CN110411354B - 光纤光栅宽量程位移监测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本专利提供一种光纤光栅宽量程位移监测装置及系统，包括：壳体和设置于壳体内的光纤光栅位移测量组件，所述光纤光栅位移测量组件包括输入端与待测目标固定连接的位移感知组件、输入端与所述位移感知组件的输出端连接的位移转换组件、输入端与位移转换组件输出端连接的位移测量组件，利用转换组件将通过应变采集传递组件将待测目标的实时位移转换为光纤光栅测量量程范围内的可测位移，将所述可测位移转换为光纤光栅的波长漂移量，通过光谱仪测量光纤布拉格光栅的波长，根据波长漂移量计算待测目标位移量，从而实现以光纤光栅的可测量量程测量待测目标的实时应变，达到提高光纤光栅的测量量程的有益技术效果。

Description

光纤光栅宽量程位移监测装置及系统

技术领域

本发明涉及一种工程量具领域，尤其涉及一种光纤光栅宽量程位移监测装置及系统。

背景技术

位移测量在工程领域中是相当常见和必要的，但传统的测量方法主要存在监测效率低、测量成本较高、自动化程度低且测量精度较低等缺点。光纤光栅作为一种可以“传”与“感”的新型材料，主要是利用纤芯材料的光敏特性，采用某种方式将相干场图样写进纤芯内，使纤芯的折射率沿轴向发生周期性的变化，从而形成光纤光栅。光纤光栅利用光作为传输介质，具有插入损耗低、质量轻、体积小、抗电磁干扰能力强、耐高温、耐腐蚀等特性广泛应用于传感器领域。光纤光栅位移传感器与其他传统类型的位移传感器相比，具有测量精度高，耐腐蚀、抗电磁干扰、易于搭建系统的优点，但现有光纤光栅传感器监测量程仅为±3000με，测量量程小，换言之，大量程光纤光栅是光纤光栅测量位移的技术难点。

因此，亟需一种基于光纤光栅的大量程位移监测装置以解决光纤光栅测量量程小的问题。

发明内容

本发明提供一种光纤光栅宽量程光纤光栅监测装置，该装置结构简单、精度较高、测量范围较大且布设方便，通过转换待测结构体的实时位移信息为光纤光栅传感器高精度测量的应变信息，可提高光纤光栅传感器的位移测量范围。

本发明提供一种光纤光栅宽量程位移监测装置，其特征在于：包括：壳体和设置于壳体内的光纤光栅位移测量组件，所述光纤光栅位移测量组件包括输入端与待测目标固定连接的位移感知组件、输入端与所述位移感知组件的输出端连接的位移转换组件和输入端与位移转换组件输出端连接的位移测量组件；

所述位移转换组件包括横杆、弹片、第一转换组件和第二转换组件；

所述第一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，所述横杆包括结构和尺寸均相同的上横杆和下横杆，所述上横杆和下横杆铰接，所述上横杆非铰接端与第一测量臂的前端端部铰接，所述下横杆非铰接端与第二测量臂前端端部铰接，所述上横杆和下横杆的铰接点作为第一转换组件的输入端与位移感知组件铰接，所述第一测量臂与横杆铰接的一端到第一转换组件铰接点的臂长长度大于第一转换组件铰接点到第一测量臂另一端端部的臂长长度，所述第二测量臂与横杆铰接的一端到第一转换组件铰接点的臂长长度与第一测量臂与横杆铰接的一端到第一转换组件铰接点的臂长长度相等，且第一测量臂前端顶部和第二测量臂前端顶部连线的中垂线过第一转换组件的铰接点；

所述第二转换组件的结构与第一转换组件的结构相同，所述第二转换组件的输入端与所述第一转换组件的输出端连接，第二转换组件包括第三测量臂和第四测量臂，所述第三测量臂的前端端部与第一测量臂的后端端部铰接，所述第四测量臂的前端端部与第二测量臂的后端端部铰接，所述第三测量臂与第一测量臂的后端端部的铰接点到第二转换组件铰接点的臂长长度大于第二转换组件铰接点到第三测量臂另一端端部的臂长长度，所述第四测量臂与第二测量臂的后端端部铰接点到第二转换组件铰接点的臂长长度与第三测量臂与第一测量臂的后端端部铰接点到第二转换组件铰接点的臂长长度相等，且第三测量臂后端端部和第四测量臂后端端部连线的中垂线过第二转换组件的铰接点；

所述弹片宽边方向的两端分别与第四测量臂后端端部和第三测量臂后端端部固定连接；

且第一转换组件铰接点、第二转换组件铰接点、横杆铰接点和弹片两端连线的中点位于同一条直线上。

进一步，所述位移测量组件包括光纤光栅Ⅰ、光纤光栅Ⅱ、光纤、带宽光源、光谱仪和耦合器，所述光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ对称设置在弹片的两侧，且光纤光栅Ⅰ的中垂线过第二转换组件的铰接点，所述光纤光栅Ⅰ的一端经光纤与光纤光栅Ⅱ串联，光纤光栅Ⅰ的另一端经光纤与耦合器连接，所述带宽光源经光纤与耦合器连接，所述光谱仪经光纤与耦合器连接。

进一步，所述位移感知组件为悬臂，所述悬臂一端与横杆的中点固定连接，所述悬臂另一端贯穿所述壳体与待测目标固定连接。

进一步，所述悬臂外侧壁套设有滑动轴承，所述滑动轴承设置于悬臂贯穿壳体的过孔处，并与过孔固定连接。

进一步，所述光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ使用相同的光纤制作而成且二者的中心波长不同。

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，本发明还提供一种光纤光栅宽量程位移检测系统，其特征在于：包括权利要求1-6任一所述的监测装置和根据监测装置的光纤光栅波长漂移量计算待测目标位移的处理器，所述处理器与监测装置的光谱仪的输出端连接；

所述处理器按照如下方法计算待测目标的位移△l：

其中，Δl表示测量目标的位移，L₁表示第一测量臂前端端部到第一转换组件的铰接点的臂长长度，L₂表示第一测量臂后端端部到第一转换组件的铰接点的臂长长度，L₃表示第三测量臂前端端部到第二转换组件的铰接点的臂长长度，L₄表示第三测量臂后端端部到第二转换组件的铰接点的臂长长度，w表示弹片未受力的初始长度，Δw表示弹片受力后的形变量；

其中，弹片形变量Δw采用如下方法计算：

Δw＝Δεw (2)

其中，Δw表示弹片受力后的形变量，Δε表示计算出的光纤光栅发生的应变；w表示弹片未受力的初始长度；

其中，光纤光栅发生的应变Δε采用如下方法计算：

其中，Δλ表示光纤光栅波长变化值；λ表示光纤光栅初始波长值；K_ε表示光纤光栅的应变灵敏系数。

本发明的有益技术效果：利用转换组件将通过应变采集传递组件将待测目标的实时位移转换为光纤光栅测量量程范围内的可测位移，将所述可测位移转换为光纤光栅的波长漂移量，通过光谱仪测量光纤布拉格光栅的波长，根据波长漂移量计算待测目标位移量，从而实现以光纤光栅的可测量量程测量待测目标的实时应变，达到提高光纤光栅的测量量程的有益技术效果。

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为本专利的光纤光栅感知装置的机构示意图。

图2为本专利的测量臂的过孔示意图。

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：

本发明提供一种光纤光栅宽量程位移监测装置，其特征在于：包括：壳体1和设置于壳体1内的光纤光栅位移测量组件，所述光纤光栅位移测量组件包括输入端与待测目标固定连接的位移感知组件、输入端与所述位移感知组件的输出端连接的位移转换组件、输入端与位移转换组件输出端连接的位移测量组件；在使用本装置时，壳体与待测目标位移的位移参考面固定；

所述位移转换组件包括横杆4、弹片5、第一转换组件和第二转换组件；

所述第一转换组件包括结构和尺寸均相同的第一测量臂2和第二测量臂3，所述第一测量臂2和第二测量臂3铰接形成X形结构，所述横杆包括结构和尺寸均相同的上横杆4.1和下横杆4.2，所述上横杆4.1和下横杆4.2铰接，所述上横杆4.1非铰接端与第一测量臂2的前端端部铰接，所述下横杆4.2非铰接端与第二测量臂3前端端部铰接，所述横杆的铰接点C作为第一转换组件的输入端与位移感知组件铰接，所述第一测量臂2与横杆4铰接的一端到第一转换组件铰接点B的臂长长度L₁大于第一转换组件铰接点B到第一测量臂2另一端端部的臂长长度L₂，所述第二测量臂3与横杆4铰接的一端到第一转换组件铰接点B的臂长长度与第一测量臂2与横杆4铰接的一端到第一转换组件铰接点B的臂长长度相等，且第一测量臂2前端顶部和第二测量臂3前端顶部连线的中垂线过铰接点,铰接点B经支撑柱与壳体内侧壁固定连接；

所述第二转换组件的结构与第一转换组件的结构相同，所述第二转换组件的输入端与所述第一转换组件的输出端铰接，第二转换组件包括第三测量臂10和第四测量臂11，所述第三测量臂10的前端端部与第一测量臂2的后端端部铰接，所述第四测量臂11的前端端部与第二测量臂3的后端端部铰接，所述第三测量臂10的前端端部到铰接点A的臂长L₃大于第三测量臂10的后端端部到铰接点A的臂长L₄，所述第三测量臂10的前端端部到铰接点A的臂长与第四测量臂11的前端端部到铰接点A的臂长相等，且第三测量臂10后端端部和第四测量臂11后端端部连线的中垂线过铰接点A，铰接点A经支撑柱但并未壳体内侧壁固定连接，可以运动；

所述弹片5宽边方向的两端分别与第四测量臂后端端部和第三测量臂后端端部固定连接；

其中，前端为转换组件的输入端，后端为转换组件的输出端，如图1所示，图示右边为前端，图示左边为后端，所示横杆4、弹片5需满足以下条件，无外力条件下，横杆4、弹片5在转换组件的轴线方向没有形变，只要有外力作用时，横杆4、弹片5在转换组件的轴线方向就有形变；

且第一转换组件的铰接点B、第二转换组件的铰接点A、横杆铰接点C和弹片5两端连线的中点位于同一条直线上。

通过完全对称的结构设置使监测装置两边受力均匀、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；对称设置可有效避免啁啾现象的产生。

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形成的位移。

在本实施例中，所述位移测量组件包括光纤光栅Ⅰ7、光纤光栅Ⅱ8、光纤9、带宽光源、光谱仪和耦合器，所述光纤光栅Ⅰ7和光纤光栅Ⅱ8对称设置在弹片5的上表面和下表面，且光纤光栅Ⅰ7的中垂线过第二转换组件的铰接点A，所述光纤光栅Ⅰ7的一端经光纤9与光纤光栅Ⅱ8串联，光纤光栅Ⅰ7的另一端经光纤9与耦合器连接，所述带宽光源经光纤与耦合器连接，所述光谱仪经光纤与耦合器连接。光纤光栅Ⅰ7、光纤光栅Ⅱ8对称粘贴在弹片5的上表面和下表面；位移转换组件输出端的形变会导致光纤光栅中心波长的变化，通过位移测量组件可实时准确地测量光纤光栅波长的变化，通过光纤光栅Ⅰ7和光纤光栅Ⅱ8的对称设置可消除温度对光纤光栅波长漂移量的影响，使本专利的光纤光栅波长的漂移量仅与转换组件的输出端形变相关，从而使测量结果更加精准。

在本实施例中，所述位移感知组件为悬臂6，所述悬臂6一端与横杆4的中央铰接连接，所述悬臂6另一端贯穿所述壳体1与待测目标固定连接。通过悬臂6将待测目标的位移传递至横杆4上，并通过横杆4在轴线上的形变俩反应待测目标位移量的大小。

在本实施例中，所述悬臂6外侧壁套设有滑动轴承13，所述滑动轴承13设置于悬臂贯穿壳体的过孔处，并与过孔固定连接。通过滑动轴承13将壳体封闭，避免粉尘进入壳体内，保持壳体内的设备；同时通过滑动轴承13可避免悬臂6在装置径向方向的移动，使力臂的传递和转换保持在轴向，避免径向晃动，增强装置的稳定性，从而保证位移传递的精准。

在本实施例中，所述光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ使用相同的光纤制作而成且二者的中心波长不同。使用相同的光纤制作而成是为了使光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ具有相同的温度和应变灵敏度系数，克服温度对光纤光栅的中心波长的漂移量，减小测量误差，使测量结果准确。

在本实施例中，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销轴过孔12，在本实施例中，第三测量臂和第四测量臂的结构相同，且第三测量臂的结构与第一或第二测量臂的结构相同，即第一、第二、第三和第四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销轴过孔12；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。

相应地，本发明还提供一种光纤光栅宽量程位移检测系统，其特征在于：包括权利要求1-6任一所述的监测装置和根据监测装置的光纤光栅波长漂移量计算待测目标位移的处理器，所述处理器与监测装置的光谱仪的输出端连接，所述处理器采用现有的单片机，如STM32单片机，本领域技术人员根据单片机的规格完成采用现有技术完成主控程序的编写，在此不再赘述。

所述处理器按照如下方法计算待测目标的位移△l：

其中，Δl表示测量目标的位移，L₁表示第一测量臂前端端部到第一转换组件的铰接点的臂长长度，L₂表示第一测量臂后端端部到第一转换组件的铰接点的臂长长度，L₃表示第三测量臂前端端部到第二转换组件的铰接点的臂长长度，L₄表示第三测量臂后端端部到第二转换组件的铰接点的臂长长度，w表示弹片未受力的初始长度，Δw表示弹片受力后的形变量；

其中，弹片形变量△W采用如下方法计算：

△w＝△εw (2)

其中，Δw表示弹片受力后的形变量，Δε表示计算出的光纤光栅发生的应变；w表示弹片未受力的初始长度；

其中，光纤光栅发生的应变采用如下方法计算：

其中，Δλ表示光纤光栅波长变化值；λ表示光纤光栅初始波长值；K_ε表示光纤光栅的应变灵敏系数。

通过上述方法，可根据光纤光栅的应变量实时计算待测目标的位移。

所述光纤光栅宽量程位移检测系统还包括显示装置，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，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。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽臂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 (6)

1.一种光纤光栅宽量程位移监测装置，其特征在于：包括：壳体和设置于壳体内的光纤光栅位移测量组件，所述光纤光栅位移测量组件包括输入端与待测目标固定连接的位移感知组件、输入端与所述位移感知组件的输出端连接的位移转换组件和输入端与位移转换组件输出端连接的位移测量组件；

所述位移转换组件包括横杆、弹片、第一转换组件和第二转换组件；

所述第一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，所述横杆包括结构和尺寸均相同的上横杆和下横杆，所述上横杆和下横杆铰接，所述上横杆非铰接端与第一测量臂的前端端部铰接，所述下横杆非铰接端与第二测量臂前端端部铰接，所述上横杆和下横杆的铰接点作为第一转换组件的输入端与位移感知组件铰接，所述第一测量臂与横杆铰接的一端到第一转换组件铰接点的臂长长度大于第一转换组件铰接点到第一测量臂另一端端部的臂长长度，所述第二测量臂与横杆铰接的一端到第一转换组件铰接点的臂长长度与第一测量臂与横杆铰接的一端到第一转换组件铰接点的臂长长度相等，且第一测量臂前端顶部和第二测量臂前端顶部连线的中垂线过第一转换组件的铰接点；

所述第二转换组件的结构与第一转换组件的结构相同，所述第二转换组件的输入端与所述第一转换组件的输出端连接，第二转换组件包括第三测量臂和第四测量臂，所述第三测量臂的前端端部与第一测量臂的后端端部铰接，所述第四测量臂的前端端部与第二测量臂的后端端部铰接，所述第三测量臂与第一测量臂的后端端部的铰接点到第二转换组件铰接点的臂长长度大于第二转换组件铰接点到第三测量臂另一端端部的臂长长度，所述第四测量臂与第二测量臂的后端端部铰接点到第二转换组件铰接点的臂长长度与第三测量臂与第一测量臂的后端端部铰接点到第二转换组件铰接点的臂长长度相等，且第三测量臂后端端部和第四测量臂后端端部连线的中垂线过第二转换组件的铰接点；

所述弹片宽边方向的两端分别与第四测量臂后端端部和第三测量臂后端端部固定连接；

且第一转换组件铰接点、第二转换组件铰接点、横杆铰接点和弹片两端连线的中点位于同一条直线上；

所述位移测量组件包括光纤光栅Ⅰ、光纤光栅Ⅱ、光纤、带宽光源、光谱仪和耦合器，所述光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ对称设置在弹片的两侧，且光纤光栅Ⅰ的中垂线过第二转换组件的铰接点，所述光纤光栅Ⅰ的一端经光纤与光纤光栅Ⅱ串联，光纤光栅Ⅰ的另一端经光纤与耦合器连接，所述带宽光源经光纤与耦合器连接，所述光谱仪经光纤与耦合器连接。

2.根据权利要求1所述光纤光栅宽量程位移监测装置，其特征在于：所述位移感知组件为悬臂，所述悬臂一端与横杆的中点固定连接，所述悬臂另一端贯穿所述壳体与待测目标固定连接。

3.根据权利要求2所述光纤光栅宽量程位移监测装置，其特征在于：所述悬臂外侧壁套设有滑动轴承，所述滑动轴承设置于悬臂贯穿壳体的过孔处，并与过孔固定连接。

4.根据权利要求1所述光纤光栅宽量程位移监测装置，其特征在于：所述光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ使用相同的光纤制作而成且二者的中心波长不同。

5.根据权利要求1所述光纤光栅宽量程位移监测装置，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。

6.一种光纤光栅宽量程位移检测系统，其特征在于：包括权利要求1-5任一所述的监测装置和根据监测装置的光纤光栅波长漂移量计算待测目标位移的处理器，所述处理器与监测装置的光谱仪的输出端连接；

所述处理器按照如下方法计算待测目标的位移△l：

其中，Δl表示测量目标的位移，L₁表示第一测量臂前端端部到第一转换组件的铰接点的臂长长度，L₂表示第一测量臂后端端部到第一转换组件的铰接点的臂长长度，L₃表示第三测量臂前端端部到第二转换组件的铰接点的臂长长度，L₄表示第三测量臂后端端部到第二转换组件的铰接点的臂长长度，w表示弹片未受力的初始长度，Δw表示弹片受力后的形变量；

其中，弹片形变量Δw采用如下方法计算：

Δw＝Δεw (2)

其中，Δw表示弹片受力后的形变量，Δε表示计算出的光纤光栅发生的应变；w表示弹片未受力的初始长度；

其中，光纤光栅发生的应变Δε采用如下方法计算：

其中，Δλ表示光纤光栅波长变化值；λ表示光纤光栅初始波长值；K_ε表示光纤光栅的应变灵敏系数。

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