CN111322966B - 用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器 - Google Patents

用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤传感器检测领域，公开了用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器，具体包括：外壳，光纤导入孔，光纤导出孔，第一悬臂梁，第二悬臂梁，Bragg光栅；所述光纤导入孔和所述光纤导出孔设置于所述外壳上；所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁以相互垂直的方向固定于所述外壳内部；所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁上均设置有所述Bragg光栅。解决了在实际应用中，输电电杆(或杆塔)的倾斜方向不固定，当输电电杆(或杆塔)的倾斜方向与倾角传感器的测量方向不同时，只能够在一个平面内监测的倾角传感器将不能及时监测到输电电杆(或杆塔)的倾斜的技术问题。

Description

用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感器检测领域，尤其涉及用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器。利用光纤传感技术、信号处理技术实现对传感器左右和前后两种倾斜角度的检测，适用且不限于电力行业中输电电杆(或杆塔)倾斜的检测。
背景技术
倾角传感器是一种用于检测物体相对于某个基准平面倾斜角度的仪器，由于其安装便捷、实现方式多种多样的特点，应用范围十分广泛。随着时代的发展，目前传统的电信号倾角传感器一般都具有良好的测量精度和分辨率，但其容易受电磁干扰的影响，对工作环境有一定的要求，使其不适用于电力行业中输电电杆(或杆塔)倾斜角度的测量，尤其是在山区等自然环境恶劣的地区，更加不能胜任。
光纤Bragg光栅传感器的基本原理是将光纤特定位置制成折射率周期分布的光栅区，使得特定波长的光波在这个区域内将被反射，反射的中心波长和光栅周期和纤芯的有效折射率有关，而光栅周期和纤芯的有效折射率对温度和应变敏感，基于上述原理能够制成各类光纤Bragg传感器，这类传感器普遍具有耐高温、耐腐蚀、耐电磁干扰等优点，能够适用于各类复杂的监测环境。
目前常见的光纤Bragg光栅倾角传感器都采用了一个等强度悬臂梁结构，只能够在一个平面内倾斜角度的测量，然而实际应用中，输电电杆的倾斜方向不固定，当输电电杆的倾斜方向与倾角传感器的测量方向不同时，只能够在一个平面内监测的倾角传感器将不能及时监测到输电电杆的倾斜。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器，在传统的倾角传感器的基础上增加了一个等强度悬臂梁结构，能够实现左右和前后两种倾斜角度的测量，适用但不限于电力行业输电电杆(或杆塔)倾斜角度的监测。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器，包括外壳，光纤导入孔，光纤导出孔，第一悬臂梁，第二悬臂梁，Bragg光栅；
所述光纤导入孔和所述光纤导出孔设置于所述外壳上；
所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁以相互垂直的方向固定于所述外壳内部；
所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁上均设置有所述Bragg光栅。
进一步地，所述光纤导入孔和所述光纤导出孔开设于所述外壳的同一平面中心点上下对称的位置上；
光纤从所述光纤导入孔进入，在所述外壳内，按照所述第一悬臂梁的上侧，所述第二悬臂梁的上侧，所述第二悬臂梁的下侧，所述第一悬臂梁的下侧的顺序，绕接所述光纤，绕接后经所述光纤导出孔导出。
进一步地，倾角传感器，还包括第一关节轴承和第二关节轴承；
所述第一悬臂梁通过所述第一关节轴承固定于所述外壳内部；
所述第二悬臂梁通过所述第二关节轴承固定于所述外壳内部。
进一步地，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁一体成型，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁的自由端位于所述外壳的中心位置；
所述自由端的下方连接有一重物，所述重物与所述自由端一体成型。
进一步地，所述第一悬臂梁的上下两侧对称的开设有第一光栅安置位和第二光栅安置位；所述第二悬臂梁的上下两侧对称的开设有第三光栅安置位和第四光栅安置位；
所述第一光栅安置位、所述第二光栅安置位、所述第三光栅安置位和所述第四光栅安置位用于粘贴所述Bragg光栅。
进一步地，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁为两个等强度的悬臂梁，采用相同的材料制成，并且长度相同，厚度相同，与所述第一关节轴承和所述第二关节轴承的连接方式相同。
进一步地，倾角传感器还包括密封装置；
所述密封装置设置于所述光纤导入孔，所述光纤导出孔，所述第一关节轴承和所述第二关节轴承上。
进一步地，所述倾角传感器的倾斜角度具体的计算过程为：
当所述第一悬臂梁的方向上发生倾斜时：
所述重物对所述第一悬臂梁施加的压力为F1，具体为：
F1＝mg cosθ1 (1)
其中，g为重力加速度；m为所述重物的质量；θ1为所述倾角传感器相对于竖直方向倾斜的角度；
所述第一悬臂梁的轴向应变ε为：
Figure GDA0003206048000000031
其中，h为所述第一悬臂梁的厚度；L为所述第一悬臂梁的长度；Δd为所述第一悬臂梁自由端产生的挠度；
由材料力学原理可得，此时所述第一悬臂梁自由端产生的挠度满足：
Figure GDA0003206048000000032
其中，b为所述第一悬臂梁自由端的宽度；E为所述第一悬臂梁的弹性模量；
当所述倾角传感器发生倾斜时，所述Bragg光栅反射波长的变化满足：
Figure GDA0003206048000000033
其中，a1为所述Bragg光栅的应变灵敏系数；
Figure GDA0003206048000000034
为所述Bragg光栅的温度灵敏系数；λ1为所述第一悬臂梁上侧的所述Bragg光栅的中心波长；Δλ1为所述第一悬臂梁上侧的所述Bragg光栅的中心波长变化量；ΔT为所述倾角传感器倾斜时温度的变化量；
所述第一悬臂梁下侧选取与上侧相同材料的所述Bragg光栅，应变灵敏系数和温度灵敏系数相同，两个所述Bragg光栅产生的轴向应变数值相等，符号相反，下侧的所述Bragg光栅反射波长的变化满足：
Figure GDA0003206048000000035
其中λ2为所述第一悬臂梁下侧的所述Bragg光栅的中心波长；Δλ2为所述第一悬臂梁下侧的所述Bragg光栅的中心波长变化量；
由式(1)-(5)，可得所述倾角传感器的倾斜角度如下：
Figure GDA0003206048000000036
当所述第二悬臂梁的方向上发生倾斜时，与所述第一悬臂梁发生倾斜时的计算过程相同：
Figure GDA0003206048000000037
其中，θ2为所述倾角传感器相对于竖直方向倾斜的角度；λ3为所述第二悬臂梁上侧的所述Bragg光栅的中心波长；λ4为所述第二悬臂梁下侧的所述Bragg光栅的中心波长；Δλ3为所述第二悬臂梁上侧的所述Bragg光栅的中心波长变化量；Δλ4为所述第二悬臂梁下侧的所述Bragg光栅的中心波长变化量；
当所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁的方向都发生倾斜时，此时通过对所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁分别做受力分析可以得到：
Figure GDA0003206048000000041
Figure GDA0003206048000000042
由式(8)，(9)计算得到所述倾角传感器两个倾斜的角度θ1和角度θ1，从而完成对输电电杆两个维度的角度倾斜量的检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器，设计了两个双臂梁在不同的平面上对倾角进行监测。解决了在实际应用中，输电电杆的倾斜方向不固定，当输电电杆的倾斜方向与倾角传感器的测量方向不同时，只能够在一个平面内监测的倾角传感器将不能及时监测到输电电杆的倾斜的技术问题。
附图说明
图1为本发明倾角传感器正视结构剖视图(y-o-z平面上中心截面)；
图2为本发明倾角传感器侧视结构剖视图(x-o-z平面上中心截面)。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性工作前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
实施例一
如图1和图2所示，本实施例公开了用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器的具体实施例。具体包括：外壳1，光纤导入孔2，光纤导出孔8，第一悬臂梁6，第二悬臂梁12，Bragg光栅；
所述光纤导入孔2和所述光纤导出孔8设置于所述外壳1上；
所述第一悬臂梁6和所述第二悬臂梁12以相互垂直的方向固定于所述外壳1内部；
所述第一悬臂梁6和所述第二悬臂梁12上均设置有所述Bragg光栅。
进一步地，所述光纤导入孔2和所述光纤导出孔8开设于所述外壳1的同一平面中心点上下对称的位置上；
光纤3从所述光纤导入孔2进入，在所述外壳1内，按照所述第一悬臂梁6的上侧，所述第二悬臂梁的12的上侧，所述第二悬臂梁12的下侧，所述第一悬臂梁6的下侧的顺序，绕接所述光纤3，绕接后经所述光纤导出孔8导出。
具体的，在本实施例中，外壳1选用一个空心的正方体结构。相对于其他的形状的外壳，由于正方体的方正结构，正方体的每一条边都可以直接用于标记xyz轴，当输电电杆发生倾斜时更容易发现。因此，本发明优选空心正方体作为倾角传感器的外壳。但是本发明的外壳不仅限于正方体，实际应用中包括长方体，球体在内的各种立方体都可应用于本发明的外壳。
本实施例包括第一悬臂梁6和第二悬臂梁12两个悬臂梁，两个悬臂梁以相互垂直的方向设置，当外壳选用正方体结构时，可以将第一悬臂梁6固定在正方体的左侧面，将第二悬臂梁12规定在正方体的前表面。在材料上两个悬臂梁可以选用等强度的材料制作而成，并且设计成长度相同，厚度相同，连接方式均相同的两个悬臂梁。此为本发明的优选方案，实际应用中还可以有不同的设计，在此不在赘述。
进一步地，还包括第一关节轴承5和第二关节轴承11；
所述第一悬臂梁6通过所述第一关节轴承5固定于所述外壳1内部；
所述第二悬臂梁12通过所述第二关节轴承11固定于所述外壳1内部。
第一关节轴承5和第二关节轴承11用于固定两个悬臂梁，优选的可设置于立方体左侧面的中心点位置和前表面的中心点位置。
进一步地，所述第一悬臂梁6和所述第二悬臂梁12一体成型，所述第一悬臂梁6和所述第二悬臂梁12的自由端位于所述外壳1的中心位置；
所述自由端的下方连接有一重物9，所述重物9与所述自由端一体成型，即重物9与两个悬臂梁的交叉处一体成型。
进一步地，所述第一悬臂梁6的上下两侧对称的开设有第一光栅安置位4和第二光栅安置位7；所述第二悬臂梁12的上下两侧对称的开设有第三光栅安置位10和第四光栅安置位13；
所述第一光栅安置位4、所述第二光栅安置位7、所述第三光栅安置位10和所述第四光栅安置位13用于粘贴所述Bragg光栅。
进一步地，所述第一悬臂梁6和所述第二悬臂梁12为两个等强度的悬臂梁，采用相同的材料制成，并且长度相同，厚度相同，与所述第一关节轴承5和所述第二关节轴承11的连接方式相同。
进一步地，还包括密封装置；
所述密封装置设置于所述光纤导入孔2，所述光纤导出孔8，所述第一关节轴承5和所述第二关节轴承11上。
设置密封装置的作用为：确保立方体内部的温湿度恒定，为倾角传感器创造一个良好的工作环境。
实施例二
本实施例提供了倾角传感器的倾斜的角度具体的计算过程的实施例，具体为：
首先分析一维角度的情况，还是以外壳为正方体，两个悬臂梁相互垂直为例进行说明：
第一种情况是倾角传感器只发生左右(±y方向)倾斜，即在第一悬臂梁6的方向上发生倾斜时，设倾角传感器相对于竖直方向(z方向)的倾斜角度为θ1，对重物9做受力分析，易知重物9的重力对左右方向的悬臂梁上施加一个压力F1。
所述重物9对所述第一悬臂梁6施加的压力为F1，具体为：
F1＝mg cosθ1 (1)
其中，g为重力加速度；m为所述重物9的质量；θ1为所述倾角传感器相对于竖直方向倾斜的角度。
所述第一悬臂梁6的轴向应变ε为：
Figure GDA0003206048000000071
其中，h为所述第一悬臂梁6的厚度；L为所述第一悬臂梁6的长度；Δd为所述第一悬臂梁6自由端产生的挠度；
由材料力学原理可得，此时所述第一悬臂梁6自由端产生的挠度满足：
Figure GDA0003206048000000072
其中，b为所述第一悬臂梁6自由端的宽度；E为所述第一悬臂梁6的弹性模量；
当所述倾角传感器发生倾斜时，所述Bragg光栅反射波长的变化满足：
Figure GDA0003206048000000073
其中，a1为所述Bragg光栅的应变灵敏系数；
Figure GDA0003206048000000074
为所述Bragg光栅的温度灵敏系数；λ1为所述第一悬臂梁6上侧的所述Bragg光栅的中心波长；Δλ1为所述第一悬臂梁6上侧的所述Bragg光栅的中心波长变化量；ΔT为所述倾角传感器倾斜时温度的变化量；
等强度悬臂梁下侧选取与上侧相同材料的所述Bragg光栅，因此在分析时可以认为两根Bragg光栅的应变灵敏系数和温度灵敏系数相同，而两根光栅分别位于等强度悬臂梁的上下侧，距离较近，可以近似认为两个光栅的温度变化量相同。因此，两个所述Bragg光栅产生的轴向应变数值相等，符号相反，下侧的所述Bragg光栅反射波长的变化满足：
Figure GDA0003206048000000075
其中λ2为所述第一悬臂梁6下侧的所述Bragg光栅的中心波长；Δλ2为所述第一悬臂梁6下侧的所述Bragg光栅的中心波长变化量；
由式(1)-(5)，可得所述倾角传感器的倾斜角度如下：
Figure GDA0003206048000000076
由式(6)可得，当倾角传感器左右倾斜时，通过光谱解调仪检测出等强度悬臂梁上下侧两根Bragg光栅的反射波长变化就可以计算得到输电电杆(或杆塔)倾斜的角度了。
第二种情况是倾角传感器只发生前后(±x方向)倾斜，即在第二悬臂梁12的方向上发生倾斜时，设倾角传感器相对于竖直方向(z方向)的倾斜角度为θ2，这种情况下受力分析与第一种情况类似，与所述第一悬臂梁6发生倾斜时的计算过程相同，可得：
Figure GDA0003206048000000081
其中，θ2为所述倾角传感器相对于竖直方向倾斜的角度；λ3为所述第二悬臂梁12上侧的所述Bragg光栅的中心波长；λ4为所述第二悬臂梁12下侧的所述Bragg光栅的中心波长；Δλ3为所述第二悬臂梁12上侧的所述Bragg光栅的中心波长变化量；Δλ4为所述第二悬臂梁12下侧的所述Bragg光栅的中心波长变化量；
第三种情况是，倾角传感器既产生了左右倾斜，也产生了前后倾斜，即当所述第一悬臂梁6和所述第二悬臂梁12的方向都发生倾斜时，此时通过对所述第一悬臂梁6和所述第二悬臂梁12分别做受力分析可以得到：
Figure GDA0003206048000000082
Figure GDA0003206048000000083
由式(8)，(9)计算得到所述倾角传感器两个倾斜的角度θ1和角度θ1，从而完成对输电电杆两个维度的角度倾斜量的检测。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于，包括外壳(1)，光纤导入孔(2)，光纤导出孔(8)，第一悬臂梁(6)，第二悬臂梁(12)，Bragg光栅；
所述光纤导入孔(2)和所述光纤导出孔(8)设置于所述外壳(1)上；
所述第一悬臂梁(6)和所述第二悬臂梁(12)以相互垂直的方向固定于所述外壳(1)内部；
所述第一悬臂梁(6)和所述第二悬臂梁(12)上均设置有所述Bragg光栅；
所述第一悬臂梁(6)和所述第二悬臂梁(12)一体成型，所述第一悬臂梁(6)和所述第二悬臂梁(12)的自由端位于所述外壳(1)的中心位置；所述自由端的下方连接有一重物(9)，所述重物(9)与所述自由端一体成型；
其中，所述倾角传感器的倾斜的角度具体的计算过程为：
当所述第一悬臂梁(6)的方向上发生倾斜时：
所述重物(9)对所述第一悬臂梁(6)施加的压力为F1，具体为：
F1＝mgcosθ1 (1)
其中，g为重力加速度；m为所述重物(9)的质量；θ1为所述倾角传感器相对于竖直方向倾斜的角度；
所述第一悬臂梁(6)的轴向应变ε为：
Figure FDA0003206047990000011
其中，h为所述第一悬臂梁(6)的厚度；L为所述第一悬臂梁(6)的长度；Δd为所述第一悬臂梁(6)自由端产生的挠度；
由材料力学原理可得，此时所述第一悬臂梁(6)自由端产生的挠度满足：
Figure FDA0003206047990000012
其中，b为所述第一悬臂梁(6)自由端的宽度；E为所述第一悬臂梁(6)的弹性模量；
当所述倾角传感器发生倾斜时，所述Bragg光栅反射波长的变化满足：
Figure FDA0003206047990000013
其中，a1为所述Bragg光栅的应变灵敏系数；
Figure FDA0003206047990000014
为所述Bragg光栅的温度灵敏系数；λ1为所述第一悬臂梁(6)上侧的所述Bragg光栅的中心波长；Δλ1为所述第一悬臂梁(6)上侧的所述Bragg光栅的中心波长变化量；ΔT为所述倾角传感器倾斜时温度的变化量；
所述第一悬臂梁(6)下侧选取与上侧相同材料的所述Bragg光栅，应变灵敏系数和温度灵敏系数相同，两个所述Bragg光栅产生的轴向应变数值相等，符号相反，下侧的所述Bragg光栅反射波长的变化满足：
Figure FDA0003206047990000021
其中λ2为所述第一悬臂梁(6)下侧的所述Bragg光栅的中心波长；Δλ2为所述第一悬臂梁(6)下侧的所述Bragg光栅的中心波长变化量；
由式(1)-(5)，可得所述倾角传感器的倾斜角度如下：
Figure FDA0003206047990000022
当所述第二悬臂梁(12)的方向上发生倾斜时，与所述第一悬臂梁(6)发生倾斜时的计算过程相同：
Figure FDA0003206047990000023
其中，θ2为所述倾角传感器相对于竖直方向倾斜的角度；λ3为所述第二悬臂梁(12)上侧的所述Bragg光栅的中心波长；λ4为所述第二悬臂梁(12)下侧的所述Bragg光栅的中心波长；Δλ3为所述第二悬臂梁(12)上侧的所述Bragg光栅的中心波长变化量；Δλ4为所述第二悬臂梁(12)下侧的所述Bragg光栅的中心波长变化量；
当所述第一悬臂梁(6)和所述第二悬臂梁(12)的方向都发生倾斜时，此时通过对所述第一悬臂梁(6)和所述第二悬臂梁(12)分别做受力分析可以得到：
Figure FDA0003206047990000024
Figure FDA0003206047990000025
由式(8)，(9)计算得到所述倾角传感器两个倾斜的角度θ1和角度θ1，从而完成对输电电杆或杆塔两个维度的角度倾斜量的检测。
2.根据权利要求1所述的用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于，所述光纤导入孔(2)和所述光纤导出孔(8)开设于所述外壳(1)的同一平面中心点上下对称的位置上；
光纤(3)从所述光纤导入孔(2)进入，在所述外壳(1)内，按照所述第一悬臂梁(6)的上侧，所述第二悬臂梁(12)的上侧，所述第二悬臂梁(12)的下侧，所述第一悬臂梁(6)的下侧的顺序，绕接所述光纤(3)，绕接后经所述光纤导出孔(8)导出。
3.根据权利要求1所述的用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于，还包括第一关节轴承(5)和第二关节轴承(11)；
所述第一悬臂梁(6)通过所述第一关节轴承(5)固定于所述外壳(1)内部；
所述第二悬臂梁(12)通过所述第二关节轴承(11)固定于所述外壳(1)内部。
4.根据权利要求1所述的用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于，
所述第一悬臂梁(6)的上下两侧对称的开设有第一光栅安置位(4)和第二光栅安置位(7)；
所述第二悬臂梁(12)的上下两侧对称的开设有第三光栅安置位(10)和第四光栅安置位(13)；
所述第一光栅安置位(4)、所述第二光栅安置位(7)、所述第三光栅安置位(10)和所述第四光栅安置位(13)用于粘贴所述Bragg光栅。
5.根据权利要求3所述的用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于，所述第一悬臂梁(6)和所述第二悬臂梁(12)为两个等强度的悬臂梁，采用相同的材料制成，并且长度相同，厚度相同，与所述第一关节轴承(5)和所述第二关节轴承(11)的连接方式相同。
6.根据权利要求3所述的用于电杆的两个等强度双臂梁的光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于，还包括密封装置；
所述密封装置设置于所述光纤导入孔(2)，所述光纤导出孔(8)，所述第一关节轴承(5)和所述第二关节轴承(11)上。
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