CN109612393A - 一种非接触式光纤光栅位移传感器及其制备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤传感器测量领域，公开一种非接触式光纤光栅位移传感器，包括磁性光纤光栅传感器测量探头（1）、永磁体圆形阵列（2）、角线位移转换装置（3）、光电编码扫描器探头，其特征在于，将磁性光纤光栅测量探头（1）以及光电编码扫描器探头安装在永磁体圆形阵列的铝圆盘转动的起始位置，并加以固定；角线位移转换装置（3）包括位移标杆、位移弹簧，位移标杆中部滑动环固定在传感器壳体上，位移弹簧一端固定在该滑动环上，弹簧另一端固定在位移标杆的末端，位移标杆末端带有光纤线缆。采用光纤光栅与浮动式磁头相结合的方法，得到准确的位移与光纤光栅中心波长的关系。该传感器系统可以实现对位移量的精确测量，满足工程要求。

Description

一种非接触式光纤光栅位移传感器及其制备
技术领域
本发明属于光纤传感器测量领域，具体涉及一种非接触式光纤光栅位移传感器。
背景技术
工程实践表明：结构健康监测在航空航天、土木工程，铁路交通等领域起着至关重要的作用。对结构的破坏机理和修正计算模型的认识，有助于提高减震减灾能力，防患于未然，其中位移检测是测量技术中最重要的物理量之一。传统的电测量方式由于其较大的局限性，难以实现长期、稳定、远距离的测量。而光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)位移传感器，具有结构简单、抗电磁干扰、测量精度高、体积微小、波长编码、远距离传输等优点，已得到广泛的应用。
目前，国内外对光纤光栅位移传感器的研究已经相当深入：直接拉伸法，将光纤光栅的一端固定，另一端随导轨移动，灵敏度高但是量程特别小，且容易把光栅拉断；弹片式位移传感器，通过弯曲的弹片把位移形变转换成光栅的应变，再通过解调光栅中心波长的漂移量来测得相应的位移，缺点是量程小且不适应于工程应用。悬臂梁结构的传感器，采用粘贴在悬臂梁上下表面的光栅波长漂移差来实现温度补偿，缺点是传感器尺寸大，滑块易产生竖向位移。
发明内容
本发明的目的是为了解决这一问题，提供一种非接触式光纤光栅位移传感器及其制备，采用光纤光栅与浮动式磁头相结合，将角位移转化为测试标杆的线位移，同时通过多根光纤光栅的方法，得到准确的位移与光纤光栅中心波长的关系。该传感器系统可以实现对位移量的精确测量，满足工程要求。试用于飞机前起落架等关键部位位移测量的非接触式光纤光栅位移传感器。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
一种非接触式光纤光栅位移传感器，包括磁性光纤光栅传感器测量探头1、永磁体圆形阵列2、角线位移转换装置3、光电编码扫描器探头，将磁性光纤光栅测量探头1以及光电编码扫描器探头安装在永磁体圆形阵列2的铝圆盘转动的起始位置，并加以固定；角线位移转换装置3包括位移标杆、位移弹簧，位移标杆中部滑动环固定在传感器壳体上，位移弹簧一端固定在该滑动环上，弹簧另一端固定在位移标杆的末端，位移标杆末端带有光纤线缆。
优选地，磁性光纤光栅传感器测量探头为浮动式磁性光纤光栅传感器测量探头。
优选地，永磁体圆形阵列2，包括铝圆盘、8个圆柱形永磁体、发条弹簧，铝圆盘边缘均匀分成8份，在每份铝圆盘边缘处按照向上一侧N-S-N-S的方式依次固定圆柱形永磁体；在永磁体阵列位置内部，以45°为单位，依次装贴三位光电标志条码，条码编码即为三位二进制形式，覆盖从000到111共组成8个不同的数字域；铝圆盘底部安装发条弹簧。
优选地，圆柱形永磁体为扁平圆柱体，直径为2mm，厚度为2mm，永磁体由第二代稀土元素制成。
优选地，位移弹簧长度为150mm，压缩后长度小于等于30mm。
一种非接触式光纤光栅位移传感器的制备，包括如下步骤，
1)位移传感器封装，在圆柱形永磁体N极中心粘接有竖直的位移弹簧，再将光纤光栅切断；光纤光栅一端固定在弹簧与圆形永磁体N极中心，光纤光栅另一端穿过带有小孔的杯型塑料容器与解调仪连接进行中心波长监控；光纤光栅上涂覆选用准分子刻写的丙烯酸酯涂覆层，测量探头部分选用常温中心波长1560nm光纤光栅组装，两支同样方法制备的测量探头并联；在位移标杆上通过强力胶固定数显卡尺；拉动光纤光栅，在位移弹簧受到挤压的情况，监控中心波长幅度达到1.5nm，对此状态下位移传感器进行固定，在杯型塑料容器的小孔处点胶固定光纤，整个过程中采用DP420光纤胶；
2)位移传感器标定，测量探头与一支光纤光栅温度传感器串联，采集每个状态下温度对中心波长影响的偏移量，取得精确的位移值与测量探头光纤光栅中心波长的关系。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
采用光纤光栅与浮动式磁头相结合的方法，对可旋转的编码磁头阵列的旋转角进行角位移测量，通过特定的机械结构设计，将角位移转化为测试标杆的线位移的精确测量。同时通过多根光纤光栅的方法，对环境温度进行解耦，得到准确的位移与光纤光栅中心波长的关系。在实验室环境对该传感器系统进行测试，结果表明，该传感器系统可以实现对位移量的精确测量，满足工程要求，实现光纤光栅传感器精确测温。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明非接触式光纤光栅位移传感器的浮动式磁性光纤光栅测量探头示意图；
图2为本发明非接触式光纤光栅位移传感器的永磁体圆形阵列示意图。
图3为本发明非接触式光纤光栅位移传感器的角线位移转换装置示意图。
图4为本发明实施例的光纤光栅位移传感器示意图。
图5为本发明实施例的光栅光纤测试实验系统示意图。
图6为本发明实施例的光栅光纤波长变化量与位移拟合曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-4所示，一种非接触式光纤光栅位移传感器，包括磁性光纤光栅传感器测量探头1、永磁体圆形阵列2、角线位移转换装置3、光电编码扫描器探头，将磁性光纤光栅传感器测量探头为浮动式磁性光纤光栅传感器测量探头。将磁性光纤光栅测量探头以及光电编码扫描器探头安装在永磁体圆形阵列的铝圆盘转动的起始位置，并加以固定；角线位移转换装置3包括位移标杆、位移弹簧，位移标杆中部滑动环固定在传感器壳体上，与位移标杆之间能够发生相对位移。位移弹簧长度为150mm，压缩后长度不超过30mm。位移弹簧一端固定在该滑动环上，弹簧另一端固定在位移标杆的末端。当位移标杆测量端发生拉伸位移，位移弹簧受到压缩，同时带动位移标杆末端光纤线缆，使得铝圆盘发生转动。在铝圆盘转动的过程中，根据磁铁的特有属性，在相互吸引和排斥的作用力下，光纤光栅发生线性的压缩与拉伸。磁性光纤光栅传感器测量探头为浮动式磁性光纤光栅传感器测量探头。
如图2所示，永磁体圆形阵列2，包括铝圆盘、8个圆柱形永磁体、发条弹簧，铝圆盘边缘均匀分成8份，以45°为间隔在边缘处做标记。在每份铝圆盘边缘处按照向上一侧N-S-N-S的方式依次固定圆柱形永磁体；铝圆盘为直径40mm的7075-T6铝合金。在永磁体阵列位置内部，以45°为单位，依次装贴三位光电标志条码，编码定义白色为0，黑色为1，编码即为三位二进制形式，覆盖从000到111共组成8个不同的数字域，用以区分在中心波长值相同的情况下，不同的位移距离；铝圆盘底部安装发条弹簧，以保证圆盘正向转动后能够回到零位。上述圆柱形永磁体为扁平圆柱体，其直径为2mm，厚度为2mm，永磁体由第二代稀土元素制成。在本系统中为了达到较好的实验效果，选取磁力较强的永磁体进行实验。
如图4所示，根据设计目的安装传感系统，将测量探头以及光电编码扫描器探头安装在圆盘转动的起始位置，并加以固定。位移标杆中部滑环固定在壳体，在拉伸位移时确定位移方向。
上述一种非接触式光纤光栅位移传感器的制备，包括如下步骤，
1)位移传感器封装，首先，位移弹簧竖直粘附在圆柱形永磁体N极中心，将设定长度10mm的光纤光栅切断后，光栅光纤一端固定在弹簧与圆形永磁体N极中心，制备完成后，光纤光栅另一端穿过带有小孔的杯型塑料容器与解调仪连接，进行中心波长监控；选用准分子刻写的丙烯酸酯涂覆光纤光栅涂覆层，选用常温中心波长1560nm光纤光栅组装测量探头部分，将两支同样方法制备的测量探头并联，中心波长1535nm；在位移标杆上通过强力胶固定数显卡尺，数显卡尺的量程200mm，分辨率0.01mm。拉动光纤光栅，在位移弹簧受到挤压的情况，监控中心波长幅度达到1.5nm，对此状态下系统进行固定，在杯型塑料容器的小孔处点胶固定光纤，整个过程中采用DP420光纤胶，保证传感器探头的长期稳定。
2)位移传感器标定，由于温度的影响对于系统的精确测量有较大的影响，测试过程中，为了排除温度因素影响，测量探头与一支光纤光栅温度传感器串联，采集每个状态下温度对中心波长影响的偏移量，取得精确的位移值与测量探头光纤光栅中心波长的关系。
如图5所示，搭建的测试实验系统，光源发出的宽谱光经过3dB耦合器(插入损耗)入射到光纤光栅，磁力变化使得光纤光栅发生拉伸压缩，进而中心波长发生变化，Ibsen解调仪对反射谱解调寻峰，通过上位机软件将中心波长变化量转化为系统当前位移值。
在测试过程中，首先计算圆形永磁体阵列中相邻两磁体线距离，由于圆盘直径40mm，相邻两磁体之间线距离约为15mm，确定位移标杆单次位移距离为2mm。确定外界实验条件不变，采用微调数显游标卡尺的方法，记录每发生2mm位移时刻中心波长值的变化量以及光电编码值。通过算法将温度带来的中心波长变化影响去除，得到光纤光栅中心波长变化量与位移之间关系曲线。
如图6所示，不同的数字区间代表不同的编码区间。
曲线拟合公式为：
Δλ＝0.153sin(0.21ΔL-7.51)+0.150；R2＝0.984 (1)；
标定结果显示，在任一编码区域内，角位移π/4，线位移约为15mm，光纤光栅中心波长变化306pm，光纤光栅解调仪精度为0.5pm，非接触式光纤光栅位移传感器灵敏度系数20.6pm/mm。
为了对位移测量系统的重复性进行判断，释放测量标杆，使其恢复到零点，光电编码区也恢复到零位。此时，以6mm为步进，采集在0～120mm范围内的21个点，与第一次测试结果进行重复性误差分析，最大偏差值约为7pm，测量精度为0.29％F.S.，绝对值平均偏差2.6pm，满足设计要求，可以认为重复性良好。
以上所描述的实施例仅仅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。

Claims (6)

1.一种非接触式光纤光栅位移传感器，包括磁性光纤光栅传感器测量探头（1）、永磁体圆形阵列（2）、角线位移转换装置（3）、光电编码扫描器探头，其特征在于，将磁性光纤光栅测量探头（1）以及光电编码扫描器探头安装在永磁体圆形阵列的铝圆盘转动的起始位置，并加以固定；角线位移转换装置（3）包括位移标杆、位移弹簧，位移标杆中部滑动环固定在传感器壳体上，位移弹簧一端固定在该滑动环上，弹簧另一端固定在位移标杆的末端，位移标杆末端带有光纤线缆。
2.根据权利要求1所述非接触式光纤光栅位移传感器，其特征在于，磁性光纤光栅传感器测量探头为浮动式磁性光纤光栅传感器测量探头。
3.根据权利要求1所述非接触式光纤光栅位移传感器，其特征在于，永磁体圆形阵列（2），包括铝圆盘、8个圆柱形永磁体、发条弹簧，铝圆盘边缘均匀分成8份，在每份铝圆盘边缘处按照向上一侧N-S-N-S的方式依次固定圆柱形永磁体；在永磁体阵列位置内部，以45°为单位，依次装贴三位光电标志条码，条码编码即为三位二进制形式，覆盖从000到111共组成8个不同的数字域；铝圆盘底部安装发条弹簧。
4.根据权利要求1所述非接触式光纤光栅位移传感器，其特征在于，圆柱形永磁体为扁平圆柱体，直径为2mm，厚度为2mm，永磁体由第二代稀土元素制成。
5.根据权利要求1所述非接触式光纤光栅位移传感器，其特征在于，位移弹簧长度为150mm，压缩后长度小于等于30mm。
6.一种非接触式光纤光栅位移传感器的制备，其特征在于，包括如下步骤，
1）位移传感器封装，在圆柱形永磁体N极中心粘接有竖直的位移弹簧，再将光纤光栅切断；光纤光栅一端固定在弹簧与圆形永磁体N极中心，光纤光栅另一端穿过带有小孔的杯型塑料容器与解调仪连接进行中心波长监控；光纤光栅上涂覆选用准分子刻写的丙烯酸酯涂覆层，测量探头部分选用常温中心波长1560nm光纤光栅组装，两支同样方法制备的测量探头并联；在位移标杆上通过强力胶固定数显卡尺；拉动光纤光栅，在位移弹簧受到挤压的情况，监控中心波长幅度达到1.5nm，对此状态下位移传感器进行固定，在杯型塑料容器的小孔处点胶固定光纤，整个过程中采用DP420光纤胶；
2）位移传感器标定，测量探头与一支光纤光栅温度传感器串联，采集每个状态下温度对中心波长影响的偏移量，取得精确的位移值与测量探头光纤光栅中心波长的关系。
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