其发生预先的形变，即此时第二组件相对第一组件有一个预先的角度，则在该传感器的应用中可以测量第二组件相对于第一组件正负角度。也就是说，如果形变变小的话对应于产生了负角度，那么测量范围会扩大到负角度。

在实际应用中，如图2所示，可将n节这样的装置依次连接，便可测量多点位移。

在其他实施例中，所述固定结构可以为：垂直于连接板有两个孔，用两根螺丝同时穿过连接板和基座将第一基座固定。连接板的形状可以为矩形，也可以为如图3所示的长圆形。

在另一个实施例中：所述导销的两端既可以穿过第一连接板和第二连接板，也可以穿过第三连接板和第四连接板，只要有效固定即可。在另一个实施例中，上述传感器可通过以下步骤安装：1将粘有光纤光栅的悬臂梁8放入第一基座6的矩形槽中；2第一基座6侧面有两个螺丝孔，在侧面上两个螺丝将悬臂梁8固定在矩形槽中。垂直于第一基座6也有两个螺丝孔(以后用来固定基座和连接板)；3第一和第四连接板上分别打有两个为固定基座的圆孔(较小)和一个固定导销圆孔(较大)。将第一基座6放在第一个连接板2上，将第二基座10放在第四块连接板11上，同时由于第二基座10和导销3为一连接整体，则导销3一端也穿过了第一基座6的导销3圆孔；4将悬臂梁8另一端搭接在导销3中部的凹槽中，只是接触上，不是固定，并使悬臂梁8产生适量预应力，其目的是为了：及时测量以及正负角度都能测量；5将第二块连接板9穿过导销的另一端，盖在第一基座6上，将两根螺丝穿过连接板和第一基座6，上紧螺丝，则第一基座6和导销3固定完毕。将第三块连接板5用同样的方法安装。

利用上述光传感器检测位移，其包括如下步骤：

(1)将上述传感器设置在保护软管内，并将其埋入测量环境中，当上述第二组件相对于第一组件发生相对位移时，转动件的凹槽处撬动弹性部件，使弹性部件发生形变；

(2)通过光纤光栅调制解调仪探测光纤光栅中光的波长的变化，计算出第二组件相对于第一组件的旋转的角度θ。(3)设定第一导销和第二导销之间的距离为定值L，则很容易通过三角函数关系计算出第二组件发生的位移D，进而得到测量部位的位移。

如图4所示，以监测路基沉陷为例，根据实际测量的具体要求可将n节此装置依次连接套装保护软管后埋于地下，每一个悬臂梁上所粘贴的光纤光栅连接到地面上监控室的光纤光栅调制解调仪上，调制解调仪与电脑连接。当光源发出的光通过光纤耦合器经由分线器分成多路到达每个传感器上，光信号在原路返回到光纤耦合器，再进入光纤光栅调制解调器，当某位置发生相对位移时，与之相对应的该部位的光纤光栅波长发生相应的变化。因为光纤光栅波长变化与两节组件夹角变化成线性关系，利用三角函数关系便可计算出任意一节组件发生的相对位移D，当位移超过一定范围是电脑则会自动报警(此过程可通过电脑软件实现)。在使用时，将此装置套上塑管埋入地下，当第二基座处的岩土发生向下的相对位移时(假设只有第二基座处的岩上发生向下的位移)，导销凹槽端部撬动悬臂梁，使梁发生形变，则悬臂梁上所粘贴的光纤光栅发生形变，地面发出的持续光源，经耦合器入射到光纤光栅上，符合布拉格反射条件的光被反射回来，在经过耦合器由单模光纤射出，入射到线阵CCD上，经过光电转换，将光信号转换成电信号，线阵CCD在驱动电路的驱动下，输出图像的模拟电信号，同时采集板卡上的A/D处理芯片将模拟信号转换成数字信号，然后采集板卡将转换后的数据实时上传到计算机中，计算机利用基于上述测量原理的算法软件对数据进行曲线拟合，通过拟合后的曲线可得出光栅的中心波长。最后通过已得到的波长数据，及相应的波长对应相应的角度，再通过标定试验得出二次函数模型，将测得的不同的波长数据带入到函数中，即可得到相应的物理参量，从而就可以算出第二基座相对于第一基座旋转的角度θ，因为已知定值L，则可通过三角函数关系计算出第二基座发生的位移D。

以上所述仅为本发明专利的优选实施例，并不用于限制发明专利，对于本领域的技术人员来说，本发明专利可以有各种更改和变化。凡在本发明专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于测量位移的传感器，所述传感器包括至少一个检测单元，该检测单元具有第一组件和第二组件，上述第一组件通过一个转动件与第二组件连接，其特征在于：所述第一组件和第二组件处于第一平面，所述转动件的轴线垂直于所述第一平面，所述第二组件通过所述转动件在第一平面内绕转动件的轴线转动，所述第一组件包括：第一基座、弹性部件第一连接板以及第二连接板；第一基座设置在第一连接板和第二连接板之间，并通过第一连接板和第二连接板被固定；第二组件包括第三连接板、第四连接板、第二基座和连接梁；第二基座设置在第三连接板和第四连接板之间，并通过第三连接板和第四连接板被固定，连接梁的一端与第二基座固定连接，连接梁的另一端与所述转动件固定连接，在沿垂直于第一平面的方向上所述转动件的中部设置有一凹槽，上述弹性部件的一端与第一基座固定连接，另一端则搭接在所述凹槽内；对于所述弹性部件，其与所述凹槽的搭接的接触面之外的部位，还粘贴有光纤光栅；当第二组件带动所述转动件在第一平面内绕第一组件转动时，使得所述搭接在凹槽处的弹性部件发生形变。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述弹性部件为悬臂梁或弹簧片。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：在使用所述传感器时，预先对所述弹性部件施加一定的预应力，使得所述弹性部件预先产生一定的形变。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述转动件的两端穿过第一连接板和第二连接板，或者穿过第三连接板和第四连接板。

5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于：所述转动件为导销。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述检测单元为多个，且互相之间首尾依次连接，以便用于测量多点位移。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的传感器测量位移的方法，其特征在于：其包括如下步骤：

(1)将上述传感器设置在保护软管内，并将其埋入测量环境中，当上述第二组件相对于第一组件发生相对位移时，转动件的凹槽处撬动弹性部件，使弹性部件发生形变；

(2)通过光纤光栅调制解调仪探测光纤光栅中光的波长的变化，计算出第二组件相对于第一组件的旋转的角度。