CN110411352A - 基于光纤弯曲损耗的位移监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光纤弯曲损耗的位移监测装置及方法，包括：位移采集转换组件、与所述位移采集转换组件输出端连接的测量组件以及根据所述测量组件的测量数据计算待测目标位移量的数据处理器，通过位移转换组件将待测目标的位移量转换为光纤弯曲损耗可测范围内的可测量，即将待测目标的大位移转换为光纤弯曲损耗量程范围内的小位移，从而实现通过测量光纤弯曲损耗和光纤弯曲损耗与待测目标位移的计算方法获得待测目标的位移量，从而实现对待测物体位移量的监测，本发明具有精度高、经济效益好；基于光纤弯曲损耗的同时，本监测装置能同时实现待测目标受拉力或压力相对反向的位移量的测量，突破了现有光纤位移传感器只能测量单方向位移的限制。

Description

基于光纤弯曲损耗的位移监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种传感器领域，尤其涉及一种基于光纤弯曲损耗的位移监测装置及方法。

背景技术

位移是结构健康监测领域最为重要的监测物理量之一，在土木工程和水利水电工程等重大结构中的裂缝和滑动等位移量监测中起着重要的作用。众所周知，过大的变形会引起结构的破坏或失稳，影响结构的正常运用，甚至引发安全事故。传统的位移传感器主要包括电阻式、电容式和电磁式等，这些传感器在实际应用中很容易受到电磁环境的干扰。相比之下，光纤位移传感器则具有抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、耐腐蚀、灵活性高、体积小等优点，适合应用于易燃易爆以及一些较恶劣的环境中，因此越来越受到研究人员的关注。但目前所报道的光纤位移传感器有基于光纤光栅的位移传感器、基于法布里-珀罗干涉仪的位移传感器和基于光纤迈克尔逊干涉仪的位移传感器等。但这些位移传感器的制备工艺比较复杂，并且通常采用波长调制的方式，需要使用价格比较昂贵的光谱仪进行解调，测试成本也比较高。

因此，亟需一种光强度调制型的光纤位移传感器作为一种廉价的传感解决方案。

发明内容

本发明提供一种灵敏度高、测量量程大且稳定可靠的基于光纤弯曲损耗的位移监测装置及其使用方法。

本发明提供一种基于光纤弯曲损耗的位移监测装置，其特征在于：包括：位移采集转换组件、与所述位移采集转换组件输出端连接的测量组件以及根据所述测量组件的测量数据计算待测目标位移量的数据处理器。

进一步，所述位移采集转换组件包括结构和尺寸均相同的第一测量臂和第二测量臂，所述第一测量臂和第二测量臂铰接形成X形结构，所述第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部作为测量输入端分别与待测目标固定连接，所述第一测量臂上端端部和第二测量臂上端端部作为测量输出端与所述测量组件固定连接，且第一测量臂下端端部到铰接点的臂长大于铰接点到第一测量臂上端端部的臂长，第二测量臂下端端部到铰接点的臂长与第一测量臂下端端部到铰接点的臂长相等，第二测量臂下端端部与第一测量臂下端端部连线的中垂线过铰接点。

进一步，所述测量组件包括光脉冲发射装置、光时域反射仪、裸光纤、支撑管Ⅰ和内侧壁套设于支撑管Ⅰ外侧壁且可滑动配合的支撑管Ⅱ，所述支撑管Ⅰ和支撑管Ⅱ为共圆心的劣弧型中空管，所述支撑管Ⅰ右端端部与第一测量臂上端端部固定连接，所述支撑管Ⅱ的左端端部与第二测量臂的上端端部固定连接，且第一测量臂靠近上端端部处设置有供支撑管Ⅱ沿所述支撑管Ⅱ轴向单自由度滑动的过孔；

所述裸光纤贯穿支撑管Ⅰ并与支撑Ⅰ的两端面固定连接，所述光脉冲发射装置经耦合器与所述裸光纤的一端连接，所述光时域反射仪与所述耦合器连接。

进一步，所述支撑管Ⅰ的左端端部沿支撑管Ⅰ的周向设置有限位环Ⅰ，所述支撑管Ⅱ的右端端部沿支撑管Ⅱ的周向设置有与限位环Ⅰ适形配合的限位环Ⅱ。

进一步，所述支撑管Ⅰ和支撑管Ⅱ的圆弧对应的半径尺寸需满足当限位环Ⅰ紧靠限位环Ⅱ时，支撑管Ⅰ和支撑管Ⅱ组成的圆弧所对应的半径小于所述裸光纤弯曲损耗的临界半径。

进一步，所述第一测量臂和第二测量臂沿测量臂长度方向依次对称等间距设置有至少两列铰接过孔。

相应的，本发明还提供一种基于光纤弯曲损耗的位移监测方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1：将权利要求1-6任一所述的基于光纤弯曲损耗的位移监测装置测量输入端与待测目标固定连接；

S2：光脉冲发射装置向裸光纤发射光脉冲信号，并通过光时域反射仪测量裸光纤的光功率损耗值L_c；

S3：所述处理器根据所述光功率损耗值计算待测目标的位移△L；

△L＝L-L′ (1)

其中，△L表示待测目标的位移量，L表示待测目标发生位移后监测装置第·测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离，L′表示监测装置第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间初始距离；

其中，第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离L通过如下方法确定；

当时，第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离L采用如下方法确定：

其中，L_c表示裸光纤的光功率损耗值，L表示第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离，A_c和U是与光纤种类以及光源工作状态相关的量，可通过准确的标定试验获得；a表示第一测量臂后端端部到铰接点的臂长；b表示铰接点到第一测量臂前端端部的臂长；θ表示第一测量臂和第二测量臂铰接形成两臂之间的角度，其中

当时，第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离L采用如下方法确定：

其中，L_c表示裸光纤的光功率损耗值，L表示第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离，A_c和U是与光纤种类以及光源工作状态相关的量，可通过准确的标定试验获得；a表示第一测量臂后端端部到铰接点的臂长；b表示铰接点到第一测量臂前端端部的臂长；θ表示第一测量臂和第二测量臂铰接形成两臂之间的角度，其中

本发明的有益技术效果：通过位移转换组件将待测目标的位移量转换为光纤弯曲损耗可测范围内的可测量，即将待测目标的大位移转换为光纤弯曲损耗量程范围内的小位移，从而实现通过测量光纤弯曲损耗和光纤弯曲损耗与待测目标位移的计算方法获得待测目标的位移量，从而实现对待测物体位移量的监测，本发明具有精度高、经济效益好；基于光纤弯曲损耗的同时，本监测装置能同时实现待测目标受拉力或压力相对反向的位移量的测量，突破了现有光纤位移传感器只能测量单方向位移的限制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明的内管限位环和外管限位环放大示意图。

图4为本发明的测量臂上铰接过孔放大示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：

本发明提供一种基于光纤弯曲损耗的位移监测装置，其特征在于：包括：位移采集转换组件、与所述位移采集转换组件输出端连接的测量组件以及根据所述测量组件的测量数据计算待测目标位移量的数据处理器，所述处理器采用现有的可编程芯片，如51系列芯片，本领域技术人员可根据实际需要进行选购，并根据芯片的使用说明采用现有的技术完成芯片主控程序的编写，在此不再赘述。

所述位移监测装置用于测量土木工程和水利水电工程等重大结构中，如土木建筑的边坡、基坑、梁体等结构在受拉力或压力的形变导致的裂缝和滑动导致的位移。

通过位移转换组件将待测目标的位移量转换为光纤弯曲损耗可测范围内的可测量，即将待测目标的大位移转换为光纤弯曲损耗量程范围内的小位移，从而实现通过测量光纤弯曲损耗和光纤弯曲损耗与待测目标位移的计算方法获得待测目标的位移量，从而实现对待测物体位移量的监测，本发明具有精度高、经济效益好；基于光纤弯曲损耗的同时，本监测装置能同时实现待测目标受拉力或压力相对反向的位移量的测量，突破了现有光纤位移传感器只能测量单方向位移的限制。

在本实施例中，如图2所示，所述位移采集转换组件包括结构和尺寸均相同的第一测量臂1和第二测量臂2，所述第一测量臂1和第二测量臂2铰接形成X形结构，所述第一测量臂1下端端部和第二测量臂2下端端部分别与待测目标固定连接，所述第一测量臂1上端端部和第二测量2臂上端端部与所述测量组件固定连接，所述上端和下端均为图2所示的上端和下端，所示监测装置靠近待测目标的一端为下端，远离待测目标的一端为上端，且第一测量臂下端端部到铰接点的臂长大于铰接点到第一测量臂上端端部的臂长，第二测量臂下端端部到铰接点的臂长与第一测量臂下端端部到铰接点的臂长相等，第二测量臂下端端部与第一测量臂下端端部连线的中垂线过铰接点。

通过第一测量臂1和第二测量臂2完全对称的结构设置使监测装置的第一测量臂和第二测量臂受力均匀、对称，保证位移在传递转换过程中的有效性，增强位移传递转换精度，并能提高装置的初始灵敏度，即使位移感知组件的微小形变都能传递至输出端。

在本实施例中，所述测量组件包括光脉冲发射装置、光时域反射仪、裸光纤5、支撑管Ⅰ3和内侧壁套设于支撑管Ⅰ外侧壁且可滑动配合的支撑管Ⅱ4，所述支撑管Ⅰ3和支撑管Ⅱ4为共圆心的劣弧型中空管，所述支撑管Ⅰ3右端端部与第一测量臂1上端端部固定连接，所述支撑管Ⅱ4的左端端部与第二测量臂2的上端端部固定连接，且第一测量臂1靠近上端端部处设置有供支撑管Ⅱ4沿所述支撑管Ⅱ4轴向单自由度滑动的左右滑动的过孔6；

所述裸光纤5贯穿支撑管Ⅰ3并与支撑Ⅰ3的两端面固定连接，所述光脉冲发射装置经耦合器与所述裸光纤的一端连接，所述光时域反射仪与所述耦合器连接。

通过上述技术方案，可将位移采集转换组件的输出端的位移应变转换为光纤的弯曲损耗，通过光时域反射仪进行测量。光纤一米的价格在2元左右，但是光纤光栅的一米的价格为70-80元，光纤弯曲损耗的监测装置较光纤光栅的位移监测装置的成本低廉，本发明提供的设备经济效益更高。通过第一测量臂和第二测量臂铰接，将第一测量臂和第二测量臂下端端部之间的位移形变转换第一测量臂和第二测量臂上端端部之间为支撑管Ⅰ和支撑管Ⅱ的相对位移，即转换为支撑管Ⅰ和支撑管Ⅱ组成的圆弧的弧长，从而通过光时域反射仪监测裸光纤的弯曲损耗，从而精确测量裸光纤的损耗功率。

在本实施例中，所述支撑管Ⅰ3的左端端部沿支撑管Ⅰ3的周向设置有限位环Ⅰ3.1，所述支撑管Ⅱ4的右端端部沿支撑管Ⅱ4的周向设置有与限位环Ⅰ3.1适形配合的限位环Ⅱ4.1。

通过限位环Ⅰ3.1和限位环Ⅱ4.1的设置，在监测装置受拉力，当待测目标的位移形变处于监测装置的最大量程时，避免支撑管Ⅰ3和支撑管Ⅱ4分离，从而实现支撑管Ⅰ3和支撑管Ⅱ4的左右往复滑动。

在本实施例中，如图3所示，所述支撑管Ⅰ3和支撑管Ⅱ4的圆弧对应的半径尺寸需满足当限位环Ⅰ3.1紧靠限位环Ⅱ4.1时，支撑管Ⅰ3和支撑管Ⅱ4组成的圆弧所对应的半径小于所述裸光纤弯曲损耗的临界半径。

上述技术方案是为了增强本发明提供的监测装置在额定的量程范围的测量精度，众所周知，若光纤的弯曲半径大于光纤弯曲损耗的临界半径即认为光纤的弯曲损耗忽略不计，故，为了本发明提供的监测装置的全量程范围内的精确度，需在本发明提供的监测装置的在受拉力引起的位移变化的达到最大量程时，仍能精确测量，提高监测装置的精确度和稳定性。

在本实施例中，如图4所示，所述第一测量臂1和第二测量臂2沿测量臂长度方向依次对称等间距设置有至少两列铰接过孔7。两列铰接过孔的设置，使监测装置可以根据需要调节测量臂顶端到铰接点的臂长，从而实现测量量程的可调。

在本实施例中，所述监测装置还包括显示装置，所述显示装置的输入端与所述处理器的输出端连接。所述显示装置采用现有的触控显示屏，本领域技术人员可根据实际需要选用适合的触控显示屏，如LED触控显示屏。

在本实施例中，所述监测装置还包括储存器，所述输出器与处理器通信连接。所述存储器采用现有的存储器，本领域技术人员可根据实际需要选用合适的存储器。

在本实施例中，所述监测装置还包括通信单元，所述通信单元与所述处理器通信连接，用于与上位监控主句通信连接，从而实现位移监测装置的远程实时监控。

相应的本发明还提供一种基于光纤弯曲损耗的位移监测方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1：将权利要求1-6任一所述的基于光纤弯曲损耗的位移监测装置的下端端部与待测目标固定连接；

S2：光脉冲发射装置向裸光纤发射光脉冲信号，并通过光时域反射仪测量裸光纤的光功率损耗值L_c；

S3：所述处理器根据所述光功率损耗值计算待测目标的位移△L；

△L＝L-L′ (1)

其中，△L表示待测目标的位移量，L表示待测目标发生位移后监测装置第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离，L′表示监测装置第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间初始距离；

其中，第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离L通过如下方法确定；

当时，第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离L采用如下方法确定：

其中，L_c表示裸光纤的光功率损耗值，L表示第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离，A_c和U是与光纤种类以及光源工作状态相关的量，可通过准确的标定试验获得；a表示第一测量臂后端端部到铰接点的臂长；b表示铰接点到第一测量臂前端端部的臂长；θ表示第一测量臂和第二测量臂铰接形成两臂之间的角度，其中

当时，第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离L采用如下方法确定：

其中，L_c表示裸光纤的光功率损耗值，L表示第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离，A_c和U是与光纤种类以及光源工作状态相关的量，可通过准确的标定试验获得；a表示第一测量臂后端端部到铰接点的臂长；b表示铰接点到第一测量臂前端端部的臂长；θ表示第一测量臂和第二测量臂铰接形成两臂之间的角度，其中

通过上述方法，可快速准确的确定待测目标的位移量，通过与本发明提供的监测装置的配合使用，可实时监测待测目标的位移量。

最下说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于光纤弯曲损耗的位移监测装置，其特征在于：包括：位移采集转换组件、与所述位移采集转换组件输出端连接的测量组件以及根据所述测量组件的测量数据计算待测目标位移量的数据处理器。

2.根据权利要求1所述基于光纤弯曲损耗的位移监测装置，其特征在于：所述位移采集转换组件包括结构和尺寸均相同的第一测量臂和第二测量臂，所述第一测量臂和第二测量臂铰接形成X形结构，所述第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部作为测量输入端分别与待测目标固定连接，所述第一测量臂上端端部和第二测量臂上端端部作为测量输出端与所述测量组件固定连接，且第一测量臂下端端部到铰接点的臂长大于铰接点到第一测量臂上端端部的臂长，第二测量臂下端端部到铰接点的臂长与第一测量臂下端端部到铰接点的臂长相等，第二测量臂下端端部与第一测量臂下端端部连线的中垂线过铰接点。

3.根据权利要求1所述基于光纤弯曲损耗的位移监测装置，其特征在于：所述测量组件包括光脉冲发射装置、光时域反射仪、裸光纤、支撑管Ⅰ和内侧壁套设于支撑管Ⅰ外侧壁且可滑动配合的支撑管Ⅱ，所述支撑管Ⅰ和支撑管Ⅱ为共圆心的劣弧型中空管，所述支撑管Ⅰ右端端部与第一测量臂上端端部固定连接，所述支撑管Ⅱ的左端端部与第二测量臂的上端端部固定连接，且第一测量臂靠近上端端部处设置有供支撑管Ⅱ沿所述支撑管Ⅱ轴向单自由度滑动的过孔；

所述裸光纤贯穿支撑管Ⅰ并与支撑Ⅰ的两端面固定连接，所述光脉冲发射装置经耦合器与所述裸光纤的一端连接，所述光时域反射仪与所述耦合器连接。

4.根据权利要求3所述基于光纤弯曲损耗的位移监测装置，其特征在于：所述支撑管Ⅰ的左端端部沿支撑管Ⅰ的周向设置有限位环Ⅰ，所述支撑管Ⅱ的右端端部沿支撑管Ⅱ的周向设置有与限位环Ⅰ适形配合的限位环Ⅱ。

5.根据权利要求4所述基于光纤弯曲损耗的位移监测装置，其特征在于：所述支撑管Ⅰ和支撑管Ⅱ的圆弧对应的半径尺寸需满足当限位环Ⅰ紧靠限位环Ⅱ时，支撑管Ⅰ和支撑管Ⅱ组成的圆弧所对应的半径小于所述裸光纤弯曲损耗的临界半径。

6.根据权利要求2所述基于光纤弯曲损耗的位移监测装置，其特征在于：所述第一测量臂和第二测量臂沿测量臂长度方向依次对称等间距设置有至少两列铰接过孔。

7.一种基于光纤弯曲损耗的位移监测方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1：将权利要求1-6任一所述的基于光纤弯曲损耗的位移监测装置测量输入端与待测目标固定连接；

S2：光脉冲发射装置向裸光纤发射光脉冲信号，并通过光时域反射仪测量裸光纤的光功率损耗值L_c；

S3：所述处理器根据所述光功率损耗值计算待测目标的位移△L；

△L＝L-L′ (1)

其中，△L表示待测目标的位移量，L表示待测目标发生位移后监测装置第·测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离，L′表示监测装置第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间初始距离；

其中，第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离L通过如下方法确定；

当时，第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离L采用如下方法确定：

其中，L_c表示裸光纤的光功率损耗值，L表示第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离，A_c和U是与光纤种类以及光源工作状态相关的量，可通过准确的标定试验获得；a表示第一测量臂后端端部到铰接点的臂长；b表示铰接点到第一测量臂前端端部的臂长；θ表示第一测量臂和第二测量臂铰接形成两臂之间的角度，其中

当时，第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离L采用如下方法确定：

其中，L_c表示裸光纤的光功率损耗值，L表示第一测量臂下端端部和第二测量臂下端端部之间的实时距离，A_c和U是与光纤种类以及光源工作状态相关的量，可通过准确的标定试验获得；a表示第一测量臂后端端部到铰接点的臂长；b表示铰接点到第一测量臂前端端部的臂长；θ表示第一测量臂和第二测量臂铰接形成两臂之间的角度，其中