CN110081839A - 一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，包括：质量块、方形凸台、箱体、凸轮、箱盖、封盖、限位挡板；箱体的内部设置有两个大小相等的方形凸台，箱体的外部纵向两侧均开设有光纤出入孔；箱盖与箱体之间通过螺钉连接形成一个封闭的空间，箱盖的下表面设置有一个限位挡板；凸轮由传动杆支撑后位于两个方形凸台之间的中间位置；螺纹杆的一端与质量块连接，另一端与传动杆连接且将二者结合为一体；封盖位于箱体外部的上下两端，封盖对传动杆两端进行轴向固定。本发明具有结构简单、灵敏度与量程均可调、温度自补偿等优点，能够实现大量程、稳定、准确、高灵敏度的倾角测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感器及倾角测量技术领域，具体涉及一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器。
背景技术
传感器作为监测系统的感知部分，处于十分重要的地位，多年来一直是各国竞相研发、应用的热点。目前，倾角传感器在工程实际中的应用非常广泛，各种大型土木工程诸如大厦、桥梁、斜坡和隧道都要经常使用倾角传感器来监测它们的倾斜情况，另外也可以将其应用在飞行器的电子罗盘、水平平台的静态自矫正以及肢体运动姿态检测等实际领域。
传统的倾角传感器大多数是以电磁效应、电容效应等为基本原理，虽然在测量时可达到较高的精度与分辨率，但这种弱电式传感器存在抗电磁干扰性能差、受温度影响较大、测量距离近的缺陷，且在连续性、实时性和测量灵敏度等方面也越来越难以满足当前的监测要求，这无疑给基础工程测量带来了极大的不便。
光纤光栅具有测量灵敏度高、抗电磁干扰、信号传输距离远、耐腐蚀的优点，可远程对建筑物的结构进行长期的健康监测，非常适合用于隧道、边坡等野外恶劣环境中的实时监测。
然而，现有的光纤光栅倾角传感器，主要采用将光纤光栅直接粘贴于悬臂摆的梁表面的技术方案，在实际应用时，存在下列问题：包括可测量范围小、灵敏度不高、易受温度影响且温度不能自补偿、产品体积大、盒内光纤不易盘纤、量程与灵敏度不能根据实际需求进行调整等问题；不利于长期精准监测。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，具有结构简单、灵敏度与量程均可调、温度自补偿等优点，能够实现大量程、稳定、准确、高灵敏度的倾角测量。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，包括：质量块、第一光纤光栅、方形凸台、箱体、凸轮、第二光纤光栅、传动杆、螺纹杆、箱盖、封盖、限位挡板、粘合剂；所述箱体的内部设置有两个大小相等的方形凸台，箱体的外部纵向两侧均开设有光纤出入孔；所述箱盖与箱体之间通过螺钉连接形成一个封闭的空间，箱盖的下表面设置有一个限位挡板；所述凸轮由传动杆支撑后位于两个方形凸台之间的中间位置；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅通过粘合剂固定在方形凸台的表面上；所述螺纹杆的一端与质量块连接，另一端与传动杆连接且将二者结合为一体；所述封盖位于箱体外部的上下两端，封盖对传动杆两端进行轴向固定，防止在轴向发生滑动而影响测量精度。
优选地，所述凸轮主要由两部分组成，包括上半部分和下半部分；所述上半部分是标准的半圆形，所述下半部分的圆弧轮廓左右对称，从上半部分和下半部分的临界点处开始，圆弧轮廓上任意一点与凸轮圆心的连线的长度，随着该连线与上半部分标准半圆形的底部直径线的夹角的锐角角度的增大而线性增大，该锐角角度从0°开始直至90°结束。
优选地，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅对称布置在凸轮的两侧，其栅区位于凸轮和方形凸台之间，且第一光纤光栅和第二光纤光栅均与凸轮的上半部分和下半部分的临界点处相切。当有倾斜作用于传感器时，质量块随倾角摆动，带动传动杆转动，进而带动凸轮摆动，凸轮的下半部分会将其中一个光纤光栅顶起而使该光纤光栅被拉伸，而另一个光纤光栅会沿着标准的半圆弧移动而不受倾角变化的影响，作为被拉伸光纤光栅的温度补偿，将两个光纤光栅的波长漂移量的差值作为传感器的输出信号，从而达到温度自补偿的效果。
优选地，根据凸轮的厚度或两个方形凸台之间的距离大小可以满足实际测量应用中不同灵敏度、精度及量程的需求，且保证光栅不被拉断。
优选地，所述限位挡板用于使质量块的摆动角度限制在±900内。
优选地，所述凸轮的中心设有圆心孔，所述传动杆通过过盈配合的方式穿过凸轮的圆心孔，传动杆的两端由自润滑轴承进行径向限定。
优选地，所述质量块的顶部中心位置设置有一个螺纹孔，由螺纹杆将质量块和传动杆连接起来。所述螺纹杆作为质量块与圆柱传动杆的连接件，当传感器发生倾斜时，则质量块因倾斜就会发生摆动，所述螺纹杆通过传动杆将质量块产生的倾斜摆动精确、等量的传递给凸轮，保证了测量精度和灵敏度。
优选地，所述箱体与方形凸台是一体化结构。
优选地，所述方形凸台以凸轮为中心对称分布在两边；所述第一光纤光栅与第二光纤光栅对称相切于凸轮的两侧；通过箱体两侧的出纤孔将光纤光栅进行预拉伸，将预拉伸后的光纤光栅粘贴在方形凸台的表面上。
优选地，所述凸轮两侧与光纤光栅相切的地方设有倒圆角，用于防止割伤光纤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)可实现温度自补偿。该传感器采用的是凸轮结构，且两个光纤光栅对称分布在两侧，当一侧的光栅被拉伸时，则另一侧的光栅就会在半径不变的半圆弧上移动，并作为被拉伸光栅的温度补偿，采用两个光纤光栅波长漂移的差分输出即可消除温度和应变交叉敏感的问题，从而能适应复杂多变的外界环境。
(2)量程大、测量精度高。由结构设计可知，本光纤光栅倾角传感器量程可达到-90°到90°，可满足土木工程大型结构倾角量程方面的要求。将该传感器测量得到的倾斜值通过相关的计算公式来算出变形值，且本发明的传感器可以在实验室开展倾角标定测试，可实现对倾斜值精准的测量。
(3)布置方式多样、适用范围广。本发明是密封盒式设计，既可直接布置于所需监测部位，亦可以预埋于预制构件中，可提高传感器在施工检测中的存活率。
(4)本发明采用的是光信号传输，不受自然界电磁干扰影响；可实现远程实时在线监测，极大的克服了传统电信号测量倾角的仪器极易受到电磁干扰的影响。
(5)通过增加质量块的重量或改变凸轮的厚度可以有效的调节测量的准确度和精度，从而满足不同环境下的测量需求。
附图说明
图1是本发明所提供的一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器的平面结构示意图。
图2是本发明所提供的一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器的剖面结构示意图。
图3是本发明所提供的一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器的立体结构示意图。
图4是本发明所提供的一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器中凸轮的立体结构示意图。
图5是本发明所提供的一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器中凸轮的平面结构示意图。
附图标记说明：1、质量块；2、第一光纤光栅；3、方形凸台；4、箱体；5、凸轮；6、第二光纤光栅；7、传动杆；8、螺纹杆；9、箱盖；10、封盖；11、限位挡板；12、粘合剂；5-1、上半部分；5-2、下半部分。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1-图3所示，本发明公开了一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，包括：质量块1、第一光纤光栅2、方形凸台3、箱体4、凸轮5、第二光纤光栅6、传动杆7、螺纹杆8、箱盖9、封盖10、限位挡板11、粘合剂12；所述箱体4的内部设置有两个大小相等的方形凸台3，箱体4的外部纵向两侧均开设有光纤出入孔；所述箱盖9与箱体4之间通过螺钉连接形成一个封闭的空间，箱盖9的下表面设置有一个限位挡板11；所述凸轮5由传动杆7支撑后位于两个方形凸台3之间的中间位置；所述第一光纤光栅2和第二光纤光栅6通过粘合剂12固定在方形凸台3的表面上；所述螺纹杆8的一端与质量块1连接，另一端与传动杆7连接且将二者结合为一体；所述封盖10位于箱体4外部的上下两端，封盖10对传动杆7两端进行轴向固定，防止在轴向发生滑动而影响测量精度。
具体地，如图4和图5所示，所述凸轮5主要由两部分组成，包括上半部分5-1和下半部分5-2；所述上半部分5-1是标准的半圆形，所述下半部分5-2的圆弧轮廓左右对称，从上半部分5-1和下半部分5-2的临界点处开始，圆弧轮廓上任意一点与凸轮5圆心的连线的长度，随着该连线与上半部分5-1标准半圆形的底部直径线的夹角的锐角角度的增大而线性增大，该锐角角度从0°开始直至90°结束。
具体地，所述第一光纤光栅2和第二光纤光栅6对称布置在凸轮5的两侧，其栅区位于凸轮5和方形凸台3之间，且第一光纤光栅2和第二光纤光栅6均与凸轮5的上半部分5-1和下半部分5-2的临界点处相切。
具体地，根据凸轮5的厚度或两个方形凸台3之间的距离大小可以满足实际测量应用中不同灵敏度、精度及量程的需求，且保证光栅不被拉断。
具体地，所述限位挡板11用于使质量块1的摆动角度限制在±900内。
具体地，所述凸轮5的中心设有圆心孔，所述传动杆7通过过盈配合的方式穿过凸轮5的圆心孔，传动杆7的两端由自润滑轴承进行径向限定。
具体地，所述质量块1的顶部中心位置设置有一个螺纹孔，由螺纹杆8将质量块1和传动杆7连接起来。
具体地，所述箱体4与方形凸台3是一体化结构。
具体地，所述方形凸台3以凸轮5为中心对称分布在两边；所述第一光纤光栅2与第二光纤光栅6对称相切于凸轮5的两侧；通过箱体4两侧的出纤孔将光纤光栅进行预拉伸，将预拉伸后的光纤光栅粘贴在方形凸台3的表面上。
具体地，所述凸轮5两侧与光纤光栅相切的地方设有倒圆角，用于防止割伤光纤。
实施例
一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，如图1所示，包括:箱体4、箱盖9、凸轮5、封盖10、传动杆7、质量块1和螺纹杆8；其中凸轮5的两侧与对称放置的光纤光栅紧密相切，且在布置光栅位置时，将两侧相切地方倒圆角，以防割伤光纤；箱盖9与箱体4之间通过螺钉连接将传感器形成一个密闭的空间，在箱盖9下表面还设置有限位挡板11，防止质量块1因受力摆动过大而将光纤拉断；封盖10位于箱体4的两端，对传动杆7进行轴向固定，同时在质量块1摆动时，可以防止自润滑轴承脱落；需要说明的是：螺纹杆8是质量块1与传动杆7的连接件，还是等量传递质量块1分力的重要元件，通过改变螺纹杆8的长度，即可改变凸轮5的受力情况，进而影响传感器的测量范围与精度。
本实施例中，在箱体4的内部设置有两个大小相等的方形凸台3，且以凸轮5为中心对称分布在两边；箱体4两侧开有4个与凸轮5两侧同心的螺纹出纤孔，当第一光纤光栅2与第二光纤光栅6对称相切于凸轮5两侧时，通过箱体4两侧的出纤孔将光纤光栅进行预拉伸，最后用专用胶将预拉伸后的光纤粘贴在方形凸台3的表面上；作为一种优选，第一光纤光栅2、第二光纤光栅6、方形凸台3和出纤螺纹孔都在同一中心直线上。
在具体实施时，为实现各部件的配合连接，可以在各部件上开设或者设置相应的连接件；例如螺纹杆8，传动杆7接近尾端的位置开设有与质量块1顶部中心的螺纹孔中心一致的螺纹，螺纹杆8通过螺纹连接将质量块1和传动杆7结合为一体，并实现对三者相应位置的固定；箱盖9下表面所设置的限位挡板11与质量块1的位置是垂直关系，当质量块1因受力摆动到最大的量程时，就会被限位挡板11所挡住，从而保证光纤不被拉断。
具体使用时，将本发明传感器竖直地固定于被测结构上，当结构倾角发生变化时，传感器也发生相同的倾斜角度的变化，此时质量块1因重力的作用而发生摆动，则螺纹杆8将质量块1的分力等量传递到凸轮5上，这样就会使得凸轮5因不同的倾角产生不同的摆动，而粘贴在箱体4内部2个方形凸台3表面固定位置上的第一光纤光栅2和第二光纤光栅6会因为凸轮5不同的摆动而产生不同的径向伸缩，从而导致光纤光栅的中心波长发生漂移，根据中心波长的变化与倾角的对应关系即可检测出倾角的大小和方向。
本发明的工作原理如下：将本发明传感器竖直地固定于被测结构上，传感器在初始状态下，质量块1只受重力作用，垂直于水平面，凸轮5处于不受力状态。当传感器自身存在一个倾角时，由于质量块1自身重力产生的分力，且质量块1和凸轮5是结为一体，则受到分力作用的凸轮5就会发生摆动；由于该凸轮5由两部分组成，上半部分5-1是标准的半圆形，下半部分5-2的圆弧轮廓左右对称，从上半部分5-1和下半部分5-2的临界点处开始，圆弧轮廓上任意一点与凸轮5圆心的连线的长度，随着该连线与上半部分5-1标准半圆形的底部直径线的夹角的锐角角度的增大而线性增大，该锐角角度从0°开始直至90°结束；凸轮5由传动杆7穿过凸轮5的圆心孔而支撑后位于两个方形凸台3之间中间位置，且在两侧的垂直方向上相切有2个光纤光栅；当一侧光栅被拉伸时，则另一侧光栅就会在半径不变的半圆弧上移动，并作为被拉伸光栅的温度补偿，导致光栅的中心波长发生偏移，通过检测光纤光栅中心波长的变化量，就可以测出被测结构的倾斜角度变化，这种新型的光纤光栅倾角传感器具有很好的线性关系。
本发明的测量原理如下：
对于初始中心波长为λ的光纤光栅，其波长的漂移量Δλ与其所受到的轴向应变Δε和所处的环境温度变化ΔT之间的关系为：
其中αf为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数，Pe为光纤的有效弹光系数，常温时Pe约等于0.22。已知光纤初始一半的长度为L，受力后的光纤长度为L′，则变换的关系式为：
凸轮5在径向最大的行程为S，其与被测结构偏离竖直平面的倾斜角度θ之间的关系为：
上式中的参数如图5所示。
光纤形变后的长度L′表达式为：
光纤受力产生应变结合公式(1、2、3、4)可得：
由于本次传感器采用的是凸轮结构，且两个光纤光栅对称分布在两侧，当一侧的光栅被拉伸时，则另一侧的光栅就会在半径不变的半圆弧上移动，并作为被拉伸光栅的温度补偿，利用差动法即可消除温度和应变交叉敏感的问题，且温度自补偿后的光纤布拉格光栅波长偏移量之差Δλ可表示为:
根据上述式(6)可算出FBG1与FBG2波长漂移差为：
Δλ1-2＝Δλ1-Δλ2＝(1-Pe)λΔε (7)
由此可得倾角θ与FBG波长漂移量Δλ1-2之间的关系：
由上述方程得到倾角θ与波长变化Δλ1-2的理论关系，且式中的L是光纤长度的一半，作为已知值；通过对光纤光栅倾角传感器的波长变化进行解调，可得到凸轮5结构的倾角变化值，实现被测结构倾斜的实时在线监测。
本实施例的优点是，它能够克服温度串扰问题，其测量结果不受温度影响。由于光纤光栅的反射波长也依赖于温度，若通过监测单个光纤光栅的反射波长变化情况来确定被测信息，测量结果不可避免地受到温度影响，且环境温度变化也会引起测量误差。在本实施例中，被测信息是通过监测两个光纤光栅的反射波长之差来确定的，由于温度变化引起两个光纤光栅产生的波长变化量，其波长之差只依赖于倾斜角度，是与温度无关的。因此，本实施例的测量结果不受温度影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，其特征在于：包括：质量块(1)、第一光纤光栅(2)、方形凸台(3)、箱体(4)、凸轮(5)、第二光纤光栅(6)、传动杆(7)、螺纹杆(8)、箱盖(9)、封盖(10)、限位挡板(11)、粘合剂(12)；所述箱体(4)的内部设置有两个大小相等的方形凸台(3)，箱体(4)的外部纵向两侧均开设有光纤出入孔；所述箱盖(9)与箱体(4)之间通过螺钉连接形成一个封闭的空间，箱盖(9)的下表面设置有一个限位挡板(11)；所述凸轮(5)由传动杆(7)支撑后位于两个方形凸台(3)之间的中间位置；所述第一光纤光栅(2)和第二光纤光栅(6)通过粘合剂(12)固定在方形凸台(3)的表面上；所述螺纹杆(8)的一端与质量块(1)连接，另一端与传动杆(7)连接且将二者结合为一体；所述封盖(10)位于箱体(4)外部的上下两端，封盖(10)对传动杆(7)两端进行轴向固定，防止在轴向发生滑动而影响测量精度。
2.根据权利要求1所述的一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，其特征在于：所述凸轮(5)主要由两部分组成，包括上半部分(5-1)和下半部分(5-2)；所述上半部分(5-1)是标准的半圆形，所述下半部分(5-2)的圆弧轮廓左右对称，从上半部分(5-1)和下半部分(5-2)的临界点处开始，圆弧轮廓上任意一点与凸轮(5)圆心的连线的长度，随着该连线与上半部分(5-1)标准半圆形的底部直径线的夹角的锐角角度的增大而线性增大，该锐角角度从0°开始直至90°结束。
3.根据权利要求2所述的一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅(2)和第二光纤光栅(6)对称布置在凸轮(5)的两侧，其栅区位于凸轮(5)和方形凸台(3)之间，且第一光纤光栅(2)和第二光纤光栅(6)均与凸轮(5)的上半部分(5-1)和下半部分(5-2)的临界点处相切。
4.根据权利要求1所述的一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，其特征在于：根据凸轮(5)的厚度或两个方形凸台(3)之间的距离大小可以满足实际测量应用中不同灵敏度、精度及量程的需求，且保证光栅不被拉断。
5.根据权利要求1所述的一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，其特征在于：所述限位挡板(11)用于使质量块(1)的摆动角度限制在±900内。
6.根据权利要求1所述的一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，其特征在于：所述凸轮(5)的中心设有圆心孔，所述传动杆(7)通过过盈配合的方式穿过凸轮(5)的圆心孔，传动杆(7)的两端由自润滑轴承进行径向限定。
7.根据权利要求1所述的一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，其特征在于：所述质量块(1)的顶部中心位置设置有一个螺纹孔，由螺纹杆(8)将质量块(1)和传动杆(7)连接起来。
8.根据权利要求1所述的一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，其特征在于：所述箱体(4)与方形凸台(3)是一体化结构。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，其特征在于：所述方形凸台(3)以凸轮(5)为中心对称分布在两边；所述第一光纤光栅(2)与第二光纤光栅(6)对称相切于凸轮(5)的两侧；通过箱体(4)两侧的出纤孔将光纤光栅进行预拉伸，将预拉伸后的光纤光栅粘贴在方形凸台(3)的表面上。
10.根据权利要求9所述的一种凸轮结构的光纤光栅大量程倾角传感器，其特征在于：所述凸轮(5)两侧与光纤光栅相切的地方设有倒圆角，用于防止割伤光纤。
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