CN103644847A - 一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。本发明包括光纤Bragg光栅、悬臂梁、齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ、齿条Ⅰ、齿条Ⅱ、测量接触头、滚动轴承Ⅰ、滚动轴承Ⅱ、阶梯轴、位移限位套管、齿条套管Ⅰ、齿条套管Ⅱ、齿条套管Ⅲ、弹簧Ⅰ、弹簧Ⅱ、金属盒、外接光纤、滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座；其中光纤Bragg光栅、悬臂梁、齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ、齿条Ⅰ、齿条Ⅱ、滚动轴承Ⅰ、滚动轴承Ⅱ、阶梯轴、齿条套管Ⅰ、齿条套管Ⅱ、齿条套管Ⅲ、弹簧Ⅰ、弹簧Ⅱ、滚动轴承Ⅰ/Ⅱ底座被封装在金属盒的内部。本发明实现了对位移的在线监测，同时结构简单，使用方便，量程大，灵敏度可调，抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。
背景技术
近年来我国桥梁垮塌、隧道塌方、沿途滑坡等事故频发，及时准确掌握土木结构中的裂缝变化、相对位置滑动等状况使位移量检测显得尤为重要。目前，已有的光纤光栅位移传感器一般是将光纤光栅固定在各种弹性梁上，把位移通过梁（弹片）的形变转换到光栅的应变，通过解调光栅波长漂移来测量相应的位移。这种传感器具有精度高、抗电磁干扰、化学性质稳定且能满足分布式测量，缺点是量程小（一般小于200mm），又难于封装成适合工程应用的传感器。与本发明接近的是一种光纤光栅位移传感器（参见专利，授权公告号：CN 101762247 A）。该技术采用角位移转换装置对外部位移进行测量。由于角位移转换装置采用的多级齿轮，易出现测量偏差且难于封装。
本发明采用阶梯轴将两个半径不同的齿轮固定在同一轴上，将直线运动的位移通过两个齿轮的转化，最终作用至粘贴在悬臂梁上的光纤Bragg光栅上，实现了对位移的实时在线监测。
发明内容
本发明提供了一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器及其使用方法，以用于解决对位移的在线监测及易受电磁干扰的影响、准确度不高的问题。
本发明的技术方案是：一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器，包括光纤Bragg光栅1、悬臂梁2、齿轮Ⅰ3、齿轮Ⅱ4、齿条Ⅰ5、齿条Ⅱ6、测量接触头7、滚动轴承Ⅰ8、滚动轴承Ⅱ9、阶梯轴10、位移限位套管11、齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13、齿条套管Ⅲ14、弹簧Ⅰ15、弹簧Ⅱ16、金属盒17、外接光纤18、滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座；其中光纤Bragg光栅1、悬臂梁2、齿轮Ⅰ3、齿轮Ⅱ4、齿条Ⅰ5、齿条Ⅱ6、滚动轴承Ⅰ8、滚动轴承Ⅱ9、阶梯轴10、齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13、齿条套管Ⅲ14、弹簧Ⅰ15、弹簧Ⅱ16、滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座被封装在金属盒17的内部，光纤Bragg光栅1粘贴于悬臂梁2上、下表面中心轴上并引出矩形金属盒17外，齿轮Ⅰ3与齿轮Ⅱ4通过阶梯轴10同轴的串在一起，齿条Ⅰ5顶部与测量接触头7连接，齿条Ⅰ5中部与齿轮Ⅰ3吻合，齿条Ⅰ5底部与弹簧Ⅰ15相连，齿条Ⅱ6中部与齿轮Ⅱ4吻合，齿条Ⅱ6上部接有弹簧Ⅱ16，齿条Ⅱ6底部与悬臂梁2自由端相连，阶梯轴10固定在滚动轴承Ⅰ8和滚动轴承Ⅱ9上，滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座将滚动轴承Ⅰ8、滚动轴承Ⅱ9固定在矩形金属盒17内部，位移限位套管11与测量接触头7为一体，位移限位套管11的下端与齿条Ⅰ5连接并固定在金属盒17的上端，齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13的一端焊接在金属盒17的内壁上，齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13的另一端通过槽口与齿条Ⅰ5连接，齿条套管Ⅲ14的一端焊接在金属盒17的内壁上，齿条套管Ⅲ14的另一端通过槽口与齿条Ⅱ6连接，光纤Bragg光栅1通过光纤引出孔引出外接光纤18。
一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
A、测量接触头7传递的位移被齿条Ⅰ5接受并作用至齿轮Ⅰ3，齿轮Ⅰ3旋转将位移转换成小角度；通过齿轮Ⅰ3与齿轮Ⅱ4的同轴旋转，得到齿轮Ⅱ4与齿轮Ⅰ3旋转角度相同，同时齿轮Ⅱ4与齿条Ⅱ6结合又将小角度转换成小位移，齿条Ⅱ6最终将小位移作用至悬臂梁2的自由端，从而使粘贴于悬臂梁2上、下表面中心轴线上的光纤Bragg光栅1波长发生移位；
B、根据悬臂梁2上、下表面的光纤Bragg光栅1的波长移位差值 
与外部实际位移S的关系式
计算外部实际位移；式中：为光纤Bragg光栅1的中心波长，P e 为有效弹-光系数，l为等截面梁长度，x为光纤Bragg光栅1的粘帖位置，h为等截面梁的厚度，R 1为齿轮Ⅰ3的半径，R 2为齿轮Ⅱ4的半径。
本发明的工作原理是：
测量接触头7与位移限位套管11构成外部位移测量装置，齿条Ⅰ5和测量接触头7连接构成位移传递装置，齿条Ⅰ5和齿轮Ⅰ3吻合，齿轮Ⅰ3和齿轮Ⅱ4通过阶梯轴10同轴固定构成位移大小转换装置，阶梯轴10安装在滚动轴承Ⅰ8、滚动轴承Ⅱ9上，滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座将滚动轴承Ⅰ8、滚动轴承Ⅱ9固定在矩形金属盒17内，齿条Ⅱ6与齿轮Ⅱ4吻合，齿条Ⅱ6底部与悬臂梁2自由端连接，悬臂梁2的固定端与矩形金属盒17连接，光纤Bragg 光栅1粘贴在悬臂梁2上、下表面的中心轴线上，光纤Bragg光栅1通过光纤引出孔引出外接光纤18，利用解调仪得到光纤Bragg光栅中心波长的移位值，将外部实际位移反算出来，实现波长与位移的对应关系。
本发明的数学模型分析如下：
矩形悬臂梁2的变形引起光纤Bragg光栅1的形变，若测量过程中温度变化了
，则应变和温度引起的光纤Bragg光栅1的波长移位量
为：
式中，为应变灵敏系数，大小为
；P e 为有效弹-光系数，其值为P e =0.22；S T 为温度灵敏系数；
为光纤Bragg光栅1的中心波长；
为光纤Bragg光栅1所受应变量；ΔT为光纤Bragg光栅1的温度变化量。
将悬臂梁2上、下表面粘贴的两个初始波长相同的光纤Bragg光栅1波长移位相减，消除环境温度的影响：
式中，
为上、下表面两个光纤Bragg光栅1的波长移位差值，
，
分别为悬臂梁2上、下表面的光纤Bragg光栅波长1移位量。
悬臂梁2为矩形截面的等截面梁，根据材料力学的计算公式，悬臂梁2自由端位移f引起弹性元件上考察点x处截面的轴向应变为：
式中，l为等截面梁长度，x为光纤Bragg光栅1的粘贴位置，h为等截面梁的厚度。
由于悬臂梁2自由端位移f很小时，齿条Ⅱ6所作用到悬臂梁2自由端的位移为f，所以齿轮Ⅱ4转过的齿数：
式中，R 2为齿轮Ⅱ4的半径，Z 2为齿轮Ⅱ4的齿数。
齿轮Ⅱ4旋转角度为：
齿轮Ⅱ4和齿轮Ⅰ3同轴旋转，故齿轮Ⅰ3所转过的角度
=
，所以齿轮Ⅰ3转过的齿数为：
式中，Z 1为齿轮Ⅰ3的齿数。
由此可以得到齿条Ⅰ5的位移为：
（7）
式中，R 1为齿轮Ⅰ3的半径，齿条Ⅰ5位移S即为外部的实际位移。
由式（7）可得：
把（8）式代入（3）式，悬臂梁2上的应变与外部实际位移S的关系为：
把（9）式代入（1）式，则光纤Bragg光栅1的Bragg波长移位与外部实际位移S的关系为：
式（10）表明了位移传感器所测的位移S与光纤Bragg光栅的Bragg波长移位之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅的Bragg波长移位可以计算出位移传感器所测的位移。
本发明的有益效果是：
1、量程大。由于采用双齿轮式位移转换结构，将外部位移转化成小位移被传感器测量。
2、灵敏度可调。由于位移传感器结构简单，调整齿轮Ⅰ和齿轮Ⅱ的半径比例即可实现高灵敏度测量，且增大悬臂梁的厚度，减小悬臂梁的长度，使光纤光栅粘贴位置尽可能接近悬臂梁的固定端，均可有效的提高系统的位移分辨率。
3、实现位移的在线监测：齿条Ⅱ将齿轮Ⅰ和齿轮Ⅱ的位移大小转换装置转换成的小位移作用到悬臂梁上，使悬臂梁挠度发生变化，从而导致粘贴在悬臂梁上下表面中心轴上的光纤Bragg光栅的Bragg波长产生移位，通过测得光纤Bragg光栅的波长变化就可以计算出外部位移的大小。
4、抗干扰能力强：采用电绝缘材料光纤Bragg光栅，传输信号为光信号，可以抗电磁干扰，同时，还有减少电火花引燃待测可燃气体气体的作用，减少了安全隐患。光纤Bragg光栅传感器适用于存在电磁干扰情况下的特殊工况下实时测量。
5、结构简单，使用方便。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中滚动轴承和阶梯轴结构示意图；
图3为本发明中矩形悬臂梁结构图；
图中各标号：1为光纤Bragg光栅、2为悬臂梁、3为齿轮Ⅰ、4为齿轮Ⅱ、5为齿条Ⅰ、6为齿条Ⅱ、7为测量接触头、8为滚动轴承Ⅰ、9为滚动轴承Ⅱ、10为阶梯轴、11为位移限位套管、12为齿条套管Ⅰ、13为齿条套管Ⅱ、14为齿条套管Ⅲ、15为弹簧Ⅰ、16为弹簧Ⅱ、17为金属盒、18为外接光纤。
具体实施方式
实施例1：如图1-3所示，一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器，包括光纤Bragg光栅1、悬臂梁2、齿轮Ⅰ3、齿轮Ⅱ4、齿条Ⅰ5、齿条Ⅱ6、测量接触头7、滚动轴承Ⅰ8、滚动轴承Ⅱ9、阶梯轴10、位移限位套管11、齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13、齿条套管Ⅲ14、弹簧Ⅰ15、弹簧Ⅱ16、金属盒17、外接光纤18、滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座；其中光纤Bragg光栅1、悬臂梁2、齿轮Ⅰ3、齿轮Ⅱ4、齿条Ⅰ5、齿条Ⅱ6、滚动轴承Ⅰ8、滚动轴承Ⅱ9、阶梯轴10、齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13、齿条套管Ⅲ14、弹簧Ⅰ15、弹簧Ⅱ16、滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座被封装在金属盒17的内部，光纤Bragg光栅1粘贴于悬臂梁2上、下表面中心轴上并引出矩形金属盒17外，齿轮Ⅰ3与齿轮Ⅱ4通过阶梯轴10同轴的串在一起，齿条Ⅰ5顶部与测量接触头7连接，齿条Ⅰ5中部与齿轮Ⅰ3吻合，齿条Ⅰ5底部与弹簧Ⅰ15相连，齿条Ⅱ6中部与齿轮Ⅱ4吻合，齿条Ⅱ6上部接有弹簧Ⅱ16，齿条Ⅱ6底部与悬臂梁2自由端相连，阶梯轴10固定在滚动轴承Ⅰ8和滚动轴承Ⅱ9上，滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座将滚动轴承Ⅰ8、滚动轴承Ⅱ9固定在矩形金属盒17内部，位移限位套管11与测量接触头7为一体，位移限位套管11的下端与齿条Ⅰ5连接并固定在金属盒17的上端，齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13的一端焊接在金属盒17的内壁上，齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13的另一端通过槽口与齿条Ⅰ5连接，齿条套管Ⅲ14的一端焊接在金属盒17的内壁上，齿条套管Ⅲ14的另一端通过槽口与齿条Ⅱ6连接，光纤Bragg光栅1通过光纤引出孔引出外接光纤18。
一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
A、测量接触头7传递的位移被齿条Ⅰ5接受并作用至齿轮Ⅰ3，齿轮Ⅰ3旋转将位移转换成小角度；通过齿轮Ⅰ3与齿轮Ⅱ4的同轴旋转，得到齿轮Ⅱ4与齿轮Ⅰ3旋转角度相同，同时齿轮Ⅱ4与齿条Ⅱ6结合又将小角度转换成小位移，齿条Ⅱ6最终将小位移作用至悬臂梁2的自由端，从而使粘贴于悬臂梁2上、下表面中心轴线上的光纤Bragg光栅1波长发生移位；
B、根据悬臂梁2上、下表面的光纤Bragg光栅1的波长移位差值
与外部实际位移S的关系式计算外部实际位移；式中：
为光纤Bragg光栅1的中心波长，P e 为有效弹-光系数，l为等截面梁长度，x为光纤Bragg光栅1的粘帖位置，h为等截面梁的厚度，R 1为齿轮Ⅰ3的半径，R 2为齿轮Ⅱ4的半径。
实施例2：如图1-3所示，一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器，包括光纤Bragg光栅1、悬臂梁2、齿轮Ⅰ3、齿轮Ⅱ4、齿条Ⅰ5、齿条Ⅱ6、测量接触头7、滚动轴承Ⅰ8、滚动轴承Ⅱ9、阶梯轴10、位移限位套管11、齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13、齿条套管Ⅲ14、弹簧Ⅰ15、弹簧Ⅱ16、金属盒17、外接光纤18、滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座；其中光纤Bragg光栅1、悬臂梁2、齿轮Ⅰ3、齿轮Ⅱ4、齿条Ⅰ5、齿条Ⅱ6、滚动轴承Ⅰ8、滚动轴承Ⅱ9、阶梯轴10、齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13、齿条套管Ⅲ14、弹簧Ⅰ15、弹簧Ⅱ16、滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座被封装在金属盒17的内部，光纤Bragg光栅1粘贴于悬臂梁2上、下表面中心轴上并引出矩形金属盒17外，齿轮Ⅰ3与齿轮Ⅱ4通过阶梯轴10同轴的串在一起，齿条Ⅰ5顶部与测量接触头7连接，齿条Ⅰ5中部与齿轮Ⅰ3吻合，齿条Ⅰ5底部与弹簧Ⅰ15相连，齿条Ⅱ6中部与齿轮Ⅱ4吻合，齿条Ⅱ6上部接有弹簧Ⅱ16，齿条Ⅱ6底部与悬臂梁2自由端相连，阶梯轴10固定在滚动轴承Ⅰ8和滚动轴承Ⅱ9上，滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座将滚动轴承Ⅰ8、滚动轴承Ⅱ9固定在矩形金属盒17内部，位移限位套管11与测量接触头7为一体，位移限位套管11的下端与齿条Ⅰ5连接并固定在金属盒17的上端，齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13的一端焊接在金属盒17的内壁上，齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13的另一端通过槽口与齿条Ⅰ5连接，齿条套管Ⅲ14的一端焊接在金属盒17的内壁上，齿条套管Ⅲ14的另一端通过槽口与齿条Ⅱ6连接，光纤Bragg光栅1通过光纤引出孔引出外接光纤18。
一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
A、测量接触头7传递的位移被齿条Ⅰ5接受并作用至齿轮Ⅰ3，齿轮Ⅰ3旋转将位移转换成小角度；通过齿轮Ⅰ3与齿轮Ⅱ4的同轴旋转，得到齿轮Ⅱ4与齿轮Ⅰ3旋转角度相同，同时齿轮Ⅱ4与齿条Ⅱ6结合又将小角度转换成小位移，齿条Ⅱ6最终将小位移作用至悬臂梁2的自由端，从而使粘贴于悬臂梁2上、下表面中心轴线上的光纤Bragg光栅1波长发生移位；
B、根据悬臂梁2上、下表面的光纤Bragg光栅1的波长移位差值
与外部实际位移S的关系式计算外部实际位移；式中：
为光纤Bragg光栅1的中心波长，P e 为有效弹-光系数，l为等截面梁长度，x为光纤Bragg光栅1的粘帖位置，h为等截面梁的厚度，R 1为齿轮Ⅰ3的半径，R 2为齿轮Ⅱ4的半径。
所述方法的具体实施步骤为：
1、悬臂梁尺寸：长度l=200mm，厚度h=1mm，宽度b=100mm。
2、齿轮尺寸：齿轮Ⅰ3的半径R 1=800mm，齿轮Ⅱ4的半径R 2=100mm。
3、光纤Bragg光栅技术参数：中心波长
=1547.000nm，有效弹-光系数P e =0.22，粘贴位置x=50mm。
4、可按附图1配置实验。
5、用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长。
6、根据式光纤Bragg光栅的Bragg波长移位对位移的响应灵敏度，将已知量代入（10）式
：
理论计算表明，该位移传感器的灵敏度为8.48pm/mm。因此，当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm时，该传感器的分辨率为0.118mm。计算结果表明该传感器的测量范围大于300mm，且具有高测量分辨率，测量误差小。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (2)
1.一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器，其特征在于：包括光纤Bragg光栅（1）、悬臂梁（2）、齿轮Ⅰ（3）、齿轮Ⅱ（4）、齿条Ⅰ（5）、齿条Ⅱ（6）、测量接触头（7）、滚动轴承Ⅰ（8）、滚动轴承Ⅱ（9）、阶梯轴（10）、位移限位套管（11）、齿条套管Ⅰ（12）、齿条套管Ⅱ（13）、齿条套管Ⅲ（14）、弹簧Ⅰ（15）、弹簧Ⅱ（16）、金属盒（17）、外接光纤（18）、滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座；其中光纤Bragg光栅（1）、悬臂梁（2）、齿轮Ⅰ（3）、齿轮Ⅱ（4）、齿条Ⅰ（5）、齿条Ⅱ（6）、滚动轴承Ⅰ（8）、滚动轴承Ⅱ（9）、阶梯轴（10）、齿条套管Ⅰ（12）、齿条套管Ⅱ（13）、齿条套管Ⅲ（14）、弹簧Ⅰ（15）、弹簧Ⅱ（16）、滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座被封装在金属盒（17）的内部，光纤Bragg光栅（1）粘贴于悬臂梁（2）上、下表面中心轴上并引出矩形金属盒（17）外，齿轮Ⅰ（3）与齿轮Ⅱ（4）通过阶梯轴（10）同轴的串在一起，齿条Ⅰ（5）顶部与测量接触头（7）连接，齿条Ⅰ（5）中部与齿轮Ⅰ（3）吻合，齿条Ⅰ（5）底部与弹簧Ⅰ（15）相连，齿条Ⅱ（6）中部与齿轮Ⅱ（4）吻合，齿条Ⅱ（6）上部接有弹簧Ⅱ（16），齿条Ⅱ（6）底部与悬臂梁（2）自由端相连，阶梯轴（10）固定在滚动轴承Ⅰ（8）和滚动轴承Ⅱ（9）上，滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座将滚动轴承Ⅰ（8）、滚动轴承Ⅱ（9）固定在矩形金属盒（17）内部，位移限位套管（11）与测量接触头（7）为一体，位移限位套管（11）的下端与齿条Ⅰ（5）连接并固定在金属盒（17）的上端，齿条套管Ⅰ（12）、齿条套管Ⅱ（13）的一端焊接在金属盒（17）的内壁上，齿条套管Ⅰ（12）、齿条套管Ⅱ（13）的另一端通过槽口与齿条Ⅰ（5）连接，齿条套管Ⅲ（14）的一端焊接在金属盒（17）的内壁上，齿条套管Ⅲ（14）的另一端通过槽口与齿条Ⅱ（6）连接，光纤Bragg光栅（1）通过光纤引出孔引出外接光纤（18）。
2.一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器的使用方法，其特征在于： 所述方法的具体步骤如下：
A、测量接触头（7）传递的位移被齿条Ⅰ（5）接受并作用至齿轮Ⅰ（3），齿轮Ⅰ（3）旋转将位移转换成小角度；通过齿轮Ⅰ（3）与齿轮Ⅱ（4）的同轴旋转，得到齿轮Ⅱ（4）与齿轮Ⅰ（3）旋转角度相同，同时齿轮Ⅱ（4）与齿条Ⅱ（6）结合又将小角度转换成小位移，齿条Ⅱ（6）最终将小位移作用至悬臂梁（2）的自由端，从而使粘贴于悬臂梁（2）上、下表面中心轴线上的光纤Bragg光栅（1）波长发生移位；
B、根据悬臂梁2上、下表面的光纤Bragg光栅1的波长移位差值 与外部实际位移S的关系式计算外部实际位移；式中：
为光纤Bragg光栅（1）的中心波长，P e 为有效弹-光系数，l为等截面梁长度，x为光纤Bragg光栅（1）的粘帖位置，h为等截面梁的厚度，R 1为齿轮Ⅰ（3）的半径，R 2为齿轮Ⅱ（4）的半径。
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