CN110672067A - 一种光纤光栅倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种光纤光栅倾角传感器，包括传感器基座、光纤光栅组、铰链组、质量块和计算单元；所述传感器基座固定在被测结构上，所述光纤光栅组设置在传感器基座上，所述传感器基座与所述质量块通过铰链组连接；光纤光栅组包括第一光纤光栅和第二光纤光栅，铰链组包括第一铰链和第二铰链，所述第一铰链对应于所述第一光纤光栅，所述第二铰链对应于所述第二光纤光栅；当被测结构发生倾斜时，所述质量块带动所述第一铰链和所述第二铰链转动，使光纤光栅组的受力发生变化，所述计算单元用于根据第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量，解析所述被测结构倾斜的角度。本申请提供的传感器具有较高的灵敏度和测量精度，适用于恶劣环境中的倾角检测。

Description

一种光纤光栅倾角传感器

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及一种光纤光栅倾角传感器。

背景技术

随着煤矿开采智能化程度越来越高，倾角测量已经广泛应用于煤矿生产的各个方面，比如测量采煤机机身的运行角度及摇臂摆角等。目前实现倾角测量的方式有：一种是通过加速度传感器间接测量，大多数采用悬臂梁和金属膜片结构，封装结构复杂，导致测量范围窄，尤其是中、高频测量时灵敏度比较低；另一种是采用倾角传感器，目前倾角传感器一般基于电阻应变式、电介液式、电容式、电感式、电位器式等原理进行倾角测量，但这些传统的倾角传感器在电磁干扰大、易腐蚀等恶劣环境下使用时，测量误差比较大。因此，如何提高倾角测量的灵敏度和精度，并利用在恶劣环境中应用是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供一种光纤光栅倾角传感器。

本申请提供一种光纤光栅倾角传感器，包括传感器基座、光纤光栅组、铰链组、质量块和计算单元；所述传感器基座固定在被测结构上，所述光纤光栅组设置在所述传感器基座上，所述传感器基座与所述质量块通过所述铰链组连接；

所述光纤光栅组包括第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述铰链组包括第一铰链和第二铰链，所述第一铰链与第一光纤光栅对应连接，所述第二铰链与第二光纤光栅对应连接；

当所述被测结构发生倾斜时，所述质量块带动所述第一铰链和所述第二铰链转动，使光纤光栅组的受力发生变化，所述计算单元用于根据第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量，解析所述被测结构倾斜的角度。

可选地，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅对称分布在所述质量块的中心线两侧，所述第一光纤光栅与所述第二光纤光栅相同。

可选地，所述第一铰链的中心和所述第二铰链的中心对称分布在所述质量块的中心线两侧，所述第一铰链与所述第二铰链相同。

可选地，所述计算单元按照如下关系解析所述被测结构倾斜的角度：

式中，Δλ₁为第一光纤光栅的波长漂移量，Δλ₂为第二光纤光栅的波长漂移量，m为所述质量块的质量，单位为Kg，g＝9.8N/Kg，d为所述质量块的质心与所述第一铰链的中心之间的距离，K为第一铰链或第二铰链的转动刚度，θ为所述被测结构倾斜的角度，k为第一光纤光栅或第二光纤光栅的弹性系数，a₁为第一光纤光栅与第二光纤光栅之间的距离。

可选地，第一铰链或第二铰链的转动刚度K为：

式中，E为第一铰链或第二铰链的弹性模量，i为所述光纤光栅倾角传感器的整体厚度，R为第一铰链或第二铰链的半径，s＝R/i。

可选地，所述第一铰链和所述第二铰链采用柔性铰链结构。

本申请具备的有益效果如下：由于传感器基座固定在被测结构上，当被测结构发生倾斜时，质量块在惯性力的作用下会带动铰链组发生转动，从而使光纤光栅组中的一个光栅受拉应力，另一个光栅受压应力，光纤光栅在所受应力发生变化时，会发生波长漂移，通过第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量，可以解析出被测结构倾斜的角度，从而完成倾角的测量。当传感器结构尺寸确定后，双光栅波长变化的差值与被测结构的倾角变化具有良好的线性关系，并且传感器具有较高的灵敏度，光纤光栅组中包括两个光纤光栅，两个光纤光栅处于同一个温度场，可以实现温度补偿，从而提高倾角测量的精度。此外，光纤光栅具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐高温、耐腐蚀等优点，更适合用于煤矿等恶劣环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例示出的光纤光栅倾角传感器的结构示意图；

图2为本申请实施例示出的传感器结构尺寸示意图；

图3为本申请实施例示出的传感器简化的力学模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本申请实施例提供一种光纤光栅倾角传感器，包括传感器基座1、质量块2、光纤光栅组、铰链组和计算单元(图中未示出)；传感器基座1固定在被测结构7上，光纤光栅组设置在传感器基座1上，传感器基座1与质量块2通过所述铰链组连接。

所述光纤光栅组包括第一光纤光栅3和第二光纤光栅4，所述铰链组包括第一铰链5和第二铰链6，所述第一铰链5与所述第一光纤光栅3对应连接，所述第二铰链6与所述第二光纤光栅4对应连接。

可选地，第一光纤光栅3和第二光纤光栅4对称分布在质量块2的中心线两侧，第一光纤光栅3与第二光纤光栅4相同，即两个光纤光栅具有相同的结构参数和光学参数。第一铰链5的中心和第二铰链6的中心对称分布在质量块2的中心线两侧，第一铰链5与第二铰链6相同。这里所述的质量块2的中心线具体见图1中标注的C，这种设计方式使得传感器中，铰链组和光纤光栅组呈对称分布，便于计算单元计算被测结构的倾角。

本申请中，第一铰链5和第二铰链6可以采用柔性铰链结构，柔性铰链作为一种传递运动的弹性元件，具有无摩擦、无磨损、易于加工、体积小、运动灵敏度高等优点，柔性铰链与光纤光栅器件相结合，能够提高倾角传感器的性能，实现倾角的高灵敏度、高精度测量。第一光纤光栅3和第二光纤光栅4是在光纤中刻入光栅而形成的结构，可选择FBG(FiberBragg Grating，光纤布拉格光栅)等，本实施例不作限定。

本申请提供的传感器的测量机制在于，由于传感器基座1固定在被测结构7上，当被测结构7发生倾斜时，质量块2在惯性力的作用下会带动第一铰链5和第二铰链6转动发生转动，使光纤光栅组的受力发生变化，从而使光纤光栅组中的一个光栅受拉应力，另一个光栅受压应力。比如，如果被测结构7沿顺时针方向倾斜时，第一光纤光栅3受压应力，第二光纤光栅4受拉应力；如果被测结构7沿逆时针方向倾斜时，第一光纤光栅3受拉应力，第二光纤光栅4受压应力。

第一光纤光栅3和第二光纤光栅4在所受应力发生变化时，会发生波长漂移，通过检测第一光纤光栅3和第二光纤光栅4的波长漂移量，可以解析出被测结构7倾斜的角度，从而完成倾角的测量，因此所述计算单元用于根据第一光纤光栅3和第二光纤光栅4的波长漂移量，解析被测结构7倾斜的角度。

参照图2和图3，当被测结构7发生倾斜时，产生倾角θ，根据力矩平衡方程可得：

mgd sinθ-Kθ-kΔl·a₁＝0

式中，m为质量块2的质量，单位为Kg，g＝9.8N/Kg，d为质量块2的质心与第一铰链5(或第二铰链6)的中心之间的距离，K为第一铰链或第二铰链的转动刚度，k为第一光纤光栅3或第二光纤光栅4的弹性系数，a₁为第一光纤光栅3与第二光纤光栅4之间的距离，Δl为第一光纤光栅3(或第二光纤光栅4)的光纤长度变化量。

其中，第一光纤光栅3或第二光纤光栅4的弹性系数k为：

A_f为第一光纤光栅3(或第二光纤光栅4)的光纤横截面积，E_f为第一光纤光栅3(或第二光纤光栅4)的弹性模量，l为第一光纤光栅3(或第二光纤光栅4)的光纤长度。

式中，第一铰链5或第二铰链6的转动刚度K为：

E为第一铰链5(或第二铰链6)的弹性模量，i为所述光纤光栅倾角传感器的整体厚度，R为第一铰链5(或第二铰链6)的半径，s＝R/i。

由于倾角θ相对较小，则近似地sinθ＝θ，由力矩平衡方程可得：

考虑到光纤光栅对应变和温度的交叉敏感特性，本申请中光纤光栅组包括两个光纤光栅，即在铰链组和质量块2两侧分别利用粘结剂粘贴了光纤光栅。对于第一光纤光栅3和第二光纤光栅4，两者具有相同的温度和应变传感的灵敏系数，设第一光纤光栅3的中心波长为λ₁，第二光纤光栅4的中心波长为λ₂，在不考虑应变与温度的耦合作用下，即认为温度与应变导致中心波长的变化是严格线性且独立的，则两根光纤光栅的中心波长变化可表示为：

Δλ₁＝α_εε₁+α_TΔT₁

Δλ₂＝α_εε₂+α_TΔT₂

其中，Δλ₁为第一光纤光栅3的波长漂移量，Δλ₂为第二光纤光栅4的波长漂移量，ε₁为第一光纤光栅3的轴向应力变化，ε₂为第二光纤光栅4的轴向应力变化，ΔT₁为第一光纤光栅3的温度变化，ΔT₂为第二光纤光栅4的温度变化，α_ε为第一光纤光栅3和第二光纤光栅4的应变灵敏系数，α_T为第一光纤光栅3和第二光纤光栅4的温度灵敏系数。

当被测结构7发生倾斜时，其中一根光纤光栅受拉应力，另一根光纤光栅受压应力，并且有拉应力等于压应力，即满足ε₁＝-ε₂，由于第一光纤光栅3和第二光纤光栅4处于同一温度场，因此温度变化相同，即满足ΔT₁＝ΔT₂，从而实现了温度补偿，则考虑了温度补偿后双光纤光栅中心波长变化关系式为：

Δλ₁-Δλ₂＝2α_εε₁

综上可得双光栅波长变化与倾角变化的关系为：

光纤光栅倾角传感器的灵敏度S为：

本申请提供的基于柔性铰链的光纤光栅倾角传感器中，由于传感器基座1固定在被测结构7上，当被测结构7发生倾斜时，质量块2在惯性力的作用下会带动铰链组发生转动，从而使光纤光栅组中的一个光栅受拉应力，另一个光栅受压应力，光纤光栅在所受应力发生变化时，会发生波长漂移，通过第一光纤光栅3和第二光纤光栅4的波长漂移量，可以解析出被测结构7倾斜的角度，从而完成倾角的测量。当传感器结构尺寸确定后，双光栅波长变化的差值与被测结构的倾角变化具有良好的线性关系，并且传感器具有较高的灵敏度，光纤光栅组中包括两个光纤光栅，两个光纤光栅处于同一个温度场，可以实现温度补偿，从而提高倾角测量的精度。此外，光纤光栅具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐高温、耐腐蚀等优点，更适合用于煤矿等恶劣环境。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种光纤光栅倾角传感器，其特征在于，包括传感器基座、光纤光栅组、铰链组、质量块和计算单元；所述传感器基座固定在被测结构上，所述光纤光栅组设置在所述传感器基座上，所述传感器基座与所述质量块通过所述铰链组连接；

所述光纤光栅组包括第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述铰链组包括第一铰链和第二铰链，所述第一铰链与第一光纤光栅对应连接，所述第二铰链与第二光纤光栅对应连接；

当所述被测结构发生倾斜时，所述质量块带动所述第一铰链和所述第二铰链转动，使光纤光栅组的受力发生变化，所述计算单元用于根据第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量，解析所述被测结构倾斜的角度。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅对称分布在所述质量块的中心线两侧，所述第一光纤光栅与所述第二光纤光栅相同。

3.根据权利要求1或2所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述第一铰链的中心和所述第二铰链的中心对称分布在所述质量块的中心线两侧，所述第一铰链与所述第二铰链相同。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述计算单元按照如下关系解析所述被测结构倾斜的角度：

式中，Δλ₁为第一光纤光栅的波长漂移量，Δλ₂为第二光纤光栅的波长漂移量，m为所述质量块的质量，单位为Kg，g＝9.8N/Kg，d为所述质量块的质心与所述第一铰链的中心之间的距离，K为第一铰链或第二铰链的转动刚度，θ为所述被测结构倾斜的角度，k为第一光纤光栅或第二光纤光栅的弹性系数，a₁为第一光纤光栅与第二光纤光栅之间的距离。

5.根据权利要求4所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，第一铰链或第二铰链的转动刚度K为：

式中，E为第一铰链或第二铰链的弹性模量，i为所述光纤光栅倾角传感器的整体厚度，R为第一铰链或第二铰链的半径，s＝R/i。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述第一铰链和所述第二铰链采用柔性铰链结构。

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