CN109059853A - 基于法布里-珀罗和压杆失稳原理的倾斜仪 - Google Patents
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Abstract
本发明的基于法布里‑珀罗与压杆原理的倾斜仪装置的基本原理是利用薄片在失稳以后的工况下，压缩量与中间位置挠度之间的关系来放大轴向位移变化量，从而达到高精度的监测。它包括光纤弹性薄片夹具和受力变形体；光纤弹性薄片夹具固定在所述外壳上并分别夹持住所述弹性薄片两端；弹性薄片对着光纤端面的一面为反光面，并且所述外壳伸缩时能够使所述弹性薄片受所述外壳轴向的挤压力而发生压杆失稳导致的弹性形变，从而使弹性薄片中点处的挠度发生变化；光纤被光纤保护套保护，且从所述外壳上伸入外壳内并对准所述弹性薄片反光面的中间位置；弹性杆连接到传感器顶部的重物，重物连接弹性薄片。提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及精密测量设备领域，具体涉及一种基于法布里-珀罗和压杆失稳原理的倾斜仪。
背景技术
在现有技术中，非本征法布里-珀罗干涉（EFPI）原理的传感器多用于测量压强、应变或者温度等参数，但是都是基于最简单的结构形式和机理。光纤测量倾斜通常使用FBG原理，利用倾斜后，重物产生的力矩使得弹性杆发生弯曲，通过测量弯曲后弹性杆上的拉应变或压应变改变FBG的谐振波长，从而反映位移。缺点是材料的变形都较小，会导致测量精度低；如果变形较大，又导致变形体容易发生疲劳，从而刚度降低并产生零漂。测量精度和寿命问题限制了测量装置的使用范围。
发明内容
为此，本发明要解决现有技术中测量精度低的技术问题，从而提供一种精度较高的基于法布里-珀罗和压杆失稳原理的倾斜仪。
本发明技术方案是：一种基于法布里-珀罗和压杆失稳原理的倾斜仪，其特征在于，包括光纤弹性薄片夹具4和受力变形体，非本征法布里珀罗干涉EFPI光纤传感器和FBG光纤温度传感器。
所述光纤弹性薄片夹具4固定在所述外壳上并分别夹持住所述弹性薄片3两端。
所述弹性薄片3对着光纤端面的一面为反光面，并且所述外壳伸缩时能够使所述弹性薄片3受所述外壳轴向的挤压力而发生压杆失稳导致的弹性形变，从而使弹性薄片3中点处的挠度发生变化；弹性杆11连接到传感器顶部的重物10，重物10连接弹性薄片3。
所述光纤1被光纤保护套2保护，且从所述外壳上伸入外壳内并对准所述弹性薄片3反光面的中间位置。
所述EFPI光纤传感器和FBG光纤温度传感器均设置在所述光纤的端部，EFPI光纤传感器测量弹性薄片3中间位置的挠度，FBG光纤温度传感器测量温度。
上述方案中，
所述光纤弹性薄片夹具4与所述弹性薄片3两端为铰接或者刚性连接。
弹性薄片3受到轴向压力的载荷的计算方法为，其中抗弯刚度为EI=Ewt3/12，Pcr为轴向载荷，所述弹性薄片3的长度为l，宽度为w，厚度为t，弹性模量为E，μ与边界条件有关，两端铰接，μ=1，两端刚接，μ=0.5。
本发明提供一种基于法布里-珀罗和压杆失稳原理的倾斜仪，包括光纤，光纤保护套，弹性薄片，弹性薄片夹具，重物，弹性杆，铰，直线运动轴承和FBG光纤温度传感器。
所述受力变形体形成有密封的容纳腔，并在发生倾斜后，重物发生水平移动，轴线拉伸或压缩弹性薄片，从而导致弹性薄片发生轴向位移；
所述两个夹具一个固定在受力变形体密封腔内的底部，一个固定在密封腔内的顶部，并分别夹持住所述弹性薄片两端；
所述弹性薄片沿着所述外壳的轴向设置在所述容纳腔内，对着光纤端面的一面为反光面，并且所述膜片中心发生位移时时能够使所述弹性薄片受轴向的挤压力而发生弹性形变；
所述光纤从所述外壳上伸入并对准所述弹性薄片反光面的中间位置；
优选地，本发明的基于法布里-珀罗原理的倾斜仪，所述夹具与所述弹性薄片两端为铰接或者刚性连接。
包括以下步骤:
发生倾斜后，通过弹性杆连接到传感器顶部的重物在重力作用下相对顶部发生移动，使弹性杆发生弯曲，重物移动产生的水平力作用到弹性薄片上，使其沿着轴线方向有一定的拉伸或压缩量，由于弹性薄片已经失稳，因此，这个压缩量会导致弹性薄片的中点发生很大的挠度变化，挠度变化量一般为轴向拉伸或压缩量的6倍以上，从而改变了弹性薄片中点到光纤端面的距离，即改变了EFPI传感器的腔长。
通过腔长的改变量与倾斜量大小之间的关系进行标定，即可做成倾斜仪。一般情况下，发生倾斜后，通过控制弹性杆的刚度可以调节重物的最大移动量，发生同样的倾斜量时，弹性杆刚度越大，重物的移动量越小。重物的最大移动量通常较小，不超过±1mm。
通过测量弹性薄片挠度的变化量来反映倾斜量的大小。
通过EFPI光纤传感器测量弹性薄片中间位置的挠度，使用FBG光纤温度传感器测量温度；
根据测量得到的温度和挠度得到待检测的倾斜量的大小。
优选地，本发明的基于法布里-珀罗和压杆失稳原理的倾斜仪，
薄片受压失稳的的计算公式为，其中抗弯刚度为EI=Ewt3/12，Pcr为轴向载荷，所述弹性薄片的长度为l，宽度为w，厚度为t，弹性模量为E，μ与边界条件有关，两端铰接，μ=1，两端刚接，μ=0.5。由于薄片的厚度t非常小，所以失稳的荷载Pcr很小。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明的基于法布里-珀罗与压杆原理的倾斜仪的基本原理是利用薄片在失稳以后的工况下，压缩量与中间位置挠度之间的关系来放大倾斜量变化后，重物的水平移动距离，从而达到高精度的监测倾斜量的大小。通过压杆原理，可以使很小的轴向位移（即受倾斜量变形体顶部和底部中心点的相对移动距离）变成很大的法向位移，通常情况下，放大倍数可以达到6倍以上，因而可以极大地缩短整个测量装置的总长度并且确保测量精度。同时本发明的测量装置的工作温度可以在-40-90℃之间，可测量静倾斜量和动倾斜量的大小和环境温度。不会受任何电磁信号的干扰，温差很大时，可以通过FBG读取的温度进行温度补偿。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的原理示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是图1工况中，中点法向最大挠度ymax与轴向压杆位移x之间的关系曲线图。
图4是图1工况中，中点法向最大挠度ymax对x的导数与轴向位移x之间的关系曲线图。
图5是两端为铰接时，本发明的原理示意图。
附图标记说明：
图1、2、5中：1-光纤（端部有FBG），2-光纤保护套，3-弹性薄片，4-弹性薄片的夹具，5-传感器框架，6-固定传感器的顶面，7-直线运动轴承，8-推动杆，9-铰，10-重物，11-弹性杆。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明提供了一种基于法布里-珀罗和压杆失稳原理的倾斜仪，方案如图1、图2、图5所示：
包括光纤1，光纤保护套2，弹性薄片3，弹性薄片夹具4，传感器框架5，固定传感器的顶面6，直线运动轴承7，推动杆8，铰9，重物10，弹性杆11和FBG光纤温度传感器；
发生倾斜后，通过弹性杆11连接到传感器顶部的重物10在重力作用下相对顶部发生移动，使弹性杆11发生弯曲，重物10移动产生的水平力作用到弹性薄片3上，使其沿着轴线方向有一定的拉伸或压缩量，由于弹性薄片已经失稳，因此，这个压缩量会导致弹性薄片的中点发生很大的挠度变化，挠度变化量一般为轴向拉伸或压缩量的6倍以上，从而改变了弹性薄片中点到光纤端面的距离，即改变了EFPI传感器的腔长。所述两个弹性薄片夹具4分别固定到传感器框架5和推动杆8上，且在夹住弹性薄片3的两端，其中推动杆8穿过直线运动轴承7，可以发生左右移动；
所述弹性薄片3对着光纤端部的一面为反光面，并且所述受倾斜仪的重物10发生移动时，能通过推动杆8够使所述挤压或拉伸弹性薄片3，进而使得中点处的挠度发生变化；
所述受倾斜量的光学系统都是密封的。
所述光纤1穿过所述传感器框架5并对准所述弹性薄片3反光面的中间位置，所述光纤保护套2起到对保护光纤1的作用作用；
所述FBG传感器可以对EFPI倾斜仪进行温度补偿。
所述弹性薄片夹具4与所述弹性薄片3优选为刚性连接，也即弹性薄片3的两端伸入到弹性薄片夹具4内并受弹性薄片夹具4夹紧固定，也就是两端固定连接，如图1和图2所示；当然弹性薄片3的两端也可以为铰接，如图5所示。
弹性薄片3对着光纤1的那一面为反光面，在法布里-珀罗光纤传感器中起到反射镜的作用，可以是抛光处理的表面或者涂覆反光涂层。
如图1所示，本实施例的基于法布里-珀罗与压杆原理的倾斜仪的基本原理是利用薄片在失稳以后的工况下，压缩量与中间位置（优选为中点位置）挠度之间的关系来放大受压膜片中点的挠度变化量，从而达到高精度的监测。通过弹性薄片夹具4夹住弹性薄片3，弹性薄片3可以是金属材料，也可以是非金属材料，但是面向光纤1端头的一侧是反光的。夹住弹性薄片3以后，对弹性薄片3的中点有一个背离光纤方向的扰动，这样，在挤压弹性薄片3的过程中，腔长会越来越大。当然，腔长越来越小也可以，即对弹性薄片3的中点有一个靠近光纤方向的扰动，但是要适当的调节好初始腔长。这里以弹性薄片3失稳方向背离光纤为例，也就是弹性薄片3的中点向下运动。
图2中，以倾斜导致重物10发生左右移动为例，倾斜量发生改变时，通过弹性杆11连接到传感器顶部的重物10在重力作用下相对顶部发生移动，使弹性杆11发生弯曲，重物10移动产生的水平力作用到弹性薄片3上，使其沿着轴线方向有一定的拉伸或压缩量，由于弹性薄片已经失稳，因此，这个压缩量会导致弹性薄片的中点发生很大的挠度变化，挠度变化量一般为轴向拉伸或压缩量的6倍以上，从而改变了弹性薄片中点到光纤端面的距离，即改变了EFPI传感器的腔长。所述两个弹性薄片夹具4分别固定到传感器框架5和推动杆8上，且在夹住弹性薄片3的两端，其中推动杆8穿过直线运动轴承7，可以发生左右移动；通过腔长的改变量与倾斜量大小之间的关系进行标定，即可做成倾斜仪。一般情况下，发生倾斜后，通过控制弹性杆11的刚度可以调节重物的移动量，发生同样的倾斜量时，弹性杆11刚度越大，重物10的移动量越小。重物10的最大移动量通常较小，不超过±1mm。
如图3和图4所示，轴向为x，重点的挠度方向（也就是光纤所在的方向）为y，弹性薄片3的长度为l，宽度为w，厚度为t，弹性模量为E，则抗弯刚度为EI=Ewt3/12。因为t很小，所以弹性薄片3的抗弯刚度也很小。因此失稳的荷载为Pcr也很小，其中μ与边界条件有关，两端铰接，μ=1，两端刚接，μ=0.5。
通过失稳以后的压杆的方法来进行测量，是本专利的核心设计思想，也就是弹性薄片3失稳以后，压杆位移x和中点最大挠度y之间的关系。通过理论分析，在图1的工况下，可以得到中点法向最大挠度ymax与失稳后的轴向压杆位移x之间的关系曲线图如图3所示；中点法向最大挠度ymax对x的导数与轴向位移x之间的关系曲线图如图4所示。从图3中可以看出，按照轴向压缩量从0.3mm到0.4mm的过程中，法向的中点挠度变化量，也就是干涉腔长的变化量达到了0.76mm，也就是对轴向位移的放大倍数达到了7.6倍。通过压杆原理，可以使很小的轴线位移变成很大的法向位移，通常情况下，放大倍数可以达到6倍以上，因而可以极大地缩短整个测量装置的总长度并且确保测量精度。同时通过结构设计，上述实施例的测量装置的工作温度可以在0-80℃之间，可测量结构静倾斜量和动倾斜量的大小以及环境温度。温度的影响可以通过FBG温度传感器进行温度补偿来实现。
上述实施例的技术方案基于非本征法布里-珀罗干涉(EFPI)原理和压杆原理，提出一种全新的高精度高灵敏度的倾斜仪的新型结构，能够高精度的测出-40-90℃下的倾斜量的大小。光学上使用的是EFPI最简单的形式，即一根光纤垂直于一个起到反射镜作用的反光面，可以是全反射，也可以是非全反射，方便制作，重点在于传感器的结构形式和密封装置。倾斜仪可以放大倾斜量对腔长的影响，是较小的倾斜量可以产生较大的腔长变化，从而提高倾斜仪的灵敏度和精度，也使得弹性杆11应变量较小，不容易收到疲劳荷载的影响。
实施例2
本实施例提供一种基于法布里-珀罗和压杆失稳原理的倾斜仪，
包括以下步骤:
发生倾斜后，通过弹性杆连接到传感器顶部的重物在重力作用下相对顶部发生移动，使弹性杆发生弯曲，重物移动产生的水平力作用到弹性薄片上，使其沿着轴线方向有一定的拉伸或压缩量，由于弹性薄片已经失稳，因此，这个压缩量会导致弹性薄片的中点发生很大的挠度变化，挠度变化量一般为轴向拉伸或压缩量的6倍以上，从而改变了弹性薄片中点到光纤端面的距离，即改变了EFPI传感器的腔长。
通过腔长的改变量与倾斜量大小之间的关系进行标定，即可做成倾斜仪。一般情况下，发生倾斜后，通过控制弹性杆的刚度可以调节重物的最大移动量，发生同样的倾斜量时，弹性杆刚度越大，重物的移动量越小。重物的最大移动量通常较小，不超过±1mm。
通过测量弹性薄片挠度的变化量来反映倾斜量的大小，必要时进行温度补偿。
优选地，弹性薄片受到的轴向载荷的计算方法为，其中抗弯刚度为EI=Ewt3/12，Pcr为轴向载荷，所述弹性薄片3的长度为l，宽度为w，厚度为t，弹性模量为E，μ与边界条件有关，两端铰接，μ=1，两端刚接，μ=0.5。
本实施例的基于法布里-珀罗原理和压杆失稳原理的倾斜仪的方法的优点与实施例1中所述优点相同。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (3)
1.一种基于法布里-珀罗和压杆失稳原理的倾斜仪，其特征在于，包括光纤弹性薄片夹具（4）和受力变形体，非本征法布里珀罗干涉EFPI光纤传感器和FBG光纤温度传感器；
所述光纤弹性薄片夹具（4）固定在所述外壳上并分别夹持住所述弹性薄片（3）两端；
所述弹性薄片（3）对着光纤端面的一面为反光面，并且所述外壳伸缩时能够使所述弹性薄片（3）受所述外壳轴向的挤压力而发生压杆失稳导致的弹性形变，从而使弹性薄片（3）中点处的挠度发生变化；弹性杆（11）连接到传感器顶部的重物（10），重物（10）连接弹性薄片（3）；
所述光纤（1）被光纤保护套（2）保护，且从所述外壳上伸入外壳内并对准所述弹性薄片（3）反光面的中间位置；
所述EFPI光纤传感器和FBG光纤温度传感器均设置在所述光纤的端部，EFPI光纤传感器测量弹性薄片（3）中间位置的挠度，FBG光纤温度传感器测量温度。
2.根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗和压杆失稳原理的倾斜仪，其特征在于，所述光纤弹性薄片夹具（4）与所述弹性薄片（3）两端为铰接或者刚性连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于法布里-珀罗和压杆失稳原理的倾斜仪，其特征在于，弹性薄片（3）受到轴向压力的载荷的计算方法为，其中抗弯刚度为EI=Ewt3/12，Pcr为轴向载荷，所述弹性薄片（3）的长度为l，宽度为w，厚度为t，弹性模量为E，μ与边界条件有关，两端铰接，μ=1，两端刚接，μ=0.5。
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