CN106197284A - 大量程光纤位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大量程光纤位移传感器，包括：一对安装球铰，其包括一号安装球铰和二号安装球铰，一对安装球铰相互远离的一端分别与被测结构可拆卸连接；壳体，其内部设横隔板和竖隔板组，横隔板上方形成一端开口的滑动栓舱，竖隔板组包括多个竖隔板和形成竖向中心舱的筒体，滑动栓舱封闭端固定连接二号安装球铰另一端；滑动栓，其包括前段和后段，后段下端面设触头导槽，前段远离后段的一端与一号安装球铰另一端固定连接；转换装置，其设于中心舱内，包括自上而下依次连接的钢立柱、承拉弹簧和光纤光栅，钢立柱顶端设球面触头，球面触头与触头导槽滑动连接。本发明将机械位移量转换成光波波长变化信号，再计算出位移量，实现大位移的远程量测。

Description

大量程光纤位移传感器

技术领域

本发明涉及工程量具领域，更具体地说涉及一种大量程光纤位移传感器。

背景技术

在桥梁工程试验和健康检测中，结构在荷载作用下的变形往往较大，而目前位移传感器的量程比较小。目前位移传感器有电阻式和振弦式，这些位移传感器虽然可以将结构位移转变为电量进行量测，但缺点是量程小、易受温度、湿度和电磁场的干扰，测量速度慢。近几年也出现了光纤光栅位移传感器，精度较高，抗电磁干扰，但量程较小，一般在200mm以内，且多用于裂缝宽度的量测，不适合大量程的量测，不能满足现场使用要求。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种大量程光纤位移传感器，通过机械传动原理和光纤光栅传感技术，可将机械位移量转换成可计量的、成线性比例的光波波长变化信号，再计算出位移量，实现大量程的远程量测。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种大量程光纤位移传感器，包括：

一对安装球铰，其包括一号安装球铰和二号安装球铰，所述一对安装球铰相互远离的一端分别与被测结构可拆卸连接，所述被测结构发生位移带动所述一号安装球铰移动；

壳体，其内部设有横隔板和竖隔板组，横隔板上方限定形成一端开口的水平的滑动栓舱，所述开口形成滑动栓舱舱口，所述竖隔板组包括用于支撑所述横隔板的多个竖隔板和用于形成竖向中心舱的筒体，所述中心舱与所述滑动栓舱连接为一体，所述滑动栓舱远离其舱口的封闭端固定连接所述二号安装球铰的另一端；

滑动栓，其滑动设置在所述滑动栓舱内，所述滑动栓包括一体成型的前段和后段，所述后段的下端面朝远离所述前段的方向向上倾斜并设置有一等长的触头导槽，所述触头导槽远离所述前段的一端设有与所述横隔板相抵触的竖向挡板，所述前段水平设置，且下端面与所述横隔板相抵触，所述前段远离所述后段的一端与所述一号安装球铰的另一端固定连接；

转换装置，其设于所述中心舱内，包括自上而下依次连接的钢立柱、承拉弹簧和光纤光栅，所述钢立柱顶端设有一球面触头，所述球面触头与所述触头导槽滑动连接，所述承拉弹簧设置为：自然伸长状态下使所述球面触头伸入所述触头导槽。

优选的是，所述前段为圆柱体结构，所述后段的下端面形状为矩形，所述触头导槽的对称轴线与所述后段的下端面的对称轴线相重合，所述触头导槽向上倾斜的角度为5.7～9.5°。

优选的是，所述前段与所述后段连接处设有防滑装置，所述前段与所述后段连接处沿径向均匀分布有八个容置腔，八个容置腔深度一致、底部互不贯通，所述防滑装置包括分别设置于八个容置腔的八个防滑组件，一个防滑组件设置在一个容置腔中，所述防滑组件包括固定连接的压缩弹簧和钢珠，所述压缩弹簧的另一端与所述容置腔的底部固定连接，所述压缩弹簧设置为：自然伸长状态下将所述钢珠伸出所述容置腔；所述滑动栓舱的内壁沿轴线方向分布有多个邻接的收纳部，所述收纳部包括沿径向均匀分布的八个凹部，一个凹部与一个容置腔相对应。

优选的是，所述钢珠与所述凹部的体积比为1:1.08～1.12，相邻的两个收纳部沿轴线方向的间距为1mm。

优选的是，所述滑动栓舱内壁的舱口处设有防污装置，其包括多个同轴贴合设置的弹性圆环，多个弹性圆环的外圆与所述滑动栓舱内壁固定连接，多个弹性圆环的外径相等、环宽朝向所述后段的方向递减，最靠近所述舱口的弹性圆环的环宽大于所述滑动栓舱的外壁至所述滑动栓舱的内壁的距离，使得最靠近所述舱口的弹性圆环的内圆在所述滑动栓滑动的过程中与所述滑动栓发生干涉并弯折。

优选的是，最靠近所述舱口的弹性圆环的环宽与所述滑动栓的外壁至所述滑动栓舱的内壁的距离的比值为1.1～1.2，弹性圆环的数量为5个，5个弹性圆环的环宽比从大至小依次为1:0.8:0.7:0.6:0.5，最远离所述舱口的弹性圆环与最靠近所述舱口的收纳部相邻。

优选的是，所述滑动栓长度与所述滑动栓舱长度相同，所述滑动栓表面涂有速干性润滑剂，所述滑动栓舱内壁涂有矿物油润滑剂，所述壳体的外表面包有橡胶防污套。

优选的是，所述钢立柱与所述滑动栓的轴线垂直，所述钢立柱的表面涂有润滑油。

优选的是，所述承拉弹簧的位移范围为30～50mm，所述光纤光栅的波长范围为1510～1590nm。

本发明至少包括以下有益效果：

第一、本发明将机械传动原理和光纤光栅传感技术结合起来，研发和设计了大量程光纤位移传感器，可将机械位移量转换成可计量的、成线性比例的光波波长变化信号，光纤光栅是一种性能优良的应变传感元件，其抗电磁干扰能力强、耐久性好、精度高，可以方便地测量超大直线位移，具有量程大、测量速度快、可远距离测量、造价低、实施简单等优点；

第二、被测物体发生位移时引起滑动栓的运动，进而引发触头导槽和钢立柱顶端球面触头的相互运动，从而使钢立柱上下移动拉压承拉弹簧，通过刚立柱连接承拉弹簧进行力的传递更有利于力的传递的准确性与稳定性，最终将被测物体的位移间接转化成承拉弹簧的伸缩，减少了直接加载到光纤光栅上的应变量，进而使本发明大量程光纤位移传感器的量测范围达到100～500mm，远超常规光纤位移传感器量程，且灵敏度高、结构简单；

第三、触头导槽倾斜角度可改变，通过触头导槽倾斜角度的变化引发承拉弹簧的伸缩范围的变化，承拉弹簧伸缩范围的变化再加载到光纤光栅上，引起的光纤光栅应变量范围的变化，由此达到调节光纤位移传感器量程的目的，实际量测工作中根据实际需求量程选择触头导槽倾斜角度；

第四、滑动栓舱口的舱壁上设置了防污装置，最靠近所述舱口的弹性圆环的内圆在滑动栓滑动的过程中与滑动栓发生干涉并弯折，在滑动栓滑进舱内时通过该圆环向舱内弯折将滑动栓沾染的尘土阻挡，在滑动栓滑出时该圆环变为向舱外弯折将尘土带出，通过五个弹性圆环的设计，有效防止了传感器工作期间金属滑动栓裸露在外部分沾染的灰尘进入到滑动栓舱的套筒内影响金属滑动栓正常工作，确保监测数据结果准确；

第五、金属滑动栓前段的后端部位设有防滑装置，通过压缩弹簧与钢珠的设计，在被测结构未发生位移时连接着压缩弹簧的钢珠抵触在滑动栓舱凹部，克服了在被测结构未发生位移时金属滑动栓可能出现微小滑动的情况发生，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，监测数据的结果不会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。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明大量程光纤位移传感器的结构示意图；

图2为本发明壳体中心舱的剖面图；

图3为图1中B处防滑装置的剖面图；

图4为图1中A处防污装置的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1～4所示，一种大量程光纤位移传感器，包括：

一对安装球铰，其包括一号安装球铰11和二号安装球铰12，所述一对安装球铰相互远离的一端分别与被测结构可拆卸连接，所述被测结构发生位移带动所述一号安装球铰移动；壳体，其内部设有横隔板21和竖隔板组22，横隔板21上方限定形成一端开口的水平的滑动栓舱23，所述开口形成滑动栓舱舱口，所述竖隔板组22包括用于支撑所述横隔板的多个竖隔板和用于形成竖向中心舱的筒体，所述中心舱与所述滑动栓舱23连接为一体，所述滑动栓舱23远离其舱口的封闭端固定连接所述二号安装球铰12的另一端；滑动栓，其滑动设置在所述滑动栓舱23内，所述滑动栓包括一体成型的前段31和后段32，所述后段32的下端面朝远离所述前段31的方向向上倾斜并设有一等长的触头导槽33，所述触头导槽33远离所述前段的一端设有与所述横隔板21相抵触的竖向挡板34，所述前段31水平设置，且下端面与所述横隔板21相抵触，所述前段31远离所述后段32的一端与所述一号安装球铰11的另一端固定连接，被测结构发生位移时，通过一对安装球铰带动滑动栓发生相同的位移；转换装置，其设于所述中心舱内，包括自上而下依次连接的钢立柱41、承拉弹簧42和光纤光栅43，所述钢立柱顶端设有一球面触头411，所述球面触头411与所述触头导槽33滑动连接，所述承拉弹簧42设置为：自然伸长状态下使所述球面触头411伸入所述触头导槽33，通过转换装置将滑动栓3的位移间接转换成承拉弹簧42的伸缩，再将承拉弹簧42的伸缩量转换成可计量的、成线性比例的光波波长变化信号，再通过计算测出位移，实现大位移的远程量测。

该位移传感器使用方法如下：首先将根据测量需求量程选择触头导槽33向上倾斜角度适用的滑动栓3，然后将所述滑动栓3滑动设置于所述滑动栓舱23内，未工作时所述触头导槽33的中部与所述钢立柱41相抵触，将一对安装球铰相互远离的一端分别与被测结构可拆卸连接，当被测结构发生位移时，通过一对安装球铰带动所述滑动栓3产生相同位移量，从而带动所述后段32产生相同位移量，所述后段32下端面设置的触头导槽33对与其抵触的球面触头411产生作用，带动所述钢立柱41上升下降，由此引起所述承拉弹簧42的伸缩，所述承拉弹簧42的伸缩量加载到与所述承拉弹簧相连的光纤光栅43上会引起光纤光栅43的波长变化，再通过计算得到被测结构的位移量。

如图1所示，所述前段31为圆柱体结构，所述后段32的下端面形状为矩形，所述触头导槽33的对称轴线与所述后段32的下端面的对称轴线相重合，所述触头导槽33向上倾斜的角度为5.7～9.5°，前段32为圆柱体结构方便滑动，触头导槽33向上倾斜的角度变化能改变传感器的量程。

如图1、3所示，所述前段31与所述后段32连接处设有防滑装置，所述前段与所述后段连接处沿径向均匀分布有八个容置腔310，八个容置腔310深度一致、底部互不贯通，所述防滑装置包括分别设置于八个容置腔310的八个防滑组件，一个防滑组件设置在一个容置腔310中，所述防滑组件包括固定连接的压缩弹簧312和钢珠311，所述压缩弹簧312的另一端与所述容置腔310的底部固定连接，所述压缩弹簧312设置为：自然伸长状态下将所述钢珠311伸出所述容置腔310；所述滑动栓舱23的内壁沿轴线方向分布有多个邻接的收纳部，所述收纳部包括沿径向均匀分布的八个凹部24，一个凹部24与一个容置腔310相对应，在监测工作中压缩弹簧312在滑动栓3未发生位移时会将钢珠311伸入凹部24，微小外力对滑动栓3作用时不会引起滑动栓3滑动，当被测结构发生位移时外力较大，滑动栓3会将钢珠311从凹部24带出，从而克服了常规监测的数据漂移较大的缺陷，监测数据的结果不会出现数据的上下反复漂移，达到误差数据少，监测数据稳定，精度高的效果。

如图1、3所示，所述钢珠311与所述凹部24的体积比为1:1.08～1.12，外力不大的情况下钢珠311不会从凹部24滑出，滑动栓3不会出现微小滑动，相邻的两个收纳部沿轴线方向的间距为1mm，相邻两个收纳部间距为1mm能保证测得位移的精准度。

如图1、4所示，所述滑动栓舱23内壁的舱口处设有防污装置，图4为所述滑动栓滑出时除污装置的局部放大图，其包括多个同轴贴合设置的弹性圆环25，多个弹性圆环25的外圆与所述滑动栓舱23内壁固定连接，多个弹性圆环25的外径相等、环宽朝向所述后段的方向递减，最靠近所述舱口的弹性圆环的环宽大于所述滑动栓舱23的外壁至所述滑动栓舱23的内壁的距离，使得最靠近所述舱口的弹性圆环的内圆在所述滑动栓3滑动的过程中与所述滑动栓3发生干涉并弯折，在滑动栓3滑进舱内时通过最靠近所述舱口的弹性圆环向舱内弯折，其余的弹性圆环也随最靠近所述舱口的弹性圆环向舱内弯折，达到将滑动栓3沾染的尘土阻挡的目的，在滑动栓3滑出时最靠近所述舱口的弹性圆环改为向舱外弯折并将尘土带出，其余的弹性圆环维持原状。

如图1、4所示，最靠近所述舱口的弹性圆环的环宽与所述滑动栓3的外壁至所述滑动栓舱23的内壁的距离的比值为1.1～1.2，此比值下该弹性圆环的环宽最适宜，弹性圆环25的数量为5个，5个弹性圆环的环宽比从大至小依次为1:0.8:0.7:0.6:0.5，最远离所述舱口的弹性圆环与最靠近所述舱口的收纳部相邻，5个弹性圆环共同起到防污除污作用。

如图1所示，所述滑动栓3长度与所述滑动栓舱23长度相同，所述滑动栓3表面涂有速干性润滑剂，所述滑动栓舱23内壁涂有矿物油润滑剂，所述壳体的外表面包有橡胶防污套，滑动栓3表面和滑动栓舱23内壁的润滑剂相互协同起到减小摩擦的作用，从而减小测量误差，壳体外表面的橡胶防污套起到保护壳体的作用。

如图1、2所示，所述钢立柱41与所述滑动栓3的轴线垂直，所述钢立柱41的表面涂有润滑油，润滑油能减小钢立柱41与触头导槽33和中心舱的摩擦，增强监测的准确性。

如图2所示，所述承拉弹簧42的位移范围为30～50mm，所述光纤光栅43的波长范围为1510～1590nm，承拉弹簧42的位移范围和光纤光栅43的波长范围变化能改变位移传感器的量程。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明大量程光纤位移传感器的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

如上所述，根据本发明，由于一对安装球铰、壳体、滑动栓、转换装置、防滑装置以及防污装置的共同作用，使本发明大量程光纤位移传感器的量测范围达到100～500mm，监测数据稳定，准确度高，误差数据少，因此能实现大量程的远程量测。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种大量程光纤位移传感器，其特征在于，包括：

一对安装球铰，其包括一号安装球铰和二号安装球铰，所述一对安装球铰相互远离的一端分别与被测结构可拆卸连接，所述被测结构发生位移带动所述一号安装球铰移动；

壳体，其内部设有横隔板和竖隔板组，横隔板上方限定形成一端开口的水平的滑动栓舱，所述开口形成滑动栓舱舱口，所述竖隔板组包括用于支撑所述横隔板的多个竖隔板和用于形成竖向中心舱的筒体，所述中心舱与所述滑动栓舱连接为一体，所述滑动栓舱远离其舱口的封闭端固定连接所述二号安装球铰的另一端；

滑动栓，其滑动设置在所述滑动栓舱内，所述滑动栓包括一体成型的前段和后段，所述后段的下端面朝远离所述前段的方向向上倾斜并设置有一等长的触头导槽，所述触头导槽远离所述前段的一端设有与所述横隔板相抵触的竖向挡板，所述前段水平设置，且下端面与所述横隔板相抵触，所述前段远离所述后段的一端与所述一号安装球铰的另一端固定连接；

转换装置，其设于所述中心舱内，包括自上而下依次连接的钢立柱、承拉弹簧和光纤光栅，所述钢立柱顶端设有一球面触头，所述球面触头与所述触头导槽滑动连接，所述承拉弹簧设置为：自然伸长状态下使所述球面触头伸入所述触头导槽。

2.如权利要求1所述的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述前段为圆柱体结构，所述后段的下端面形状为矩形，所述触头导槽的对称轴线与所述后段的下端面的对称轴线相重合，所述触头导槽向上倾斜的角度为5.7～9.5°。

3.如权利要求1所述的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述前段与所述后段连接处设有防滑装置，所述前段与所述后段连接处沿径向均匀分布有八个容置腔，八个容置腔深度一致、底部互不贯通，所述防滑装置包括分别设置于八个容置腔的八个防滑组件，一个防滑组件设置在一个容置腔中，所述防滑组件包括固定连接的压缩弹簧和钢珠，所述压缩弹簧的另一端与所述容置腔的底部固定连接，所述压缩弹簧设置为：自然伸长状态下将所述钢珠伸出所述容置腔；所述滑动栓舱的内壁沿轴线方向分布有多个邻接的收纳部，所述收纳部包括沿径向均匀分布的八个凹部，一个凹部与一个容置腔相对应。

4.如权利要求3所述的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述钢珠与所述凹部的体积比为1:1.08～1.12，相邻的两个收纳部沿轴线方向的间距为1mm。

5.如权利要求3所述的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述滑动栓舱内壁的舱口处设有防污装置，其包括多个同轴贴合设置的弹性圆环，多个弹性圆环的外圆与所述滑动栓舱内壁固定连接，多个弹性圆环的外径相等、环宽朝向所述后段的方向递减，最靠近所述舱口的弹性圆环的环宽大于所述滑动栓舱的外壁至所述滑动栓舱的内壁的距离，使得最靠近所述舱口的弹性圆环的内圆在所述滑动栓滑动的过程中与所述滑动栓发生干涉并弯折。

6.如权利要求5所述的大量程光纤位移传感器，其特征在于，最靠近所述舱口的弹性圆环的环宽与所述滑动栓的外壁至所述滑动栓舱的内壁的距离的比值为1.1～1.2，弹性圆环的数量为5个，5个弹性圆环的环宽比从大至小依次为1:0.8:0.7:0.6:0.5，最远离所述舱口的弹性圆环与最靠近所述舱口的收纳部相邻。

7.如权利要求1所述的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述滑动栓长度与所述滑动栓舱长度相同，所述滑动栓表面涂有速干性润滑剂，所述滑动栓舱内壁涂有矿物油润滑剂，所述壳体的外表面包有橡胶防污套。

8.如权利要求1所述的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述钢立柱与所述滑动栓的轴线垂直，所述钢立柱的表面涂有润滑油。

9.如权利要求1所述的大量程光纤位移传感器，其特征在于，所述承拉弹簧的位移范围为30～50mm，所述光纤光栅的波长范围为1510～1590nm。