CN105937881A - 一种光纤传感器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤传感器及其工作方法，包括壳体，壳体内分布有转轴a和转轴b，转轴a从上到下依次套接有驱动齿轮滚动轴承a，转轴b从上到下依次套接有从动齿轮和滚动轴承b，从动齿轮与驱动齿轮相互啮合，驱动齿轮上还啮合有齿条，齿条的一端依次连接推杆和固定块；推杆穿过壳体上的通孔固接固定块；转轴a和转轴b上还设置有绕线装置。本发明一种光纤传感器通过采用设置有转轴a和转轴b，固定了光纤的弯曲半径，通过转轴a和转轴b的运动，使光纤在弯曲长度发生变化的过程中弯曲半径保持不变，简化了引起光纤宏弯曲损耗发生变化的条件，使得光纤宏弯曲损耗的变化过程更加简单，有很好的使用价值。

Description

一种光纤传感器及其工作方法
技术领域
本发明属于光纤传感设备技术领域，具体涉及一种光纤传感器，本发明还涉及该光纤传感器的工作方法。
背景技术
当光纤发生弯曲时，光在弯曲部分中进行传输，要想保持相同相位的电磁场还位于一个平面，则传导模的平面波前必须以弯曲光纤的曲率中心为旋转中心，故越靠近外侧，其沿光纤轴的纵向速度必须越大。当超过某个临界曲率时，相速度就会大于包层平面波的相速度，传导模就会变成辐射模，从而引起光束功率的损耗，这种损耗称为光纤的宏弯曲损耗。研究表明，在一定的范围内，当光纤的弯曲半径越小，即弯曲的曲率越大时，光纤的宏弯曲损耗越大。
目前，许多光纤传感器大都采用了光纤的宏弯曲损耗理论，即在结构裂缝的监测过程中，通过光纤传感器中光纤的弯曲半径的变化来引起光纤的宏弯曲损耗的变化，进而表示结构裂缝的变化；由于光纤的弯曲半径的改变引起的光纤宏弯曲损耗的变化较为复杂，所以得到的光纤的宏弯曲损耗不易准确表示结构裂缝的宽度，导致结构裂缝的监测过程存在一定的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤传感器，解决了现有光纤传感器在结构裂缝的监测过程中，光纤的弯曲半径发生变化导致光纤的宏弯曲损耗不易准确表示结构裂缝宽度的问题。
本发明的另一个目的是提供一种光纤传感器的工作方法。
本发明所采用的技术方案是，一种光纤传感器，包括壳体，壳体内分布有转轴a和转轴b，转轴a从上到下依次套接有驱动齿轮和滚动轴承a，转轴b从上到下依次套接有从动齿轮和滚动轴承b，从动齿轮与驱动齿轮相互啮合，驱动齿轮上还啮合有齿条，齿条的一端依次连接推杆和固定块；推杆穿过壳体上的通孔固接固定块；转轴a和转轴b上还设置有绕线装置。
本发明的特征还在于，
绕线装置包括缠绕在转轴a侧壁上的光纤a，光纤a一端固接在转轴a的侧壁并连接光纤b，光纤a的另一端固接在转轴b的侧壁并连接光纤c；光纤c通过出线口穿出壳体，光纤b通过入线口穿出壳体；入线口和出线口均设置在壳体上；光纤a、光纤b和光纤c均为同一段光纤。
推杆的两端分别设置有挡片，任一挡片设置在壳体内部，任一挡片设置在壳体外部。
转轴a的直径为40.44～52.62mm，转轴b的直径为13.48～17.54mm。
转轴a和转轴b的直径比为2.5～3：1；驱动齿轮和从动齿轮的齿顶圆的直径比为2.5～3：1，转轴a和转轴b的直径比与驱动齿轮和从动齿轮的齿顶圆的直径比相同。
光纤a缠绕在转轴a上的圈数为1～5圈。
本发明所采用的另一个技术方案是，一种光纤传感器的工作方法，包括以下步骤：
步骤一，将壳体1和固定块8分别与结构裂缝的两侧相固接；
步骤二，通过光纤c15连接光功率计，光纤b14连接光源，记录光功率计的读数R0值；
步骤三，间隔设定时间后，记录光功率计的读数R1值；
步骤四，通过读数R0和读数R1带入公式D＝λ(R1-R0)中，计算出结构裂缝的宽度，其中式中D表示裂缝宽度，λ为传感器的标准系数。
本发明的有益效果是：本发明一种光纤传感器通过采用设置有转轴a和转轴b，固定了光纤的弯曲半径，通过转轴a和转轴b的运动，使光纤在弯曲长度发生变化的过程中弯曲半径保持不变，简化了引起光纤宏弯曲损耗发生变化的条件，使得光纤宏弯曲损耗的变化过程更加简单，有很好的使用价值。
附图说明
图1是本发明一种光纤传感器的结构示意图；
图2是本发明一种光纤传感器的剖视图。
图中，1.壳体，2.转轴a，3.转轴b，4.驱动齿轮，5.从动齿轮，6.齿条，7.推杆，8.固定块，9.通孔，10.挡片，11.滚动轴承a，12.滚动轴承b，13.光纤a，14.光纤b，15.光纤c，16.出线口，17.入线口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种光纤传感器，如图1和图2所示，包括壳体1，壳体1内分布有转轴a2和转轴b3，转轴a2从上到下依次套接有驱动齿轮4和滚动轴承a11，转轴b3从上到下依次套接有从动齿轮5和滚动轴承b12，从动齿轮5与驱动齿轮4相互啮合，驱动齿轮4上还啮合有齿条6，齿条6的一端依次连接推杆7和固定块8；推杆7穿过壳体1上的通孔9固接固定块8；转轴a2和转轴b3上还设置有绕线装置。
绕线装置包括缠绕在转轴a2侧壁一周的光纤a13，光纤a13一端固接在转轴a2的侧壁并连接光纤b14，光纤a13的另一端固接在转轴b3的侧壁并连接光纤c15，光纤a13与转轴a2、转轴b3分别相切，切点为与转轴a2、转轴b3的固接点；光纤c15通过出线口16穿出壳体1，光纤b14通过入线口17穿出壳体1；入线口17和出线口16均设置在壳体1上，入线口17与转轴a2的中心轴线的位置相对应，出线口16与转轴b3的中心轴线的位置相对应；光纤a13、光纤b14和光纤c15均为同一段光纤，避免由于接线头造成的光损耗。
推杆7的两端分别设置有挡片10，任一挡片10设置在壳体1内部，任一挡片10设置在壳体2外部，位于壳体1内部的挡片10可以阻挡齿条6穿出壳体1，位于壳体2外部的挡片10还可以阻挡固定块8进入壳体1内部。
转轴a2的直径为40.44～52.62mm，转轴b3的直径为13.48～17.54mm。
转轴a2和转轴b3的直径比为2.5～3：1；驱动齿轮4和从动齿轮5的齿顶圆的直径比为2.5～3：1，转轴a2和转轴b3的直径比与驱动齿轮4和从动齿轮5的齿顶圆的直径比相同。
光纤a13缠绕在转轴a2上的圈数为1～5圈。
利用上述光纤传感器测量结构裂缝的工作方法，具体按以下步骤实施：
步骤一，将壳体1和固定块8分别与结构裂缝的两侧相固接；
步骤二，通过光纤c15连接光功率计，光纤b14连接光源，记录光功率计的读数R0值；
步骤三，间隔设定时间后，记录光功率计的读数R1值；
步骤四，通过读数R0和读数R1带入公式D＝λ(R1-R0)中，计算出结构裂缝的宽度，其中式中D表示裂缝宽度，λ为传感器的标准系数。
本发明一种光纤传感器的工作原理：将壳体1和固定块8分别与结构裂缝的两侧相固接，当结构裂缝开始变化时，推动固定块8开始运动，固定块8同时带动推杆7、齿条6开始运动，齿条6的的运动带动与其相啮合的驱动齿轮4、从动齿轮5相运动；当驱动齿轮4和从动齿轮5开始做圆周运动时，转轴a2和转轴b3也开始做圆周运动，与转轴a2和转轴b3均固接的光纤a13开始运动，由于转轴a2和转轴b3作为光纤的弯曲半径是固定的，从而通过公式D＝λ(R1-R0)计算出结构裂缝的宽度，当D为正数时，表示结构裂缝展开；当D为负数时，表示结构裂缝闭合。
实施例1
通过光纤b14连接波长为1310nm的光源，光纤c15连接光功率计，光纤b14与光纤a13连接且光纤a13固接在转轴a2上，转轴b3的直径为13.48mm，转轴a2的直径为40.44mm，光纤a13缠绕转轴a2一圈，驱动齿轮4齿顶圆的直径为54mm，从动齿轮5齿顶圆的直径为18mm，已知传感器的标准系数λ为35.601mm/db，将壳体1和固定块8分别与结构裂缝的两侧相固接，测得读数R1为7.34db，读数R0为6.03db，带入公式中可得D＝46.64mm，可知结构的裂缝展开了46.64mm。
实施例2
通过光纤b14连接波长为1310nm的光源，光纤c15连接光功率计，光纤b14与光纤a13连接且光纤a13固接在转轴a2上，转轴b3的直径为14.54mm，转轴a2的直径为43.62mm，光纤a13缠绕转轴a2三圈，驱动齿轮4齿顶圆的的直径为54mm，从动齿轮5齿顶圆的直径为18mm，已知传感器的标准系数λ为51.140mm/db，将壳体1和固定块8分别与结构裂缝的两侧相固接，测得读数R1为7.56db，读数R0为7.42db，带入公式中可得D＝7.16mm，可知结构的裂缝展开了7.16mm。
实施例3
通过光纤b14连接波长为1310nm的光源，光纤c15连接光功率计，光纤b14与光纤a13连接且光纤a13固接在转轴a2上，转轴b3的直径为17.54mm，转轴a2的直径为52.62mm，光纤a13缠绕转轴a2五圈，驱动齿轮4的齿顶圆直径为60mm，从动齿轮5的齿顶圆直径为20mm，已知传感器的标准系数λ为152.631m mm/db，将壳体1和固定块8分别与结构裂缝的两侧相固接，测得读数R1为7.33db，读数R0为7.55db，带入公式中可得D＝-30.58mm，可知结构的裂缝闭合了30.58mm。
本发明一种光纤传感器通过采用设置有转轴a2和转轴b3，固定了光纤的弯曲半径，通过转轴a2和转轴b3的运动，使光纤在弯曲长度发生变化的过程中弯曲半径保持不变，简化了引起光纤宏弯曲损耗发生变化的条件，使得光纤宏弯曲损耗的变化过程更加简单，有很好的使用价值。

Claims (7)

1.一种光纤传感器，其特征在于，包括壳体(1)，壳体(1)内分布有转轴a(2)和转轴b(3)，转轴a(2)从上到下依次套接有驱动齿轮(4)和滚动轴承a(11)，转轴b(3)从上到下依次套接有从动齿轮(5)和滚动轴承b(12)，从动齿轮(5)与驱动齿轮(4)相互啮合，所述的驱动齿轮(4)上还啮合有齿条(6)，齿条(6)的一端依次连接推杆(7)和固定块(8)；所述的推杆(7)穿过壳体(1)上的通孔(9)固接固定块(8)；所述的转轴a(2)和转轴b(3)上还设置有绕线装置。
2.根据权利要求1所述的一种光纤传感器，其特征在于，所述的绕线装置包括缠绕在转轴a(2)侧壁上的光纤a(13)，光纤a(13)一端固接在转轴a(2)的侧壁并连接光纤b(14)，光纤a(13)的另一端固接在转轴b(3)的侧壁并连接光纤c(15)；光纤c(15)通过出线口(16)穿出壳体(1)，所述的光纤b(14)通过入线口(17)穿出壳体(1)；所述的入线口(17)和出线口(16)均设置在壳体(1)上；所述的光纤a(13)、光纤b(14)和光纤c(15)均为同一段光纤。
3.根据权利要求1所述的一种光纤传感器，其特征在于，所述的推杆(7)的两端分别设置有挡片(10)，任一挡片(10)设置在壳体(1)内部，任一挡片(10)设置在壳体(2)外部。
4.根据权利要求1所述的一种光纤传感器，其特征在于，所述的转轴a(2)的直径为40.44～52.62mm，转轴b(3)的直径为13.48～17.54mm。
5.根据权利要求1所述的一种光纤传感器，其特征在于，所述的转轴a2和转轴b3的直径比为2.5～3：1；所述的驱动齿轮4和从动齿轮5的齿顶圆的直径比为2.5～3：1，所述的转轴a2和转轴b3的直径比与驱动齿轮4和从动齿轮5的齿顶圆的直径比相同。
6.根据权利要求2所述的一种光纤传感器，其特征在于，所述的光纤a(13)缠绕在转轴a(2)上的圈数为1～5圈。
7.一种光纤传感器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将壳体(1)和固定块(8)分别与结构裂缝的两侧相固接；
步骤二，通过光纤c(15)连接光功率计，光纤b(14)连接光源，记录光功率计的读数R0值；
步骤三，间隔设定时间后，记录光功率计的读数R1值；
步骤四，通过读数R0和读数R1带入公式D＝λ(R1-R0)中，计算出结构裂缝的宽度，其中式中D表示结构裂缝宽度，λ为传感器的标准系数。
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