CN111023979A - 基于单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测装置，包括：基座、位移采集单元、位移转换单元、测量单元和处理单元，所述位移采集单元和位移转换单元设置于所述基座上，所述位移采集单元的输出端与所述位移转换单元的输入端连接，所述位移转换单元的输出端与所述测量单元的输入端连接，所述测量单元用于测量位移引起的单模光纤的弯曲损耗并将数据传送至处理单元，所述处理单元根据所述数据获得与当前数据相应的位移量；相应地，本申请还提供一种基于单模光纤弯曲损耗的大量程位移确定方法。本发明具有结构简单、精度高、量程大、抗电磁干扰的优点，通过改变位移缩放系数，可改变传感器的量程，更好的贴合实际使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及位移传感器领域，尤其涉及一种基于单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测装置及方法。
背景技术
位移检测是测量技术中最基本的测量项目之一。传统的机械、电磁式位移传感器受精度、电磁干扰的制约，不适合工程现场应用。而光纤传感监测技术通过将位移信号转化为在光纤中传播的光信号，具有集“传”与“感”为一体、抗电磁干扰能力强、体积小、质量轻、便于组成传感网络、可测量多种信号、信息量大等优点，在桥梁、大坝、隧道、道路、房屋、管道等结构健康监测领域发挥着越来越重要的作用。目前存在的光纤位移传感器的量程均较小，针对于很多大型工程结构存在大变形但仍可以发挥功能性作用的特点，需要大量程的检测和监测。
因此，亟需一种可用于测量大量程的位移监测装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种可用于结构的开裂测量和大型工程的连续监测的大量程位移传感器及其使用方法。
本发明提供一种基于单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测装置，其特征在于：包括：基座1、位移采集单元、位移转换单元、测量单元和处理单元；
所述基座1用于安装位移采集单元和位移转换单元，即所述位移采集单元和位移转换单元设置于所述基座1上；
所述位移采集单元用于采集待测目标的位移；
所述位移转换单元用于将所述位移采集单元采集的位移转换为单模光纤弯曲损耗可测量范围内的位移；
所述测量单元用于测量单模光纤的弯曲损耗，并将所述损耗值传入处理单元；
所述处理单元用于接收所述测量单元的数据并计算所述数据对应的位移量；
所述位移采集单元包括齿条3、设置于基座1底部与所述齿条3适形配合供齿条3左右滑动的滑槽1.1，齿条3的一端设置于滑槽1.1内，齿条3的另一端贯穿基座1的侧壁与采集固定杆3.1固定连接。
进一步，所述位移转换单元包括单模光纤、用于安装单模光纤的单模光纤安装组件和齿轮2，所述齿轮2与齿条3啮合，且固定轴经齿轮固定孔1.2.1与齿轮2空转配合，所述固定轴与基座1固定连接，所述单模光纤安装组件与齿轮2固定连接。
进一步，所述齿条3移动的距离与齿轮2转动的弧长相等。
进一步，所述单模光纤安装组件包括单模光纤安装座和设置于齿轮2表面的环形凹槽Ⅰ2.1，所述单模光纤安装座与齿轮2共轴线，且所述单模光纤安装座一端与齿轮2固定连接，所述单模光纤基座的另一端设置有环形凹槽Ⅱ2.4，环形凹槽Ⅱ2.4的圆心与齿轮2的圆心在共一条直线上，所述单模光纤基座的侧壁设置有光纤固定槽2.3，所述光纤固定槽2.3的一端与环形凹槽Ⅱ2.4连通，光纤固定槽2.3的另一端经贯穿通孔2.2与环形凹槽Ⅰ2.1连通。
进一步，所述光纤固定槽2.3为弧形。
进一步，所述光纤基座还包括用于引导单模光纤进出环形凹槽Ⅱ2.4的单模光纤引导槽1.2.2，单模光纤引导槽1.2.2的一端与环形凹槽Ⅱ2.4连通，单模光纤引导槽1.2.2的另一端悬空。
进一步，所述监测装置还包括用于缠绕预留过渡光纤的光纤缠扰柱1.3，光纤缠扰柱1.3的一端与基座1固定连接，光纤缠扰柱1.3的另一端悬空；
一根单模光纤对折后，防止对折部分光纤折断，将对折部分沿环形凹槽Ⅰ2.1固定，对折后的两端均通过贯穿孔2.2、光纤固定槽2.3，并沿环形凹槽Ⅱ2.4缠绕，经光纤引导槽1.2.2引出，将预留的单模光纤经光纤缠绕柱1.3后沿基座1侧壁的通孔1.4，与测量单元连接。
进一步，所述监测装置还包括与基座1可拆卸连接的顶盖。
相应地，本发明还提供一种单模光纤弯曲损耗的大量程位移确定方法，其特征在于：单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测方法适用于权利要求1-6任一所述的单模光纤完全损耗的大量程位移监测装置，所述方法包括如下步骤：
S1：将齿条3的固定杆3.1的自由端和基座1分别与产生相对位移的待测目标连接；
S2：读取光功率计读数，计算与当前光功率计读数对应的位移量；
所述位移量△L采用如下方法确定：
其中，△L表示测量的位移量，I0表示光功率计的初始读数，I△L表示光功率计的当前读数，R表示齿轮2的半径，r表示环形凹槽Ⅱ2.4的半径，αc.r表示沿环形凹槽Ⅱ2.4缠绕的光纤单位长度上的弯曲损耗值，可通过光纤本身性质及测量仪器参数确定。
本发明的有益技术效果：通过位移采集单元采集待测目标的位移，所述位移采集单元的位移量经位移转换单元转换为齿轮的转动的弧长，并通过光纤安装组件，将齿轮的转动弧长，缩放为单模光纤的转动弧长，所述缩放比例为齿轮的半径与环形凹槽Ⅱ2.4的半径的比值，从而将待测目标的位移量缩放为光纤弯曲损耗可测范围，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，进而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，实现对待测物体位移量的监测，本发明具有结构简单、精度高、量程大、抗电磁干扰的优点，通过改变位移缩放系数，可改变传感器的量程，更好的贴合实际使用要求。
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为本发明的监测装置的主视图。
图2为本发明的位移转换单元的侧视图。
图3为本发明的位移传递齿轮的正视图。
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：
本发明提供的一种基于单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测装置，其特征在于：包括：基座1、位移采集单元、位移转换单元、测量单元和处理单元，所述位移采集单元和位移转换单元设置于所述基座1上，所述位移采集单元的输出端与所述位移转换单元的输入端连接，所述位移转换单元的输出端与所述测量单元的输入端连接，所述测量单元用于测量位移引起的单模光纤的弯曲损耗并将数据传送至处理单元，所述处理单元根据所述数据获得与当前数据相应的位移量；所述测量单元包括光功率计和光源，所述光源和光功率计分别与对折后的单模光纤的两端连接，所述光功率计采用现有的光功率仪器，如OTDR，在此不再赘述；所述处理器采用现有的芯片或者集成电路，在此不再赘述；
所述位移采集单元包括齿条3、设置于基座1底部与所述齿条3适形配合供齿条3左右滑动的滑槽1.1，齿条3的一端设置于滑槽1.1内，齿条3的另一端贯穿基座1的侧壁与采集固定杆3.1固定连接。当待测目标发生位移时，齿条3会向左或向右移动，所述左右如图1所示的左右，并不形成对本方案的限制。
通过上述技术方案，通过位移采集单元采集待测目标的位移，所述位移采集单元的位移量经位移转换单元转换为齿轮的转动的弧长，并通过光纤安装组件，将齿轮的转动弧长，缩放为单模光纤的转动弧长，所述缩放比例等于齿轮2的半径与环形凹槽Ⅱ2.4的半径的比值，从而将待测目标的位移量缩放为光纤弯曲损耗可测范围，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，进而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，实现对待测物体位移量的监测，本发明具有结构简单、精度高、量程大、抗电磁干扰的优点；本领域技术人员，可根据实际的量程需要来设置齿轮的半径与环形凹槽Ⅱ2.4的半径的比值，通过改变位移缩放系数，可改变传感器的量程，更好的贴合实际使用要求。
所述位移转换单元包括单模光纤、用于安装单模光纤的单模光纤安装组件和齿轮2，所述齿轮2与齿条3啮合，且固定轴经齿轮固定孔1.2.1与齿轮2空转配合，所述固定轴与基座1固定连接，所述单模光纤安装组件与齿轮2固定连接。所述齿条3移动的距离与齿轮2转动的弧长相等。通过齿条3与齿轮2的啮合，将齿条采集的目标物体的位置移动1:1转化为齿轮2转动弧长，为后续测量测量做准备。为简化后期的位移转化计算，取位移转化齿轮2和拉杆齿条的位移转化比例选定为1：1，则选定的齿轮和齿条模数应为同一数值。当位移转化齿轮2和拉杆齿条3的模数比值不同时，本发明的传感器量程会相应的增大或者减小。
所述单模光纤安装组件包括单模光纤安装座和设置于齿轮2表面的环形凹槽Ⅰ2.1，所述单模光纤安装座与齿轮2共轴线，且所述单模光纤安装座一端与齿轮2固定连接，所述单模光纤基座的另一端设置有环形凹槽Ⅱ2.4，环形凹槽Ⅱ2.4的圆心与齿轮2的圆心在共一条直线上，所述单模光纤基座的侧壁设置有光纤固定槽2.3，所述光纤固定槽2.3的一端与环形凹槽Ⅱ2.4连通，光纤固定槽2.3的另一端经贯穿通孔2.2与环形凹槽Ⅰ2.1连通。通过上述技术方案，使齿轮2转动的角度和环形凹槽Ⅱ2.4的转动角度形同，但因齿轮2的半径与环形凹槽Ⅱ2.4的半径的不同，在本实施例中，环形凹槽Ⅱ2.4近似为圆形凹槽，环形凹槽Ⅱ2.4的半径小于齿轮2的半径，将齿轮2的转动弧长，等比例转换为环形凹槽Ⅱ2.4的转动弧长，从而将待测目标的位移量缩放为光纤弯曲损耗可测范围，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。
所述光纤固定槽2.3为弧形。光纤固定槽2.3的弧形是为了减小单模光纤的初始损耗，从而提高位移监测装置的测量精度。
所述光纤基座还包括用于引导单模光纤进出环形凹槽Ⅱ2.4的单模光纤引导槽1.2.2，单模光纤引导槽1.2.2的一端与环形凹槽Ⅱ2.4连通，单模光纤引导槽1.2.2的另一端悬空；在本实施例中，将通过单模光纤引导槽1.2.2的对折光纤用树胶将其胶合；所述监测装置还包括用于缠绕预留过渡光纤的光纤缠绕柱1.3，光纤缠扰柱1.3的一端与基座1固定连接，光纤缠绕柱1.3的另一端悬空；由于单模光纤4在实际操作中需要一定长度的过渡光纤，因光纤易在受外界力的作用时而断裂，故通过光纤缠绕柱可将一定长度的过渡光纤缠绕其上，使传感器在进行简单封装后即可直接应用于复杂环境中，而不用担心过渡光纤的放置问题。单模光纤对折后，沿环形凹槽Ⅰ2.1铺设，将对折后的单模光纤两端均通过贯穿孔2.2、光纤固定槽2.3后，将对折后的单模光纤的弯折端缠绕于环形凹槽Ⅱ2.4内，然后经光纤引导槽1.2.2引出，将预留的单模光纤经光纤缠绕柱1.3后沿基座1侧壁的通孔1.4，与测量单元连接。所述单模光纤的弯折端为单模光纤对折后并排的两段光纤；通过上述技术方案，单模光纤4经单模光纤安装组件与齿轮2固定在一起，不引起过多的初始弯曲损耗。同时也可以保证在位移传动齿轮2在做周向运动时，单模光纤4转入或转出环形凹槽2.4中，形成半径一定的圆弧长，由于圆弧长为两段对折的光纤，较大的增加损耗信号的灵敏度，从而将外界位移变化量转化为半径一定的、弧长随外界位移改变的光纤长度量。
所述监测装置还包括与基座1可拆卸连接的顶盖。实现防雨、防潮、防尘，从而保护基座1、位移采集单元、位移转换单元、测量单元和处理单元。
相应地，本发明还提供一种单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测方法，其特征在于：单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测方法适用于权利要求1-6任一所述的单模光纤完全损耗的大量程位移监测装置，所述方法包括如下步骤：
S1：将齿条3的固定杆3.1的自由端和基座1分别与产生相对位移的待测目标连接；
S2：读取光功率计读数，计算与当前光功率计读数对应的位移量；
所述位移量△L采用如下方法确定：
其中，△L表示测量的位移量，I0表示光功率计的初始读数，I△L表示光功率计的当前读数，R表示齿轮2的半径，r表示环形凹槽Ⅱ2.4的半径，αc.r表示沿环形凹槽Ⅱ2.4缠绕的光纤单位长度上的弯曲损耗值，可通过光纤本身性质及测量仪器参数确定。
齿轮2的圆心与环形凹槽2.4的圆心位于同一直线上，即齿轮2的圆心与环形凹槽2.4的圆心共轴线，当齿轮2的半径R和环形凹槽2.4的半径r共同绕圆心旋转ω时，它们端点扫过的弧长分别为Sr＝ωr和SR＝ωR，设位移缩放系数为T，则
其中，T表示移缩放系数，R表示齿轮2的半径，r表示环形凹槽2.4的半径，ω表示转动角度；
位移缩放系数T仅与同心圆半径的比值有关。当齿条3的线性位移△L时，与齿条模数一致的位移转化齿轮2会相应的产生弧长为△SR＝△L的圆弧形位移，通过同心圆旋转位移缩放作用，光纤将产生的弧长变化为：
其中，△Sr表示环形凹槽2.4的转动弧长，△SR表示齿轮2转动的弧长，T表示移缩放系数，R表示齿轮2的半径，r表示环形凹槽2.4的半径，△L表示齿条3的线性位移；
由于光纤采用对折形式在贯穿孔穿出，故随齿轮一起做旋转运动的光纤为两根，且光纤旋转圆形绕槽的运动半径为r，则因此产生的光纤弯曲损耗变化为:
其中，△Is表示单模光纤弯曲损耗，△Sr表示环形凹槽2.4的转动弧长，R表示齿轮2的半径，r表示环形凹槽2.4的半径，αc.r表示沿环形凹槽Ⅱ2.4缠绕的光纤单位长度上的弯曲损耗值，可通过光纤本身性质及测量仪器参数确定。
在实际应用时，我们只需通过测量和标注传感器的初始功率I0，以及当前位移△L时的功率I△L，即可计算得到位移△L，
式中，△L表示测量的位移量，I0表示光功率计的初始读数，I△L表示光功率计的当前读数，R表示齿轮2的半径，r表示环形凹槽Ⅱ2.4的半径，
为传感器的标准传感系数。
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 (9)
1.一种基于单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测装置，其特征在于：包括：基座1、位移采集单元、位移转换单元、测量单元和处理单元；
所述基座1用于安装位移采集单元和位移转换单元，即所述位移采集单元和位移转换单元设置于所述基座1上；
所述位移采集单元用于采集待测目标的位移；
所述位移转换单元用于将所述位移采集单元采集的位移转换为单模光纤弯曲损耗可测量范围内的位移；
所述测量单元用于测量单模光纤的弯曲损耗，并将所述损耗值传入处理单元；
所述处理单元用于接收所述测量单元的数据并计算所述数据对应的位移量；
所述位移采集单元包括齿条3、设置于基座1底部与所述齿条3适形配合供齿条3左右滑动的滑槽1.1，齿条3的一端设置于滑槽1.1内，齿条3的另一端贯穿基座1的侧壁与采集固定杆3.1固定连接。
2.根据权利要求1所述基于单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测装置，其特征在于：所述位移转换单元包括单模光纤、用于安装单模光纤的单模光纤安装组件和齿轮2，所述齿轮2与齿条3啮合，且固定轴经齿轮固定孔1.2.1与齿轮2空转配合，所述固定轴与基座1固定连接，所述单模光纤安装组件与齿轮2固定连接。
3.根据权利要求2所述基于单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测装置，其特征在于：所述齿条3移动的距离与齿轮2转动的弧长相等。
4.根据权利要求2所述基于单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测装置，其特征在于：所述单模光纤安装组件包括单模光纤安装座和设置于齿轮2表面的环形凹槽Ⅰ2.1，所述单模光纤安装座与齿轮2共轴线，且所述单模光纤安装座一端与齿轮2固定连接，所述单模光纤基座的另一端设置有环形凹槽Ⅱ2.4，环形凹槽Ⅱ2.4的圆心与齿轮2的圆心在共一条直线上，所述单模光纤基座的侧壁设置有光纤固定槽2.3，所述光纤固定槽2.3的一端与环形凹槽Ⅱ2.4连通，光纤固定槽2.3的另一端经贯穿通孔2.2与环形凹槽Ⅰ2.1连通。
5.根据权利要求3所述基于单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测装置，其特征在于：所述光纤固定槽2.3为弧形。
6.根据权利要求4所述基于单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测装置，其特征在于：所述光纤基座还包括用于引导单模光纤进出环形凹槽Ⅱ2.4的单模光纤引导槽1.2.2，单模光纤引导槽1.2.2的一端与环形凹槽Ⅱ2.4连通，单模光纤引导槽1.2.2的另一端悬空。
7.根据权利要求5所述基于单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测装置，其特征在于：所述监测装置还包括用于缠绕预留过渡光纤的光纤缠绕柱1.3，光纤缠扰柱1.3的一端与基座1固定连接，光纤缠扰柱1.3的另一端悬空；
一根单模光纤对折后，将对折部分沿环形凹槽Ⅰ2.1固定，对折后的两端均通过贯穿孔2.2、光纤固定槽2.3，并沿环形凹槽Ⅱ2.4缠绕，经光纤引导槽1.2.2引出，将预留的单模光纤经光纤缠绕柱1.3后沿基座1侧壁的通孔1.4，与测量单元连接。
8.根据权利要求6所述基于单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测装置，其特征在于：所述监测装置还包括与基座1可拆卸连接的顶盖。
9.一种单模光纤弯曲损耗的大量程位移确定方法，其特征在于：单模光纤弯曲损耗的大量程位移监测方法适用于权利要求1-6任一所述的单模光纤完全损耗的大量程位移监测装置，所述方法包括如下步骤：
S1：将齿条3的固定杆3.1的自由端和基座1分别与产生相对位移的待测目标连接；
S2：读取光功率计读数，计算与当前光功率计读数对应的位移量；
所述位移量△L采用如下方法确定：
其中，△L表示测量的位移量，I0表示光功率计的初始读数，I△L表示光功率计的当前读数，R表示齿轮2的半径，r表示环形凹槽Ⅱ2.4的半径，αc.r表示沿环形凹槽Ⅱ2.4缠绕的光纤单位长度上的弯曲损耗值，可通过光纤本身性质及测量仪器参数确定。
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