CN109099947B - 一种增敏型光纤光栅微位移传感器及传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种增敏型光纤光栅微位移传感器，纵向滑块与底板平行、沿前后方向滑动；纵向滑块上设有对称的两个滑道，两个滑道在纵向滑块靠近后端板侧交汇；每个滑道内均设有滑移体，每个滑移体上设有安装板，光纤固定在安装板上，两个安装板之间的光纤上刻有第一光栅，一块安装板上设有2个光纤固定点，2个光纤固定点之间的光纤上刻有第二光栅；触头机构用于将待测物体位移传递至纵向滑块，推动纵向滑块在测量方向移动；导向装置用于限位和导向，使得纵向滑块在测量方向滑动且滑移体的运动方向与测量方向垂直。本发明通过巧妙的设置传感机构，将待测物体的微小位移量放大，提高了灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种增敏型光纤光栅微位移传感器及传感方法。
背景技术
在科学研究及工程实践中，位移测量技术应用十分广泛，常见的位移传感器有电感式位移传感器、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、激光位移传感器等，这些传感器的测量精度都可以达到微米级，在工程应用中发挥着重要作用。但是电类位移传感器环境适应性较差，易受电磁干扰，信号传输距离短；激光位移传感器价格昂贵，对环境洁净度要求高，无法在粉尘环境下实现高精度测量。
光纤光栅是一种新型光纤传感无源器件，具有抗电磁干扰、尺寸小(标准裸光纤直径为0.125mm)、重量轻、复用能力强、环境适应性好等优点，且可以实现多点多参数的分布式测量和长期远程状态监控，已经成功应用于化学医疗、材料工业、水利水电、船舶、煤矿等领域。
中国发明专利申请CN101788268A公布了一种超精密光纤光栅位移传感器，是以平行片簧为导轨的筒状光纤光栅位移传感器，但没有考虑测量过程中温度对测量结果的影响，在温度变化较大的环境中，测量精度将会受到影响；中国发明专利申请CN101526339A公布了一种温度自动补偿光纤光栅位移传感器，采用的中间弹性体，其灵敏度和测量精度受到一定限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种增敏型光纤光栅微位移传感器及传感方法，灵敏度高。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种增敏型光纤光栅微位移传感器，其特征在于：它包括箱体，和位于箱体内的传感机构、触头机构和导向装置；其中，
箱体包括底板，底板上固定有左侧板、右侧板、后端板和前端板；
传感机构包括纵向滑块、滑移体、安装板和光纤光栅传感器，光纤光栅传感器包括光纤和光纤上的第一光栅和第二光栅；纵向滑块与底板平行、沿前后方向滑动，前后方向即为测量方向；纵向滑块上设有对称的两个滑道，两个滑道在纵向滑块靠近后端板侧交汇，且两个滑道与测量方向所构成的斜率分别为k和-k；每个滑道内均设有一个所述的滑移体，滑移体分别在各自所在的滑道内对称滑动，每个滑移体上设有所述的安装板，所述的光纤光栅传感器固定在安装板上且与测量方向相互垂直，两个安装板之间的光纤上刻有所述的第一光栅，其中一块安装板上设有2个光纤固定点，2个光纤固定点之间的光纤上刻有所述的第二光栅；第一光栅和第二光栅的反射波长不同且波长漂移区间不交叉；
触头机构用于将待测物体位移传递至纵向滑块，推动纵向滑块在测量方向移动；导向装置用于限位和导向，使得纵向滑块在测量方向滑动且滑移体的运动方向与测量方向垂直。
按上述方案，所述的触头机构包括复位横板、触杆、复位弹簧和调整螺栓；复位横板与左、右侧板固定连接，复位横板上设有通孔和与通孔同心的环形盲孔，所述的前端板设有通孔；所述的触杆分别穿过前端板和复位横板的通孔，一端与所述的纵向滑块固定连接，另一端与待测物体硬质接触；所述的复位弹簧和调整螺栓分别套在触杆上，且复位弹簧的一端套入所述的环形盲孔，复位弹簧的另一端与调整螺栓的一端接触，调整螺栓的另一端与前端板的内侧接触，调整螺栓与触杆之间通过螺纹连接。
按上述方案，所述的导向装置包括左导向板、右导向板、导向压板和导向横梁；左导向板、右导向板分别连接在左侧板和右侧板上，且与所述的纵向滑块的侧向形成滑动副；导向压板安装在左导向板上，且与所述的纵向滑块的顶面接触形成滑动副；导向横梁安装在左侧板上，且与所述的滑移体相切。
按上述方案，所述的箱体外侧设有凸台，凸台上设有用于安装的U型槽。
按上述方案，所述的滑道为倒T型槽，所述的滑移体的底部为长方体、上部为圆柱体。
按上述方案，所述的箱体顶部还设有顶板。
所述的增敏型光纤光栅微位移传感器的传感方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、预紧：在非工作状态下，调整触头机构使得纵向滑块沿测量方向向后端板移动，两个滑移体在导向装置作用下垂直于测量方向相背移动，从而对第一光栅施加预紧力；第二光栅固定在安装板上仅受温度影响；
S2、在测量方向上，使得触头机构前部与待测物体硬质接触，固定传感器；
S3、标定传感器；
S4、测量时，待测物体的微位移量按以下公式获得：
式中：ΔS为待测物体的微位移量，Δλa和Δλb分别为第一光栅和第二光栅的中心波长漂移量，λa和λb分别为第一光栅和第二光栅的初始中心波长，L为第一光栅两端光纤固定点之间的距离，k为滑道与测量方向的斜率，Pe为光纤的有效弹光系数。
按上述方法，所述的触头机构包括复位横板、触杆、复位弹簧和调整螺栓；复位横板与左、右侧板固定连接，复位横板上设有通孔和与通孔同心的环形盲孔，所述的前端板设有通孔；所述的触杆分别穿过前端板和复位横板的通孔，一端与所述的纵向滑块固定连接，另一端与待测物体硬质接触；所述的复位弹簧和调整螺栓分别套在触杆上，且复位弹簧的一端套入所述的环形盲孔，复位弹簧的另一端与调整螺栓的一端接触，调整螺栓的另一端与前端板的内侧接触，调整螺栓与触杆之间通过螺纹连接；
所述的S1通过调整螺栓使得纵向滑块沿测量方向向后端板移动。
按上述方法，所述的箱体外侧设有凸台，凸台上设有用于安装的U型槽；所述的S2通过螺栓和所述的U型槽固定传感器。
按上述方法，所述的k＝2，从而使得待测物体的微位移量放大4倍传递给光纤光栅传感器。
本发明的有益效果为：
1、通过巧妙的设置传感机构，通过滑道斜率k的设置，在导向装置作用下，滑移体的横向移动可将触头机构传递至纵向滑块的微小位移量放大2k倍，极大地提高了传感器的灵敏度。
2、采用了独特的触头机构，通过调整螺栓可以调节光纤光栅的预紧程度，提高了传感器的线性度。
附图说明
图1为本发明一实施例的内部结构示意图。
图2为本发明一实施例另一方向的内部结构示意图。
图3为本发明传感器整体外形图。
图4为本发明传感器一个具体实施例的示意图。
图5为本发明传感器中纵向滑块结构示意图。
图6为本发明传感器中滑移体结构示意图。
图7为本发明传感器中触杆结构示意图。
图8为本发明传感器中左侧板结构示意图。
图9为本发明传感器中右侧板结构示意图。
图10为本发明传感器中复位横板结构示意图。
其中：1、左侧板；2、复位横板；3.1、左导向板；3.2、右导向板；4、导向压板；5、滑移体；6、导向横梁；7、U型安装板；8、后端板；9、底板；10、光纤；10.1、第一光栅；10.2、第二光栅；11、矩形安装板；12、右侧板；13、纵向滑块；14、触杆；15、复位弹簧；16、调整螺栓；17、前端板；18、待测物体；19、顶板。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种增敏型光纤光栅微位移传感器，如图1至图10所示，它包括箱体，和位于箱体内的传感机构、触头机构和导向装置。
箱体包括底板9，底板9上固定有左侧板1、右侧板12、后端板8、前端板17和顶板19，各板件通过螺栓连接，任意两个相接触的板件垂直。箱体外侧设有凸台，凸台上设有用于安装的U型槽。
传感机构包括纵向滑块13、滑移体5、安装板和光纤光栅传感器，光纤光栅传感器包括光纤10和光纤上的第一光栅10.1和第二光栅10.2，其安装方向与测量方向垂直。纵向滑块13与底板9平行、沿前后方向滑动，前后方向即为测量方向；纵向滑块13上设有对称的两个滑道，两个滑道在纵向滑块13靠近后端板8侧交汇，且两个滑道与测量方向所构成的斜率分别为k和-k；每个滑道内均设有一个所述的滑移体5，滑移体5分别在各自所在的滑道内对称滑动，每个滑移体5上设有所述的安装板，本实施例中，两个安装板为U型安装板7和矩形安装板11，光纤10的一端固定在U型安装板7上，U型安装板7和矩形安装板11之间的光纤10上刻有第一光栅10.1，其中矩形安装板11上设有2个光纤固定点，2个光纤固定点之间的光纤10上刻有第二光栅10.2；第一光栅10.1和第二光栅10.2的反射波长不同且波长漂移区间不交叉。本实施例中，滑道为倒T型槽，所述的滑移体的底部为长方体、上部为圆柱体。
触头机构用于将待测物体18的位移传递至纵向滑块13，推动纵向滑13块在测量方向移动。触头机构包括复位横板2、触杆14、复位弹簧15和调整螺栓16；复位横板2与左、右侧板1、12固定连接，复位横板2上设有通孔和与通孔同心的环形盲孔，所述的前端板17设有通孔；所述的触杆14分别穿过前端板17和复位横板2的通孔，一端与所述的纵向滑块13固定连接，另一端与待测物体18硬质接触；所述的复位弹簧15和调整螺栓16分别套在触杆14上，且复位弹簧15的一端套入所述的环形盲孔，复位弹簧15的另一端与调整螺栓16的一端接触，调整螺栓16的另一端与前端板17的内侧接触，调整螺栓16与触杆14之间通过螺纹连接。
导向装置用于限位和导向，使得纵向滑块13在测量方向滑动且滑移体5的运动方向与测量方向垂直。导向装置包括左导向板3.1、右导向板3.2、导向压板4和导向横梁6；左导向板3.1、右导向板3.2分别连接在左侧板1和右侧板12上，且与所述的纵向滑块13的侧向形成滑动副；导向压板4通过螺栓安装在左导向板3.1上，且与所述的纵向滑块13的顶面接触形成滑动副；导向横梁6安装在左侧板1上，且与所述的滑移体5相切。
所述的增敏型光纤光栅微位移传感器的传感方法，包括以下步骤：
S1、预紧：在非工作状态下，旋转调整螺栓16，因其沿测量方向移动自由度受限，导致触杆14和纵向滑块13沿测量方向向后端板8移动，两个滑移体5在导向装置作用下垂直于测量方向相背移动，从而对第一光栅10.1施加预紧力；第二光栅10.2固定在矩形安装板11上仅受温度影响。
S2、在测量方向上，使得触杆14前部与待测物体18硬质接触，通过螺栓和所述的U型槽固定传感器。
S3、标定传感器。
S4、测量时，待测物体18的微位移量按以下公式获得：
式中：ΔS为待测物体18的微位移量，Δλa和Δλb分别为第一光栅10.1和第二光栅10.2的中心波长漂移量，λa和λb分别为第一光栅10.1和第二光栅10.2的初始中心波长，L为第一光栅10.1两端光纤固定点之间的距离，k为滑道与测量方向的斜率，Pe为光纤10的有效弹光系数。
在本实施例中，k＝2，位移量被放大四倍传递给光纤光栅传感器。测量过程中，被测物体18沿测量方向发生微小位移ΔS，第一光栅10.1两端粘接处间距为L，则第一光栅10.1的应变为εa＝4ΔS/L；第二光栅10.2两端均粘接在矩形安装板11上，故在测量过程中，其只对温度敏感，即εb＝0；两者中心波长漂移量Δλa和Δλb可以分别表示为：
上式中，λa,λb分别为第一光栅10.1和第二光栅10.2的初始中心波长，Pe,α,η分别为光纤10的有效弹光系数、热膨胀系数和热光系数，ΔT为测量过程中温度变化量。由上述可知，通过求解可消除温度变化ΔT对测量结果的影响，易得被测物体18的微位移量为：
本发明采用了独特的触头机构，通过调整螺栓可以调节光纤光栅的预紧程度，提高了传感器的线性度。本发明采用了特有的线性增敏机构，在导向装置作用下，滑移体的横向移动可将触杆传递至纵向滑块的微小位移量放大四倍，提高了传感器的灵敏度。在单根光纤上写入两个反射波长不同的光栅，且两者波长漂移区间不交叉，其中一个光栅在测量过程中仅对温度敏感，另一个对应变和温度敏感，以此来消除温度对测量结果的影响，提高传感器的测量精度。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种增敏型光纤光栅微位移传感器，其特征在于：它包括箱体，和位于箱体内的传感机构、触头机构和导向装置；其中，
箱体包括底板，底板上固定有左侧板、右侧板、后端板和前端板；
传感机构包括纵向滑块、滑移体、安装板和光纤光栅传感器，光纤光栅传感器包括光纤和光纤上的第一光栅和第二光栅；纵向滑块与底板平行、沿前后方向滑动，前后方向即为测量方向；纵向滑块上设有对称的两个滑道，两个滑道在纵向滑块靠近后端板侧交汇，且两个滑道与测量方向所构成的斜率分别为k和-k；每个滑道内均设有一个所述的滑移体，滑移体分别在各自所在的滑道内对称滑动，每个滑移体上设有所述的安装板，所述的光纤光栅传感器固定在安装板上且与测量方向相互垂直，两个安装板之间的光纤上刻有所述的第一光栅，其中一块安装板上设有2个光纤固定点，2个光纤固定点之间的光纤上刻有所述的第二光栅；第一光栅和第二光栅的反射波长不同且波长漂移区间不交叉；
触头机构用于将待测物体位移传递至纵向滑块，推动纵向滑块在测量方向移动；导向装置用于限位和导向，使得纵向滑块在测量方向滑动且滑移体的导向方向与测量方向垂直。
2.根据权利要求1所述的增敏型光纤光栅微位移传感器，其特征在于：所述的触头机构包括复位横板、触杆、复位弹簧和调整螺栓；复位横板与左、右侧板固定连接，复位横板上设有通孔和与通孔同心的环形盲孔，所述的前端板设有通孔；所述的触杆分别穿过前端板和复位横板的通孔，一端与所述的纵向滑块固定连接，另一端与待测物体硬质接触；所述的复位弹簧和调整螺栓分别套在触杆上，且复位弹簧的一端套入所述的环形盲孔，复位弹簧的另一端与调整螺栓的一端接触，调整螺栓的另一端与前端板的内侧接触，调整螺栓与触杆之间通过螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的增敏型光纤光栅微位移传感器，其特征在于：所述的导向装置包括左导向板、右导向板、导向压板和导向横梁；左导向板、右导向板分别连接在左侧板和右侧板上，且与所述的纵向滑块的侧向形成滑动副；导向压板安装在左导向板上，且与所述的纵向滑块的顶面接触形成滑动副；导向横梁安装在左侧板上，且与所述的滑移体相切。
4.根据权利要求1所述的增敏型光纤光栅微位移传感器，其特征在于：所述的箱体外侧设有凸台，凸台上设有用于安装的U型槽。
5.根据权利要求1所述的增敏型光纤光栅微位移传感器，其特征在于：所述的滑道为倒T型槽，所述的滑移体的底部为长方体、上部为圆柱体。
6.根据权利要求1所述的增敏型光纤光栅微位移传感器，其特征在于：所述的箱体顶部还设有顶板。
7.权利要求1所述的增敏型光纤光栅微位移传感器的传感方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、预紧：在非工作状态下，调整触头机构使得纵向滑块沿测量方向向后端板移动，两个滑移体在导向装置作用下垂直于测量方向相背移动，从而对第一光栅施加预紧力；第二光栅固定在安装板上仅受温度影响；
S2、在测量方向上，使得触头机构前部与待测物体硬质接触，固定传感器；
S3、标定传感器；
S4、测量时，待测物体的微位移量按以下公式获得：
式中：ΔS为待测物体的微位移量，Δλa和Δλb分别为第一光栅和第二光栅的中心波长漂移量，λa和λb分别为第一光栅和第二光栅的初始中心波长，L为第一光栅两端光纤固定点之间的距离，k为滑道与测量方向的斜率，Pe为光纤的有效弹光系数。
8.根据权利要求7所述的传感方法，其特征在于：所述的触头机构包括复位横板、触杆、复位弹簧和调整螺栓；复位横板与左、右侧板固定连接，复位横板上设有通孔和与通孔同心的环形盲孔，所述的前端板设有通孔；所述的触杆分别穿过前端板和复位横板的通孔，一端与所述的纵向滑块固定连接，另一端与待测物体硬质接触；所述的复位弹簧和调整螺栓分别套在触杆上，且复位弹簧的一端套入所述的环形盲孔，复位弹簧的另一端与调整螺栓的一端接触，调整螺栓的另一端与前端板的内侧接触，调整螺栓与触杆之间通过螺纹连接；
所述的S1通过调整螺栓使得纵向滑块沿测量方向向后端板移动。
9.根据权利要求7所述的传感方法，其特征在于：所述的箱体外侧设有凸台，凸台上设有用于安装的U型槽；所述的S2通过螺栓和所述的U型槽固定传感器。
10.根据权利要求7所述的传感方法，其特征在于：所述的k＝2，从而使得待测物体的微位移量放大4倍传递给光纤光栅传感器。
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-
2018
- 2018-06-25 CN CN201810663679.0A patent/CN109099947B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
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