CN109764830A - 一种光纤光栅全方位增敏倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅全方位增敏倾角传感器，包括长轴、随长轴转动而摆动的转动架、短轴、横轴、第一偏心凸轮、两个第二偏心凸轮、套设在第二偏心凸轮圆周外缘上的框架、横向推杆、固定于短轴上的摆杆；横向推杆的两端连接有第一弹性绳且第一弹性绳的另一端固定在转动架的端面上；第一弹性绳上设有应变光栅；框架上固定有第二弹性绳，该所述第二弹性绳上同样设有应变光栅；通过两个偏心轮转动引起弹性绳的伸长，弹性绳上贴有应变光栅感知偏心轮的偏心角度，从而能够实现对摆杆的倾角监测。本发明能够实现对倾角360度全方位实时监测，具有测量范围广、灵敏度高、结构简单、成本低、抗恶劣天气强等优点，可广泛应用于各种复杂的环境中。

Description

一种光纤光栅全方位增敏倾角传感器

技术领域

本发明涉及传感技术领域，具体涉及土木工程测量结构倾角变化的光纤光栅倾角仪增敏传感器。

背景技术

对沿着竖直方向不同高度或者深度处的倾斜、变形信息的监测在高层建筑、深坑、高边坡等工程领域非常重要，通过监测，可掌握它们的倾斜、变形情况及其变化趋势。这种倾斜或者变形的测量技术中，传统的电测斜仪应用非常普遍，例如在边坡变形监测中，工作人员通过在边坡内部沿竖直方向钻孔，埋入商业测斜管，将电测斜仪放入测斜管中，从测斜管底端开始，依次按照等高度的间隔提升电测斜仪，再记录各个高度处的电测斜仪测量的变形值，得到边坡沿竖直方向不同高度的分布式变形信息。这种测量方法，由于电测斜仪测量的输出信号为弱电，一方面，仪器的抗干扰能力差，读数不稳定；另一方面，工作人员的每次测量都必须到边坡现场实施，工作开展非常不便，不同的工作人员受主观影响后的读数结果也容易不同，而且无法做到实时监测，对边坡变形等无法实时、及时的掌握。光纤光栅传感技术因其抗电磁干扰、可多个传感器串接复用、可远程实时监测以及精度高等突出优势，非常适用于边坡等野外恶劣环境中的实时监测，因此基于光纤光栅原理的分布式变形测量技术研究不断。

光纤光栅传感器是目前应用最为广泛的光纤传感器之一，可测量应变、温度、压力、位移、流量、液位等参数。其传感原理一般基于被测参数变化引起光栅周期和有效折射率的变化，从而导致光栅特征波长的变化，通过测量特征波长的移动量来测量上述参数。通过对国内外资料的查阅发现，到目前为止有关光纤光栅倾角传感器方面的研究并不完善，还处于探索开发阶段。

现有的光纤光栅倾角仪传感器由于精度低、寿命短、体积大等缺点难以应用于工程结构的变形监测。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题在于克服已有传统倾角仪的缺点以及增加倾角仪的灵敏度，提供用于普通工程环境中的测量范围大、测量精度高、结构简单、使用方便的光纤光栅全方位增敏倾角传感器。

技术方案：本发明光纤光栅全方位增敏倾角传感器可采用以下技术方案：

一种光纤光栅全方位增敏倾角传感器，包括底盘、固定在底盘上的壳体、安装在壳体内的长轴、安装在长轴上并随长轴转动而摆动的转动架、穿过转动架的短轴、位于短轴下方的横轴、安装在横轴上的两个第一偏心凸轮、分别安装在壳体内侧面并相对设置的两个齿轮轴、分别安装在两个齿轮轴上的两个第二偏心凸轮、套设在第二偏心凸轮圆周外缘上的框架、中心包围第一偏心凸轮的横向推杆、一端固定于短轴上并向下延伸的摆杆；所述短轴与横轴通过齿轮啮合连接；横轴的转动通过齿轮啮合带动短轴转动；

所述长轴的两端分别通过滚动轴承安装在壳体相对的内侧壁上，且长轴位于短轴与齿轮轴上方，长轴与齿轮轴平行且设置与齿轮轴啮合而带动齿轮轴转动的第一齿轮；长轴与短轴垂直设置；

所述转动架具有两个侧面及两个端面，所述短轴贯穿两个侧面，第一偏心凸轮及横向推杆安装在侧面外侧表面，所述横向推杆的两端连接有第一弹性绳且第一弹性绳的另一端固定在转动架的端面上；所述第一弹性绳上设有应变光栅；

所述框架上固定有第二弹性绳，且第二弹性绳的另一端向上延伸并固定在外壳顶端内侧；该所述第二弹性绳上同样设有应变光栅。

进一步的，摆杆转动带动短轴转动在带动横轴转动将使与第一偏心轮紧贴的横向推杆产生位移，所述的横向推杆的位移将使连接于横向推杆的第一弹性绳产生长度变化，第一弹性绳上面的应变光栅将感知弹性绳的形变而得到推杆的位移，推杆产生的位移得到摆杆在YOZ平面转过的角度。

进一步的，摆杆带动固定在长轴左右两端的第二偏心凸轮转动，通过两个第二偏心凸轮转动引起框架上下移动，第二弹性绳上的应变光栅感知第二偏心凸轮的偏心角度，从而得到摆杆在XOZ平面转过的角度。

进一步的，所述壳体包括左壳体与右壳体，底盘、左壳体与右壳体由螺钉固定合在一起。

进一步的，所述摆杆下方设有配重，底盘内设有固定件，当该光纤光栅全方位增敏倾角传感器不使用时，固定件并与摆杆底部的配重固定在一起。

进一步的，所述第一偏心凸轮的两侧分别设置有定位件，该定位件固定在转动架上，且横向推杆的两端分别穿过对应侧的定位件。

进一步的，所述第二弹性绳与框架连接的一端以将框架的外缘包围的方式固定。

有益效果：本发明提供的倾角传感器在使用时，由于地面存在倾角摆杆在重力作用下绕短轴旋转，短轴旋转带动横轴上的凸轮转动，从而使前后两个封闭推杆移动，前后两个推杆使弹性绳伸长量发生变化弹性绳上贴有应变光栅来感知弹性绳的变化，摆杆左右摆动的角度将引起前后推杆的位移差，通过前后横向推杆的位移差能够实现对万向摆杆在XOZ平面万向摆杆转动的角度监测；同时，摆杆在重力作用下带动转动架绕长轴旋转，转动架前后摆动至某一位置，转动架转动带动固定在其长轴上的两个齿轮转动，齿轮在带动齿轮轴转动，从而带动第二偏心凸轮的转动。当第二偏心凸轮圆心与偏心在同一水平线上时，弹性绳恰好处于一个定长，通过两个偏心轮转动引起弹性绳的伸长，弹性绳上贴有应变光栅感知偏心轮的偏心角度，从而能够实现对万向摆杆在YOZ平面角度的监测，万向摆杆在XOZ平面转动角度与在YOZ平面转动角度的和角度即是倾角的方向。本发明能够实现对倾角360度全方位实时监测，具有测量范围广、灵敏度高、结构简单、成本低、抗恶劣天气强等优点，可广泛应用于各种复杂的环境中。

附图说明

图1为本发明光纤光栅全方位增敏倾角传感器的轴测图；

图2为图1中光纤光栅全方位增敏倾角传感器去除外壳后的内部图；

图3为图1中光纤光栅全方位增敏倾角传感器的剖视示意图；

图4为第一弹性绳与转动架及横向推杆部分连接的结构示意图；

图5为图4中的局部放大图；

图6为第一弹性绳与外壳及框架部分连接的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图6所示，本发明公开一种光纤光栅全方位增敏倾角传感器，其特征在于：包括底盘6、固定在底盘6上的壳体、安装在壳体内的长轴22、安装在长轴22上并随长轴转动而摆动的转动架3、穿过转动架3的短轴1、位于短轴1下方的横轴21、安装在横轴21上的两个第一偏心凸轮9、分别安装在壳体内侧面并相对设置的两个齿轮轴12、分别安装在两个齿轮轴12上的两个第二偏心凸轮10、套设在第二偏心凸轮10圆周外缘上的框架14、中心包围第一偏心凸轮9的横向推杆11、一端通过紧定螺钉16固定于短轴1中间位置上并向下延伸的摆杆2。两个齿轮轴12均通过滚动轴承24安装在壳体侧壁内侧。所述第一偏心凸轮的两侧分别设置有定位件113，该定位件固定在转动架3上，且横向推杆11的两端分别穿过对应侧的定位件113。所述短轴1与横轴21通过齿轮啮合连接；横轴的转动通过齿轮啮合带动短轴转动；所述壳体包括左壳体7与右壳体8，底盘6、左壳体7与右壳体8由螺钉固定合在一起。横轴21上还设有固定盘18。

所述长轴的两端分别通过滚动轴承23安装在壳体相对的内侧壁上，且长轴22位于短轴1与齿轮轴12上方，长轴22与齿轮轴12平行且设置与齿轮轴12啮合而带动齿轮轴12转动的第一齿轮25；长轴22与短轴1垂直设置；长轴22与转动架3之间通过约束钮13固定。

结合图4、图5所示，所述转动架3具有两个侧面及两个端面，所述短轴1贯穿两个侧面，第一偏心凸轮9及横向推杆11安装在侧面外侧表面，所述横向推杆11的两端连接有第一弹性绳111且第一弹性绳111的另一端固定在转动架3的端面上；所述第一弹性绳111上设有应变光栅。为便于短轴1的安装，转动架在短轴位置设置转动架插板19，待短轴安装后，转动架插板19再安装。

结合图6所示，所述框架14上固定有第二弹性绳112，且第二弹性绳112的另一端向上延伸并固定在外壳顶端内侧；该所述第二弹性绳112上同样设有应变光栅。

该摆杆2与短轴1在本结构中：摆杆2转动带动短轴1转动在带动横轴转动将使与第一偏心轮9紧贴的横向推杆11产生位移，所述的横向推杆11的位移将使连接于横向推杆11的第一弹性绳111产生长度变化，第一弹性绳上面的应变光栅将感知弹性绳的形变而得到推杆的位移，推杆产生的位移得到摆杆2在YOZ平面转过的角度，该YOZ平面所在的XYZ坐标系请参阅图1所示。

摆杆2与长轴7在本结构中：摆杆2带动固定在长轴7左右两端的第二偏心凸轮10转动，通过两个第二偏心凸轮10转动引起框架14上下移动，第二弹性绳112上的应变光栅感知第二偏心凸轮10的偏心角度，从而得到摆杆2在XOZ平面转过的角度，该XOZ平面所在的XYZ坐标系同样请参阅图1所示。所述第二弹性绳112与框架14连接的一端以将框架的外缘包围的方式固定。

为了使摆杆2的摆动更加灵敏，可以在摆杆2下方设置配重2，底盘内设有固定件15，当该光纤光栅全方位增敏倾角传感器不使用时，固定件并与摆杆2底部的配重固定在一起，如图3所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光纤光栅全方位增敏倾角传感器，其特征在于：包括底盘(6)、固定在底盘(6)上的壳体、安装在壳体内的长轴(22)、安装在长轴(22)上并随长轴转动而摆动的转动架(3)、穿过转动架(3)的短轴(1)、位于短轴(1)下方的横轴(21)、安装在横轴(21)上的两个第一偏心凸轮(9)、分别安装在壳体内侧面并相对设置的两个齿轮轴(12)、分别安装在两个齿轮轴(12)上的两个第二偏心凸轮(10)、套设在第二偏心凸轮(10)圆周外缘上的框架(14)、中心包围第一偏心凸轮(9)的横向推杆(11)、一端铰接于短轴(1)上并向下延伸的摆杆(2)；所述短轴(1)与横轴(21)通过齿轮啮合连接；横轴的转动通过齿轮啮合带动短轴转动；

所述长轴的两端分别通过滚动轴承安装在壳体相对的内侧壁上，且长轴(22)位于短轴(1)与齿轮轴(12)上方，长轴(22)与齿轮轴(12)平行且设置与齿轮轴(12)啮合而带动齿轮轴(12)转动的第一齿轮(25)；长轴(22)与短轴(1)垂直设置；

所述转动架(3)具有两个侧面及两个端面，所述短轴(1)贯穿两个侧面，第一偏心凸轮(9)及横向推杆(11)安装在侧面外侧表面，所述横向推杆(11)的两端连接有第一弹性绳(111)且第一弹性绳(111)的另一端固定在转动架(3)的端面上；所述第一弹性绳(111)上设有应变光栅；

所述框架(14)上固定有第二弹性绳(112)，且第二弹性绳(112)的另一端向上延伸并固定在外壳顶端内侧；该所述第二弹性绳(112)上同样设有应变光栅。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅全方位增敏倾角传感器，其特征在于：摆杆(2)转动带动短轴(1)转动在带动横轴转动将使与第一偏心轮(9)紧贴的横向推杆(11)产生位移，所述的横向推杆(11)的位移将使连接于横向推杆(11)的第一弹性绳(111)产生长度变化，第一弹性绳上面的应变光栅将感知弹性绳的形变而得到推杆的位移，推杆产生的位移得到摆杆(2)在YOZ平面转过的角度。

3.根据权利要求1或2所述的光纤光栅全方位增敏倾角传感器，其特征在于：摆杆(2)带动固定在长轴(7)左右两端的第二偏心凸轮(10)转动，通过两个第二偏心凸轮(10)转动引起框架(14)上下移动，第二弹性绳(112)上的应变光栅感知第二偏心凸轮(10)的偏心角度，从而得到摆杆(2)在XOZ平面转过的角度。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅全方位增敏倾角传感器，其特征在于：所述壳体包括左壳体(7)与右壳体(8)，底盘(6)、左壳体(7)与右壳体(8)由螺钉固定合在一起。

5.根据权利要求4所述的光纤光栅全方位增敏倾角传感器，其特征在于：所述摆杆(2)下方设有配重，底盘内设有固定件(15)，当该光纤光栅全方位增敏倾角传感器不使用时，固定件并与摆杆(2)底部的配重固定在一起。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅全方位增敏倾角传感器，其特征在于：所述第一偏心凸轮的两侧分别设置有定位件(113)，该定位件固定在转动架(3)上，且横向推杆(11)的两端分别穿过对应侧的定位件(113)。

7.根据权利要求1所述的光纤光栅全方位增敏倾角传感器，其特征在于：所述第二弹性绳(112)与框架(14)连接的一端以将框架的外缘包围的方式固定。