CN104792267B - 光纤光栅位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光纤光栅位移传感器，包括金属封装外壳，其特征在于，还包括：光纤光栅、测量杆、轴承、轨道、导向轴、弹性合金构件、水平滑动块、连接器件以及可滑动支座；上述金属封装外壳一端设有轴承及导向轴，另一端设有水平轨道；上述导向轴与弹性合金构件相连接并与上述水平滑动块相接触；上述弹性合金构件内设有张拉光栅；上述水平滑动块通过连接器件与上述测量杆固定并与上述轨道相连接；本发明的有益之处在于：能够准确监测位移的变化，灵敏度高，相比常见光纤光栅位移传感器尺寸较小。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅技术的传感领域，尤其是涉及一种光纤光栅位移传感器。
背景技术
位移传感器又称为线性传感器，它包含了多种类别，包括电容式位移传感器、电感式位移传感器、光电式位移传感器、超声波式位移传感器和霍尔式位移传感器等。通常的位移测量有机械式测量、电磁测量及激光测量等方法。机械式测量的精度低、速度慢，不便于在线测量；电磁式测量易受电磁干扰，不利于工程应用；激光测量精度高，但受到光的直线传播这一约束，亦不适于现场应用。电学传感器抗电磁干扰能力差，而光纤光栅位移传感器则不受影响。目前，国内外对光纤光栅位移传感器做了很多工作：采用弯曲的弹性梁，将位移通过梁的变形转换到光栅的应变，光纤光栅受到压缩或拉伸导致光纤光栅的中心波长发生变化，波长的变化量与位移成函数关系从而得到实际的位移量；直拉光栅，将光栅一端固定，另一端连接到移动端，但此法量程非常小(0.6mm)，很容易拉断光栅。悬臂梁结构采用双光纤光栅粘贴在悬臂梁上下表面实现温度补偿，但此法的传感器尺寸较大，楔形块在水平滑动时易引起竖直方向的移动，在相同的水平位移情况下，竖直方向的微小移动会改变悬臂梁的挠度，使得光栅波长发生变化，降低传感器的测量准确度。
光纤光栅利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅。由于特有的优点，光纤光栅被广泛应用于传感器的设计。光纤光栅的信号是波长编码的信号，若要进行非光学物理量的测量，比如在传感器的设计中，需将待测物理量转变为波长信号。也就是将被测的位移、水压、应变、温度、加速度等转变为波长进行显示。光纤光栅是利用光敏光纤的光致折射率变化，把光纤放置于紫外光形成的空间干涉条纹中曝光而在纤芯形成的空间相位光栅。当光栅处的温度、应力、应变变化时，发射峰值即测得的光栅波长将发生相应的变化。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种应用光纤光栅技术制成的光纤光栅位移传感器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。
一种光纤光栅位移传感器，其特征在于：该传感器由光纤光栅、测量杆、轨道、轴承、导向轴、弹性合金构件、水平滑动块、连接器件以及可滑动支座组成，所述的弹性合金构件上端与导向轴相连，下端与光纤光栅相连，竖直方向直线运动轴承固定于金属封装外壳上顶面，直线运动轴承导向轴的一端连接可滑动支座，可滑动支座可沿水平滑动块的顶面滑动，所述水平滑动块通过连接器件与测量杆连接并设于水平方向轨道上，所述水平方向轨道固定于金属封装外壳内表面。
前述的光纤光栅位移传感器，其特征在于：上述上述弹性合金构件由钛合金丝叠加组成。
前述的光纤光栅位移传感器，其特征在于：上述水平滑动块材料为不锈钢，形状为梯形。
前述的光纤光栅位移传感器，其特征在于：上述水平滑动块可沿水平轨道发生滑动。
前述的光纤光栅位移传感器，其特征在于：上述弹性合金构件上端与竖直方向直线运动导向轴相连，下端与光纤光栅相连接。
前述的光纤光栅位移传感器，其特征在于：上述光纤光栅始终处于张紧状态。
前述的光纤光栅位移传感器，其特征在于：上述导向轴通过可滑动支座在水平滑动块表面滑动。
本发明的有益之处在于。
1、由于本发明给出的位移信号是连续的光强变化量，信号的输入到信号的输出都是由光纤传递，因此完全不会受到外部电磁信号干扰。
2、与常规的监测方式相比，采用本发明的位移传感器得到的监测数据克服了常规监测的数据漂移较大的缺陷，监测数据的结果没有出现数据的上下反复漂移，误差数据少，监测数据稳定，精度高。
3、可根据被测位移的大小，选择多个光纤光栅位移传感器进行串接封装。
4、光纤光栅一端固定于弹性合金构件，避免了粘贴在膜片上而可能产生的啁啾现象。
附图说明
附图1为本发明光纤光栅位移传感器的主视剖面示意图。
附图2为本发明光纤光栅位移传感器的侧视剖面示意图。
附图3为本发明光纤光栅位移传感器位移响应曲线。
图中各标号依次表示：1、测量杆；2、光纤Bragg光栅；3、轨道；4、弹性合金构件；5、水平滑动块；6、导向轴；7、轴承；8、连接器件；9、可滑动支座。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
图1、图2分别为本发明的光纤光栅位移传感器的主视、侧视剖面示意图
参照图1、图2中所示的本发明的光纤光栅位移传感器的一个优选实施方式，本发明的光纤光栅位移传感器包括：1、测量杆；2、光纤Bragg光栅；3、轨道；4、弹性合金构件；5、水平滑动块；6、导向轴；7、轴承；8、连接器件；9、可滑动支座。
如图1、图2中所示，弹性合金构件4上端与导向轴6相连，下端与光纤光栅2相连；测量杆1水平穿过水平滑动块5并通过连接器件8与水平滑动块5进行固定连接，水平滑动块5设置于水平放置的轨道3上，水平滑动块5上端与可滑动支座9相接触，导向轴6与轴承7可进行相对滑动。
采用本发明的光纤光栅位移传感器进行位移监测的原理如下。
现场监测埋设时，测量杆1可通过机构伸缩或接长，当待测物发生位移，测量杆1发生水平方向的运动，由于连接器件8的作用，水平滑动块5产生水平方向的位移，从而使得导向轴6发生竖直方向的移动，由此带动弹性合金构件4竖直移动，固定在弹性合金构件4上的光纤Bragg光栅产生相应的波长移位。由波长变化量与位移变化量的关系式可得待测环境的位移变化。
本发明设计的位移传感器监测物理量与光栅波长之间的关系满足下述表达式：
满足公式ΔS＝(Δλ-ΔλT)/α和ΔλT＝β×ΔT。
(式中，ΔS为监测位移变化量；Δλ为光栅波长变化量；ΔλT为温度导致的光栅波长变化量；α为传感器灵敏度系数；β为光栅温度灵敏度系数，为一常数10.8；ΔT为温度变化量。)。
上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种光纤光栅位移传感器，其特征在于：该传感器由光纤光栅、测量杆、轨道、轴承、导向轴、弹性合金构件、水平滑动块、连接器件以及可滑动支座组成，所述的弹性合金构件上端与导向轴相连，下端与光纤光栅相连，轴承竖直方向直线运动且固定于金属封装外壳上顶面，导向轴竖直方向直线运动且一端连接可滑动支座，可滑动支座可沿水平滑动块的顶面滑动，所述水平滑动块通过连接器件与测量杆连接并设于水平方向轨道上，所述水平方向轨道固定于金属封装外壳内表面。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅位移传感器，其特征在于：上述弹性合金构件由钛合金丝叠加组成。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅位移传感器，其特征在于：水平滑动块材料为不锈钢，形状为梯形。
4.根据权利要求3所述的光纤光栅位移传感器，其特征在于：水平滑动块可沿水平轨道发生滑动。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅位移传感器，其特征在于：上述光纤光栅始终处于张紧状态。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅位移传感器，其特征在于：上述导向轴通过可滑动支座在水平滑动块表面滑动。
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