CN110567378B - 一种光纤位移传感器及其测量方法 - Google Patents

一种光纤位移传感器及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤位移传感器及其测量方法，所述的光纤位移传感器包括基片和光纤传感器；所述基片包含固定板、拐板和连接件，下拐板与固定板平行，拐角朝向固定板的方向为钝角，连接件通过固定板的一个通孔和拐板的通孔将固定板和拐板连接，光纤槽一和光纤槽二平行相错，分别位于固定板和下拐板相对的两个面上，用于固定光纤传感器，上拐板的顶端为与被测物体接触的接触端；所述光纤传感器包括光纤和光纤的纤芯上刻写的第一布拉格光栅和第二布拉格光栅；通过基片使被测物体的位移放大，并转换成对第一布拉格光栅的轴向拉力。这种光纤位移传感器具有体积小、不受电磁干扰、信号传输距离长以及测量精度高的优点。

Description

一种光纤位移传感器及其测量方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种光纤位移传感器及其测量方法。
背景技术
位移测量是评估土木、工业和航空航天工程等许多领域结构健康状况的重要监测指标。目前主流的位移传感器都是基于电子传感技术，如电容式和磁阻式位移传感器。但是基于电子传感技术的位移传感器长期稳定性低、耐久性差、容易受到高强度电磁干扰。基于光纤光栅的位移传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、一根光纤中可以容纳多个测点等优点，近年来引起了人们的广泛关注。目前，部分光纤光栅的位移传感器在裸光纤上刻写布拉格光栅后直接用于位移测量，在使用中存在灵敏度低和易损坏的问题，难以实现对微小位移的精确测量以及长期稳定的使用。因此需要对光纤光栅的灵敏度进行增强，并保护裸光纤。目前主流的光纤位移传感器都存在体积较大的问题，因此，研究一种体积小、灵敏度高的光纤位移传感器具有重要意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本发明提供一种光纤位移传感器及其测量方法，解决体积大、难以实现对微小位移的精确测量的问题。
(二)技术方案
基于上述的技术问题，本发明提供一种光纤位移传感器，包括基片和光纤传感器；所述基片包含固定板、拐板和连接件，固定板有三个通孔和光纤槽一，拐板被拐角处的一个通孔分为上拐板和下拐板两部分，下拐板与固定板平行，拐角朝向固定板的方向为钝角，连接件通过固定板的一个通孔和拐板的通孔将固定板和拐板连接，固定板的另两个通孔用于固定基片，光纤槽一和光纤槽二平行相错，分别位于固定板和下拐板相对的两个面上，用于固定光纤传感器，上拐板的顶端为与被测物体接触的接触端；
所述光纤传感器包括光纤和光纤的纤芯上刻写的第一布拉格光栅和第二布拉格光栅，将光纤用光纤槽一和光纤槽二固定，第一布拉格光栅位于光纤槽一与光纤槽二之间，第二布拉格光栅位于光纤槽二与悬空的切平的光纤端头二之间。
进一步的，所述第一布拉格光栅用于位移测量，所述第二布拉格光栅用于温度补偿，所述第二布拉格光栅的中心波长与第一布拉格光栅的中心波长至少相差2nm。
优选地，所述钝角的角度大于等于110°。
优选地，所述连接件为螺栓、铆接或销接。
优选地，所述基片的厚度为至少2mm。
优选地，所述基片为304不锈钢、铝合金、钛合金的金属材料，或亚克力、聚氨酯的聚合物材料。
优选地，所述光纤为石英光纤、聚合物光纤或蓝宝石光纤。
一种光纤位移传感器的测量方法，所述测量方法包括：
S1、预张拉后，将光纤传感器固定在基片上的光纤槽内，第一布拉格光栅位于光纤槽一与光纤槽二之间，第二布拉格光栅位于光纤槽二与悬空的切平的光纤端头二之间，离第一布拉格光栅更近的一侧的光纤端头一通过3dB耦合器分别与信号光源和光谱分析仪连接；
S2、将接触端与被测物体接触，被测物体的位移经基板放大，并转换成对第一布拉格光栅的轴向拉力，第一布拉格光栅产生应变，第一布拉格光栅的中心波长同时受应变和温度影响，而第二布拉格光栅的中心波长仅因温度的变化而变化；
S3、光谱分析仪实时测量环境温度为t时，第一布拉格光栅和第二布拉格光栅的中心波长λ1、λ2；
S4、计算得到位移引起的波长漂移量为
Figure BDA0002190548960000031
式中，△λs1为位移引起的波长漂移量，λ10、λ20分别为以环境温度为t0且位移为0um时第一布拉格光栅和第二布拉格光栅的中心波长，t0为基准环境温度，k1、k2分别为第一布拉格光栅和第二布拉格光栅的温度灵敏度，λ1、λ2分别为光谱分析仪测得的环境温度为t时的第一布拉格光栅和第二布拉格光栅的中心波长；
S5、根据绘制的被测物体位移与位移引起的波长漂移量的拟合曲线得到被测物体的位移。
进一步的，所述测量方法还包括，测量完毕后，手动转动拐板，使拐板复位。
进一步的，所述的环境温度t为
Figure BDA0002190548960000041
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)本发明通过基片将位移转化为光纤的轴向应变，并且对位移进行了放大，提高了传感灵敏度和精度，实现了对微小位移的精确测量，且可通过改变基片的拐角角度、上下拐板的长度等因素满足不同的放大需求；
(2)本发明在一根光纤上刻写两个中心波长不同的光纤布拉格光栅，在基片的辅助下实现对温度和位移的精确测量，解决了布拉格光栅温度和应变的交叉敏感问题，使测量结果更精确；
(3)本发明还可根据第二布拉格光栅的中心波长，测得环境温度，不需要另外的装置进行温度测量；
(4)针对不同的测量需求，本发明可选用不同种类的光纤及不同类型的布拉格光栅，若选用蓝宝石光纤，配合耐高温材料的基片和耐高温的胶水可以实现超高温传感；若选用聚合物光纤，则可以扩大位移测量范围；若选用石英光纤，则成本低，便于广泛使用；
(5)本发明具有抗电磁干扰，信号传输距离长的优点，因此可将基片的接触端设计成不同长度或不同宽度，以便用于深处或狭缝处的位移测量；
(6)本发明体积小、轻便，保护光纤、耐腐蚀，从而可长期稳定使用，并节约了成本。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施例中基片的示意图；
图2为本发明实施例中光纤传感器的示意图；
图3为本发明实施例光纤位移传感器的使用示意图；
图4为本发明实施例的光纤位移传感器在环境温度为20℃，位移为0um时的光谱图；
图5为本发明实施例第一布拉格光栅的中心波长随温度变化的曲线图；
图6为本发明实施例第二布拉格光栅的中心波长随温度变化的曲线图；
图7为本发明实施例中环境温度为20℃时，在位移0-50um内的第一布拉格光栅的位移引起的波长漂移量随位移变化的曲线；
图中：1：光纤；2：第二布拉格光栅；3：第一布拉格光栅；4：光纤端头二；5：光纤槽一；6：光纤槽二；7：接触端；8：连接件；9:3dB耦合器；10：信号光源；11：光谱分析仪；12：光纤端头一。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提供一种光纤位移传感器，如图1所示，包括基片和光纤传感器；所述基片包含固定板、拐板和连接件8，固定板有三个通孔和光纤槽一5，拐板被拐角处的一个通孔分为上拐板和下拐板两部分，下拐板与固定板平行，拐角朝向固定板的方向为钝角，钝角的角度大于等于110°，连接件8通过固定板的一个通孔和拐板的通孔将固定板和拐板连接，固定板的另两个通孔用于固定基片，光纤槽一5和光纤槽二6平行相错，分别位于固定板和下拐板相对的两个面上，用于固定光纤传感器，上拐板的顶端为与被测物体接触的接触端7；连接件8为螺栓、铆接或销接；
所述光纤传感器如图2所示，包括光纤1和光纤1的纤芯上刻写的第一布拉格光栅3和第二布拉格光栅2；如图3所示，将光纤1用光纤槽一5和光纤槽二6固定，第一布拉格光栅3位于光纤槽一5与光纤槽二6之间，第二布拉格光栅2位于光纤槽二6与悬空的切平的光纤端头二4之间。
所述第一布拉格光栅3用于位移测量，所述第二布拉格光栅2用于温度补偿；第二布拉格光栅2的中心波长与第一布拉格光栅3的中心波长至少相差2nm，使得两个布拉格光栅的波长漂移区间不交叉，便于区分。为使两个布拉格光栅的反射峰错开，更便于区分，也可将加工在光纤1中的第一布拉格光栅3呈2°至5°的倾斜角，小于2°时错开区间较小，大于5°时漂移量过大，光谱质量明显下降，本实施例中第一布拉格光栅3呈4°倾斜角。
所述基片的厚度为至少2mm，以保证装置的耐用性，如果小于2mm，基片会变形，测量结果不准确。
所述基片为304不锈钢、铝合金或钛合金的金属材料，或亚克力、聚氨酯的聚合物材料，根据不同的需求选用合适的材料。
所述光纤1为石英光纤、聚合物光纤或蓝宝石光纤，针对不同的测量需求，可选用不同种类的光纤及不同类型的布拉格光栅，石英光纤成本低、灵敏度高，聚合物光纤可扩大位移测量范围，蓝宝石光纤耐高温。
在本实施例中，所述光纤1使用耐高温密封胶粘在光纤槽一5和光纤槽二6中固定，耐高温密封胶的耐温范围为-80℃至+1300℃，也可采用其他固定方式，如卡扣、光纤夹等，均要保证被测物体产生位移，而对光纤1产生轴向拉力时，光纤槽与光纤1不会产生相对位移。
本发明公开的光纤位移传感器的测量方法如下：
S1、如图3所示，预张拉后，将光纤传感器固定在基片上的光纤槽内，第一布拉格光栅3位于光纤槽一5与光纤槽二6之间，第二布拉格光栅2位于光纤槽二6与悬空的切平的光纤端头二4之间，离第一布拉格光栅3更近的一侧的光纤端头一12通过3dB耦合器9分别与信号光源10和光谱分析仪11连接；
S2、将接触端7与被测物体接触，被测物体的位移经基板放大，并转换成对第一布拉格光栅3的轴向拉力，第一布拉格光栅3产生应变，第一布拉格光栅3的中心波长同时受应变和温度影响，而第二布拉格光栅2的中心波长仅因温度的变化而变化；
S3、光谱分析仪11实时测量环境温度为t时，第一布拉格光栅3和第二布拉格光栅2的中心波长λ1、λ2；
S4、计算得到位移引起的波长漂移量：
由于第二布拉格光栅2仅受温度影响，则：
Figure BDA0002190548960000081
因此，也可得到环境温度
Figure BDA0002190548960000082
而第一布拉格光栅3受温度和位移影响，则
Δλ1＝Δλt1+Δλs1
式中，△λ1为第一布拉格光栅3的波长漂移量，△λs1为位移引起的波长漂移量，△λt1为温度引起的波长漂移量；
根据Δλ1＝λ1-λ10，
Figure BDA0002190548960000083
则
Figure BDA0002190548960000084
式中，λ1、λ2分别为光谱分析仪11测得的环境温度为t时的第一布拉格光栅3和第二布拉格光栅2的中心波长；λ10、λ20分别为光谱分析仪11测得的环境温度为t0、位移为0um时的第一布拉格光栅3和第二布拉格光栅2的中心波长，t0为基准环境温度；k1、k2分别为第一布拉格光栅3和第二布拉格光栅2的温度灵敏度，分别根据中心波长随温度变化的变化曲线拟合得到。
本实施例中t0＝20℃，如图4所示由光谱分析仪11测得的第一布拉格光栅3和第二布拉格光栅2的中心波长分别为λ10＝1550.5nm，λ20＝1547.88nm，根据图5和图6中心波长随温度变化的变化曲线拟合得到：第一布拉格光栅3的温度灵敏度k1＝13.39pm/℃,第二布拉格光栅2的温度灵敏度k2＝13.34pm/℃，则位移引起的波长漂移量和环境温度分别为
Figure BDA0002190548960000091
Figure BDA0002190548960000092
S5、根据绘制的t0环境温度时的被测物体位移与位移引起的波长漂移量△λs1的拟合曲线，如图7所示，得到位移引起的波长漂移量对应的被测物体的位移。
本实施例中，光纤1采用smf-28单模石英光纤，基板采用304不锈钢，固定板厚度为2mm，拐板厚度为3mm，拐角朝向固定板的方向的钝角为142.5°，光纤1在两个光纤槽之间的原始长度为15mm，加载不同的被测物体位移，绘制拟合得到如图7所示的20℃环境温度时被测物体位移与位移引起的波长漂移量△λs1的拟合曲线，用函数关系表达为y＝0.121x-0.054，而实验室测得4°倾斜第一布拉格光栅3的应变灵敏度为0.867pm/με；
当位移加载到50μm时的位移引起的波长漂移量为
Δλs1＝6.104nm，
则光纤1的微应变为
Figure BDA0002190548960000093
则光纤1的拉伸量为：7040.4με×15μm×103×10-6＝105.6μm，则放大倍数为：
Figure BDA0002190548960000094
当位移加载到25μm时的位移引起的波长漂移量为
Δλs1＝2.971nm，
则光纤1的微应变为
Figure BDA0002190548960000101
则光纤1的拉伸量为：3426.8με×15μm×103×10-6＝51.4μm，则放大倍数为：
Figure BDA0002190548960000102
因此，被测物体的位移能通过基片放大；而由图7也可得知斜率为0.121nm/μm，则本发明所述的光纤位移传感器的位移测量的灵敏度为121pm/μm，灵敏度较高。
所述方法还包括，测量完毕后，手动转动拐板，使拐板复位。
综上可知，通过上述的一种光纤位移传感器及其测量方法，具有以下优点：
(1)本发明通过基片将位移转化为光纤的轴向应变，并且对位移进行了放大，提高了传感灵敏度和精度，实现了对微小位移的精确测量，且可通过改变基片的拐角角度、上下拐板的长度等因素满足不同的放大需求；
(2)本发明在一根光纤上刻写两个中心波长不同的光纤布拉格光栅，在基片的辅助下实现对温度和位移的精确测量，解决了布拉格光栅温度和应变的交叉敏感问题，使测量结果更精确；
(3)本发明还可根据第二布拉格光栅的中心波长，测得环境温度，不需要另外的装置进行温度测量；
(4)针对不同的测量需求，本发明可选用不同种类的光纤及不同类型的布拉格光栅，若选用蓝宝石光纤，配合耐高温材料的基片和耐高温的胶水可以实现超高温传感；若选用聚合物光纤，则可以扩大位移测量范围；若选用石英光纤，则成本低，便于广泛使用；
(5)本发明具有抗电磁干扰，信号传输距离长的优点，因此可将基片的接触端设计成不同长度或不同宽度，以便用于深处或狭缝处的位移测量；
(6)本发明体积小、轻便，保护光纤、耐腐蚀，从而可长期稳定使用，并节约了成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤位移传感器，其特征在于，包括基片和光纤传感器；所述基片包含固定板、拐板和连接件，固定板有三个通孔和光纤槽一，拐板被拐角处的一个通孔分为上拐板和下拐板两部分，下拐板与固定板平行，拐角朝向固定板的方向为钝角，连接件通过固定板的一个通孔和拐板的通孔将固定板和拐板连接，固定板的另两个通孔用于固定基片，光纤槽一和光纤槽二平行相错，分别位于固定板和下拐板相对的两个面上，用于固定光纤传感器，上拐板的顶端为与被测物体接触的接触端；
所述光纤传感器包括光纤和光纤的纤芯上刻写的第一布拉格光栅和第二布拉格光栅，将光纤用光纤槽一和光纤槽二固定，第一布拉格光栅位于光纤槽一与光纤槽二之间，第二布拉格光栅位于光纤槽二与悬空的切平的光纤端头二之间。
2.根据权利要求1所述的一种光纤位移传感器，其特征在于，所述第一布拉格光栅用于位移测量，所述第二布拉格光栅用于温度补偿，所述第二布拉格光栅的中心波长与第一布拉格光栅的中心波长至少相差2nm。
3.根据权利要求1所述的一种光纤位移传感器，其特征在于，所述钝角的角度大于等于110°。
4.根据权利要求1所述的一种光纤位移传感器，其特征在于，所述连接件为螺栓、铆接或销接。
5.根据权利要求1所述的一种光纤位移传感器，其特征在于，所述基片的厚度为至少2mm。
6.根据权利要求1所述的一种光纤位移传感器，其特征在于，所述基片为304不锈钢、铝合金、钛合金的金属材料，或亚克力、聚氨酯的聚合物材料。
7.根据权利要求1所述的一种光纤位移传感器，其特征在于，所述光纤为石英光纤、聚合物光纤或蓝宝石光纤。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种光纤位移传感器的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：
S1、预张拉后，将光纤传感器固定在基片上的光纤槽内，第一布拉格光栅位于光纤槽一与光纤槽二之间，第二布拉格光栅位于光纤槽二与悬空的切平的光纤端头二之间，离第一布拉格光栅更近的一侧的光纤端头一通过3dB耦合器分别与信号光源和光谱分析仪连接；
S2、将接触端与被测物体接触，被测物体的位移经基板放大，并转换成对第一布拉格光栅的轴向拉力，第一布拉格光栅产生应变，第一布拉格光栅的中心波长同时受应变和温度影响，而第二布拉格光栅的中心波长仅因温度的变化而变化；
S3、光谱分析仪实时测量环境温度为t时，第一布拉格光栅和第二布拉格光栅的中心波长分别为λ1、λ2；
S4、计算得到位移引起的波长漂移量为
Figure FDA0002503295780000021
式中，△λs1为位移引起的波长漂移量，λ10、λ20分别为以环境温度为t0且位移为0um时第一布拉格光栅和第二布拉格光栅的中心波长，t0为基准环境温度，k1、k2分别为第一布拉格光栅和第二布拉格光栅的温度灵敏度，λ1、λ2分别为光谱分析仪测得的环境温度为t时的第一布拉格光栅和第二布拉格光栅的中心波长；
S5、根据绘制的被测物体位移与位移引起的波长漂移量的拟合曲线得到被测物体的位移。
9.根据权利要求8所述的一种光纤位移传感器的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括，测量完毕后，手动转动拐板，使拐板复位。
10.根据权利要求8所述的一种光纤位移传感器的测量方法，其特征在于，所述的环境温度t为
Figure FDA0002503295780000031
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