CN107631701A - 一种基于3d打印技术的光纤光栅智能测角仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪，包括传感器背板，传感器背板上设有一个可自由滚动的轴承和两个传感器固定柱，两个传感器固定柱对称设于轴承下方两侧；摆杆上端与轴承连接；两个不同波长的FBG传感器预拉后，一端固定于轴承的顶部，另一端分别固定于两个传感器固定柱上；FBG传感器的感应部分置于传感器固定柱与轴承之间，FBG传感器的光缆通过光耦合器连接至电脑采集仪和宽带光源。本发明将布拉格光纤光栅FBG传感器技术与3D打印技术相结合，由3D打印制作，效率高，成本低，无须机械加工，一次成型，快捷方便；同时利用FBG传感器，具有敏感度高、测量性能优越、抗电磁干扰能力强的优点。

Description

一种基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪

技术领域

本发明涉及一种基于布拉格光纤光栅(Fiber Bragg grating，FBG)传感器技术与3D打印制作技术的新型智能测角仪，主要应用于各种结构倾斜角度的测量，属于3D打印与光纤传感技术领域。

背景技术

测角仪是测量各种结构(如建筑结构、人体结构等)不同状态下产生的倾斜使用的仪器。现有的测角仪一般通过普通铸造工艺加工而成，制作过程繁琐；而且现有的测角仪采用普通传感器，在实际使用中存在敏感度低、容易受电磁干扰等缺陷。

3D打印为快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。三维打印技术则可以以更快、更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

3D打印技术有许多的优点：该技术节省材料，不用剔除边角料，提高了材料的利用率，通过摒弃生产线而降低了成本；能做到较高的精度和很高的复杂程度，可以制造出采用传统方法制造不出来的、非常复杂的制件；不需要传统的刀具、夹具、机床或任何模具，就能直接把计算机设计的任何形状的三维图形生成实物产品；它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短了产品研发周期；3D打印无需集中的、固定的制造车间，具有分布式生产的特点；3D打印能在数分钟内成形，它让设计人员和开发人员实现了从平面图到实体的飞跃；它能打印出组装好的产品，因此，它降低了组装成本。

前人的研究多集中利用常规的方法制作传感器，如发明专利CN104677337B中公布的光纤测角系统，未阐述制作传感器系统使用的方法；专利CN105444738B中所述的测斜系统包括很多管套、支架、铁圈，制作较为麻烦；专利号CN101713650B中更涉及到大量的零部件，所需要的加工工作量也十分繁重。如果能够结合3D打印技术进行传感器的设计与制作，可以大大节省传感器的制作过程，亦能优化结构设计，显著的提高生产效率。

布拉格光纤光栅(Fiber Bragg grating，FBG)传感器可以作为一种光纤传感器，它与传统的电传感器相比有着许多不可替代的优点，如：不受电磁干扰、重量轻、体积小、不受腐蚀等。且由于它是波长编码的，使得它与传统的光纤传感器相比，又有如下优点：精度不受光源强度影响，受环境影响小，更加容易复用和实现分布式传感等。利用光纤布拉格光栅传感系统复用能力强、重量轻、体积小等优点，埋入监测材料中可以方便地实现准分布式测量，因而是最有希望的智能传感网络技术。光纤光栅传感器的应用范围非常广泛，民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用的一个热点，在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程都可以进行实时安全的温度及应变监测。基础结构的状态、力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关重要的，通过测量建筑物的分布应变，可以预知局部荷载的状态。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以在浇筑的时候埋入结构中对结构进行实时测量，监视结构缺陷的形成和生长。

本发明致力于研发一种将布拉格光纤光栅(Fiber Bragg grating，FBG)传感器技术与3D打印制作技术相结合的新型智能测角仪，以克服传统测角仪制作过程繁琐、敏感度低、容易受电磁干扰的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种制作方便、敏感度高、抗电磁干扰能力强的智能测角仪。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪，其特征在于：包括传感器背板，传感器背板上设有一个可自由滚动的轴承和两个传感器固定柱，两个传感器固定柱对称设于轴承下方两侧；摆杆上端与轴承连接；两个不同波长的FBG传感器预拉后，一端固定于轴承的顶部，另一端分别固定于两个传感器固定柱上；FBG传感器的感应部分置于传感器固定柱与轴承之间，FBG传感器的光缆通过光耦合器连接至电脑采集仪和宽带光源。

优选地，所述轴承和两个传感器固定柱成等腰三角形布置。

优选地，所述两个传感器固定柱上各设有1个内孔，FBG传感器另一端的光纤穿过所述内孔并固定。

优选地，所述传感器背板及传感器固定柱为3D一体打印成型。

优选地，所述摆杆为3D打印成型。

优选地，通过传感器背板随被测平面倾斜导致摆杆转动，引起FBG传感器产生拉压变形，进而由拉压变形反应被测平面的倾斜角度。

更优选地，通过电脑采集仪采集FBG传感器的波长数据，通过FBG传感器波长的变化来换算被测平面倾斜的角度。

进一步地，被测平面倾斜的角度的计算方法具体为：

当传感器背板平放在被测平面上时，设FBG传感器的初始应变值为S1；当被测平面倾斜时，摆杆由于重力作用将始终与水平面垂直，而传感器背板将会随着被测平面的倾斜而倾斜；FBG传感器的光纤由于固定在传感器背板上的传感器固定柱与轴承上，当被测平面倾斜时设FBG传感器的应变值为S2；在恒定温度下测量时，光纤的应变变化值如下值：

ΔS＝S₂-S₁

式中：ΔS为FBG传感器的应变变化值；当FBG传感器倾斜时，光纤将会缠绕在轴承上，运动轨迹为弧形形状；因此，待测的被测平面倾斜的角度的计算公式如下：

式中：θ为待测的被测平面倾斜的角度，r为光纤距离轴承轴心的距离，即光纤绕转半径；如此通过应变关系即可得出被测平面的倾斜角度。

更进一步地，在变温的条件下测量时，由于FBG传感器的波长受温度影响，通过计算两侧FBG传感器产生的拉应变与压应变的差，消除温度产生的影响。

更进一步地，变温条件下，被测平面倾斜的角度的计算方法具体为：

分别取两个FBG传感器的应变值计算，通过对两个FBG传感器的初始值做差，如下式所示：

S’₁＝S_左1-S_右1

式中：S’₁为初始摆杆两侧FBG传感器的应变差值；S_左1、S_右1为左、右侧FBG传感器初始值；同理，如下式所示：

S’₂＝S_左2-S_右2

式中：S’₂为最终摆杆两侧FBG传感器的应变差值；S_左2、S_右2为左、右侧FBG传感器最终值；因此，FBG传感器的应变变化值如下值：

ΔS＝S′₂-S′₁

待测的斜倾角的计算公式如下：

式中：θ为待测的斜倾角，r为光纤距离轴承轴心的距离，即光纤绕转半径；如此应变变化值消除温度对FBG传感器应变产生的影响。

本发明提供的装置克服了现有技术的不足，将布拉格光纤光栅FBG传感器技术与3D打印技术相结合，由3D打印制作，效率高，成本低，无须机械加工，一次成型，快捷方便；同时利用FBG传感器，具有敏感度高、测量性能优越、抗电磁干扰能力强的优点。

附图说明

图1为本实施例提供的基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪示意图；

附图标记说明：

1-传感器背板；2-轴承；3-FBG传感器；4-传感器固定柱；5-摆杆；6-光缆；7-光耦合器；8-电脑采集仪；9-宽带光源。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

图1为本实施例提供的基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪示意图，所述的基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪由传感器背板1、轴承2、FBG传感器3、传感器固定柱4、摆杆5、光缆6、光耦合器7、电脑采集仪8、宽带光源9等组成。

传感器背板1上设有一个可自由滚动的轴承2和两个传感器固定柱4，两个传感器固定柱4对称设于轴承2下方两侧，三者成等腰三角形布置。摆杆5上端与轴承2连接。两个传感器固定柱4上各开有1个1mm直径的内孔，用以穿过FBG传感器3的固定线。两个带有加筋的不同波长的FBG传感器3一端的光纤分别固定于轴承2的顶部，另一端的光纤分别穿过两个传感器固定柱4上的1mm直径的内孔并固定。FBG传感器3的感应部分置于传感器固定柱4与轴承2之间，以便于方便准确地测量。FBG传感器3的光缆6通过传感器背板1引出，并通过2×2光耦合器7连接至电脑采集仪8和宽带光源9，以实现建立整个采集系统。

下面对整个测角仪制作以及角度测量过程做进一步说明。

在本实施例中，结合CATIA软件设计所有部件，并利用3D打印技术层叠打印传感器背板1及其附属的传感器固定柱4、以及摆杆5。传感器背板1及其附属的传感器固定柱4为3D一体打印，极大的节省了传感器制作时间。

将摩擦极小(可以忽落不计)、自重较小且可以自由转动的轴承2安装到3D打印的传感器背板1上，将3D打印的摆杆5安装到轴承2上，并保证轴承2与摆杆5的紧密连接与平衡性。将重量比较大的轴安装到传感器固定柱4上，保证整体结构的平衡性，同时整体结构的重心偏向下方，以维持测斜仪的准确性。将FBG传感器3的一端通过环氧树脂固定在轴承2上，另一端穿过传感器固定柱4上的1mm直径的内孔并通过环氧树脂固定。在布置传感器3之前应该给予预拉，使其在拉压的情况下均能够产生相应的应变，从而改变波长。FBG传感器3在摆杆5的两侧均予以布置，并固定牢固。

本智能测角仪通过整个传感器背板1倾斜导致摆杆5转动，引起FBG传感器3产生拉压变形，进而由拉压应变反应整体的倾斜角度。通过电脑采集仪8采集FBG传感器的波长数据，通过FBG传感器波长的变化来换算传感器背板1倾斜的角度。

由于FBG传感器3受温度影响较大，通过两侧FBG传感器产生的拉应变与压应变的差可以消除温度产生的影响。

利用应变差计算测角仪倾斜角度的方法具体为：

当传感器背板平放在平面上时，设FBG传感器的初始应变值为S1。当倾斜至一定的角度时，摆杆由于重力作用将始终与水平面垂直，而传感器背板将会随着平面的偏移而偏移。光纤由于固定在传感器背板的传感器固定柱与轴承上，当倾斜时设FBG传感器的应变值为S2。在恒定温度下测量时，光纤的应变变化值如下值：

ΔS＝S₂-S₁

式中：ΔS为FBG传感器的应变变化值。当FBG传感器倾斜时，光纤将会缠绕在轴承上侧的轴上，运动轨迹为弧形形状。因此，其FBG传感器测量倾角的关系式如下所示：

式中：θ为待测的斜倾角，r为光纤距离轴心的距离，即光纤绕转半径。通过应变关系即可得出被测平面的倾斜角度。

当在变温的条件下对结构件进行倾斜角度测量时，应分别取两根FBG传感器的应变值计算，通过对初始值的两根FBG传感器做差，如下式所示：

S’₁＝S_左1-S_右1

式中：S’₁为初始摆杆两侧FBG传感器的应变差值；S_左1、S_右1为左、右侧FBG传感器初始值。同理，如下式所示：

S’₂＝S_左2-S_右2

式中：S’₂为最终摆杆两侧FBG传感器的应变差值；S_左2、S_右2为左、右侧FBG传感器最终值。因此，光纤传感器的应变变化值如下值：

ΔS＝S′₂-S′₁

通过测量可以消除温度对FBG传感器应变产生的影响，使测量结果更加准确。

实际使用时，首先平整需要测量的点位(或地下某一位置)，将智能测斜仪放在需要测量的位置，将FBG传感器的光缆6通过光耦合器7连接至电脑采集仪8和宽带光源9，记录初始FBG传感器3的应变值。当被测结构产生倾斜之后，重新记录最终的FBG传感器3的应变值。利用两个FBG传感器3的应变差计算倾斜的角度。

本发明基于FBG传感与3D打印技术设计智能测角仪，测量工程各种结构的倾角。通过内部的重力轴重力作用，对内部的光纤产生拉力作用，然后通过FBG传感器的应变来测量倾斜角度的结果。

本发明利用3D打印技术与FBG传感器相结合，简化了装置的繁琐的制作过程，通过3D打印一次成型做简单的组装，传感器的部件打印只需要30分钟。同时FBG传感器具有较高的敏感度，且测量性能优越、抗电磁干扰能力强。因此，此智能测斜仪制作简单，经济实用。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪，其特征在于：包括传感器背板(1)，传感器背板(1)上设有一个可自由滚动的轴承(2)和两个传感器固定柱(4)，两个传感器固定柱(4)对称设于轴承(2)下方两侧；摆杆(5)上端与轴承(2)连接；两个不同波长的FBG传感器(3)预拉后，一端固定于轴承(2)的顶部，另一端分别固定于两个传感器固定柱(4)上；FBG传感器(3)的感应部分置于传感器固定柱(4)与轴承(2)之间，FBG传感器(3)的光缆(6)通过光耦合器(7)连接至电脑采集仪(8)和宽带光源(9)。

2.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪，其特征在于：所述轴承(2)和两个传感器固定柱(4)成等腰三角形布置。

3.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪，其特征在于：所述两个传感器固定柱(4)上各设有1个内孔，FBG传感器(3)另一端的光纤穿过所述内孔并固定。

4.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪，其特征在于：所述传感器背板(1)及传感器固定柱(4)为3D一体打印成型。

5.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪，其特征在于：所述摆杆(5)为3D打印成型。

6.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪，其特征在于：通过传感器背板(1)随被测平面倾斜导致摆杆(5)转动，引起FBG传感器(3)产生拉压变形，进而由拉压变形反应被测平面的倾斜角度。

7.如权利要求6所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪，其特征在于：通过电脑采集仪(8)采集FBG传感器(3)的波长数据，通过FBG传感器(3)波长的变化来换算被测平面倾斜的角度。

8.如权利要求6或7所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪，其特征在于：被测平面倾斜的角度的计算方法具体为：

当传感器背板(1)平放在被测平面上时，设FBG传感器(3)的初始应变值为S1；当被测平面倾斜时，摆杆(5)由于重力作用将始终与水平面垂直，而传感器背板(1)将会随着被测平面的倾斜而倾斜；FBG传感器(3)的光纤由于固定在传感器背板(1)上的传感器固定柱(4)与轴承(2)上，当被测平面倾斜时设FBG传感器(3)的应变值为S2；在恒定温度下测量时，光纤的应变变化值如下值：

ΔS＝S₂-S₁

式中：ΔS为FBG传感器(3)的应变变化值；当FBG传感器(3)倾斜时，光纤将会缠绕在轴承(2)上，运动轨迹为弧形形状；因此，待测的被测平面倾斜的角度的计算公式如下：

<mrow> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>S</mi> </mrow> <mi>r</mi> </mfrac> </mrow>

式中：θ为待测的被测平面倾斜的角度，r为光纤距离轴承(2)轴心的距离，即光纤绕转半径；如此通过应变关系即可得出被测平面的倾斜角度。

9.如权利要求8所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪，其特征在于：在变温的条件下测量时，由于FBG传感器(3)的波长受温度影响，通过计算两侧FBG传感器(3)产生的拉应变与压应变的差，消除温度产生的影响。

10.如权利要求9所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅智能测角仪，其特征在于：变温条件下，被测平面倾斜的角度的计算方法具体为：

分别取两个FBG传感器(3)的应变值计算，通过对两个FBG传感器的初始值做差，如下式所示：

S′₁＝S_左1-S_右1

式中：S′₁为初始摆杆两侧FBG传感器的应变差值；S_左1、S_右1为左、右侧FBG传感器初始值；同理，如下式所示：

S′₂＝S_左2-S_右2

式中：S′₂为最终摆杆两侧FBG传感器的应变差值；S_左2、S_右2为左、右侧FBG传感器最终值；因此，FBG传感器(3)的应变变化值如下值：

ΔS＝S′₂-S′₁

待测的斜倾角的计算公式如下：

<mrow> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>S</mi> </mrow> <mi>r</mi> </mfrac> </mrow>

式中：θ为待测的斜倾角，r为光纤距离轴承(2)轴心的距离，即光纤绕转半径；如此应变变化值消除温度对FBG传感器应变产生的影响。