CN111537119B - 一种带温度补偿的高精度光纤光栅位移计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带温度补偿的高精度光纤光栅位移计，包括敏感部件、弹簧和探杆，敏感部件、弹簧和探杆在同一中心轴线上依次连接。敏感部件包括光纤基座、应变测量光纤光栅和温度测量光纤光栅，应变测量光纤光栅和温度测量光纤光栅均设置于光纤基座上。敏感部件与弹簧在同一中心轴线上，测量过程中受影响因素较少，传感器重复性及迟滞误差小，线性拟合精度高。光纤光栅包括一个应变光栅和一个温度光栅，当环境温度发生变化时，通过温度光栅对应变光栅进行温度补偿，具备温度补偿功能，提高了测量精度。光纤光栅位移计结构简单，性能稳定，可同时测量位移及温度。
Description
技术领域
本发明属于位移检测技术领域，具体涉及一种带温度补偿的高精度光纤光栅位移计。
背景技术
近年来，国家加大基础设施投资建设力度，但同时各种自然灾害频发，对工程安全监测的要求越来越高。在桥梁、隧道、大坝、地下工程、边坡等重大工程结构的施工过程监测中以及运行过程的长期健康监测中，位移检测是测量技术中最基本的测量项目之一，是多种物理量测量的基础。位移传感器按工作原理的不同可分为电阻式、振弦式、电感式和电容式等。传统的常规监测技术在远距离传输以及抗电磁干扰等方面存在一定的缺陷，导致在一些领域应用受限。光纤光栅是近10年来出现的一种新型智能传感元件，可以实现非电测量，与传统传感器相比具有很多优点，如灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、耐腐蚀、电气绝缘等，适合在恶劣环境中工作，具有广泛的应用前景。
在桥梁、隧道、大坝、地下工程、边坡等重大工程结构的施工过程监测中以及运行过程的长期健康监测中，位移检测是测量技术中最基本的测量项目之一，是多种物理量测量的基础。目前，在土木工程中常用的位移计多为电阻应变式位移计和振弦式位移计，但是传统位移计抗电磁干扰能力较差、抗雷击能力较差、传输距离不远、长期稳定性和可靠性不好等缺点使其应用有一定的局限性。近十几年来，随着光纤光栅制作技术的日益成熟、光纤光栅解调技术日益完善，使得具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗雷击、不受光功率波动影响、长期可靠性和稳定性好、信号长距离传输、波分复用组网等诸多优点的光纤光栅传感器应用越来越收到关注，光纤光栅传感技术在土木工程领域的应用方兴未艾，也越来越多地应用到位移监测领域中。
由于光纤光栅的长度约为 20mm 左右，本身可以产生的形变非常小。而工程现场所需的位移测量范围至少10mm，因此，直接使用光纤光栅来制作位移计是不行的，必须将工程现场所需的位移测量范围通过一定的结构线性的缩小为一个与光纤光栅能够承受的形变量匹配的范围，才能满足工程实用化的要求。现有技术主要是采用等强度梁方式，即将待测位移首先通过一定的机械结构转化为等强度梁自由端的位移，从而引起粘接在等强度梁表面的光纤光栅的形变，进而通过测量光纤光栅反射波长的变化量来实现待测位移的测量。
中国专利ZL 201120286959.8中公开了一种光纤光栅位移计，利用钢丝绳及定滑轮巧妙实现了待测位移与等强度梁自由端位移的转换。中国专利ZL 200620021099.4在弹簧和等强度梁之间通过换向件连接在一起，可以使弹簧所受的拉力通过换向件转换成等强度梁顶端的压力。上述两种方案都需要一个机械传动件 ( 分别为定滑轮和换向件 ) 和一个等强度梁来实现待测位移和光纤光栅所受应变之间的转换，导致结构设计较为繁琐，探杆与敏感部件无法在一条直线上，使其测量迟滞及重复性误差较大，导致线性拟合精度较差，影响仪器的稳定性和可靠性。中国专利CN 201110054668.0公开了一种直线式光纤光栅位移计，光纤光栅和与探杆连接在一起的弹簧分别固定在硬芯膜片的两侧，并都在硬芯膜片的中心轴线上，利用弹簧和硬芯膜片将较大的待测位移缩小为光纤光栅可以承受的微位移，进而实现待测位移的测量。上述方案虽然没有可转动的转换部件，测量精度好于前两种方案，但是硬芯膜片结构设计及光纤封装工艺较复杂，另外由于作用在硬芯膜片的拉力较大导致对弹簧的设计要求较高，影响弹簧寿命，进而影响仪器的长期稳定性和可靠性。而且，目前传感器一般不具备自动温度补偿功能，也会影响传感器测量的精度。
发明内容
本发明提供了一种带温度补偿的高精度光纤光栅位移计，解决了上述光纤位移计测量精度差、结构复杂的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种带温度补偿的高精度光纤光栅位移计，包括敏感部件、弹簧和探杆，所述敏感部件、所述弹簧和所述探杆在同一中心轴线上依次连接；所述敏感部件包括光纤基座、应变测量光纤光栅和温度测量光纤光栅，所述应变测量光纤光栅和所述温度测量光纤光栅均设置于所述光纤基座上。
进一步地，所述光纤基座为蛇形结构的弹性体。起到了较小拉力下即可产生变形、提高灵敏度的作用。
进一步地，所述敏感部件上设置保护壳体，所述保护壳体的一端内设置固定块，所述保护壳体的另一端连接探杆导向管；所述固定块与所述光纤基座连接，所述探杆位于所述探杆导向管内。
进一步地，所述敏感部件通过连接件与所述弹簧连接。
进一步地，所述应变测量光纤光栅和所述温度测量光纤光栅均通过环氧胶封装在所述光纤基座上。
进一步地，所述应变测量光纤光栅和所述温度测量光纤光栅的光纤尾纤均为铠装光缆。起到了保护光纤的作用。
进一步地，所述光纤基座的一端与所述固定块通过螺纹连接，所述光纤基座的另一端通过连接件与所述弹簧连接。
本发明所达到的有益效果：敏感部件与弹簧在同一中心轴线上，测量过程中受影响因素较少，传感器重复性及迟滞误差小，线性拟合精度高。光纤光栅包括一个应变光栅和一个温度光栅，当环境温度发生变化时，通过温度光栅对应变光栅进行温度补偿，具备温度补偿功能，提高了测量精度。光纤光栅位移传感器结构简单，性能稳定，可同时测量位移及温度，同时光纤光栅被良好保护，仪器不易损坏，适合在恶劣环境中长期工作。
本发明的光纤光栅位移计无需转接件，其测量精度高、灵敏度高、易装配、成品率高，具有良好的长期稳定性及可靠性，可实现一体化温度补偿。便于生产人员精细化操作，提高工作效率，降低生产成本，保证光纤光栅位移计的性能稳定可靠，适合工业化量产。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图中：1-铠装光缆；2-固定块；3-光纤基座；4-光纤光栅；5-保护壳体；6-连接件；7-弹簧；8-探杆导向管；9-探杆。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，一种带温度补偿的高精度光纤光栅位移计，包括敏感部件、弹簧7和探杆9，敏感部件、弹簧7和探杆9在同一中心轴线上从左往右依次连接。本实施例中，敏感部件通过连接件6与弹簧7连接。敏感部件包括光纤基座3和光纤光栅4，光纤光栅4设于光纤基座3上。所述光纤光栅4包括应变测量光纤光栅和温度测量光纤光栅，应变测量光纤光栅和温度测量光纤光栅均设置于光纤基座3上。敏感部件与弹簧7在同一中心轴线上，测量过程中受影响因素较少，传感器重复性及迟滞误差小，线性拟合精度高。光纤光栅4包括一个应变光栅和一个温度光栅，当环境温度发生变化时，通过温度光栅对应变光栅进行温度补偿，具备温度补偿功能，提高了测量精度。光纤光栅位移计结构简单，性能稳定，可同时测量位移及温度。
光纤基座3为蛇形结构的弹性体，在较小拉力下即可产生变形、提高灵敏度。光纤基座3结构设计与材料选择与对应弹簧7拉力相匹配，本实施例中，光纤基座3采用金属材料制成。应变测量光纤光栅和温度测量光纤光栅均通过环氧胶封装在光纤基座3上，应变测量光纤光栅在拉伸状态下封装，温度测量光纤光栅一直保持弯曲状态。
敏感部件安装于保护壳体5内，保护壳体5的一端内设置固定块2，保护壳体5的另一端连接探杆导向管8。固定块2与光纤基座3通过螺纹连接，探杆9在探杆导向管8内与弹簧7连接。本实施例中，光纤基座3的一端与固定块2通过螺纹连接，光纤基座3的另一端通过连接件6与弹簧7连接。
应变测量光纤光栅和所述温度测量光纤光栅的光纤尾纤均为铠装光缆1。光纤尾纤采用铠装光缆进行保护，使得光纤光栅4被良好保护，光纤光栅位移计不易损坏，适合在恶劣环境中长期工作。
工作基本原理：当外界待测位移发生变化时，探杆9带动弹簧7处于拉伸状态，弹簧7的拉力通过连接件6直接作用于光纤基座3上，由于光纤基座3具有弹性，所以光纤基座3受力会产生应变，光纤基座3产生的应变使光纤光栅4的中心波长发生变化，实现通过光纤光栅4中心波长变化测量外界位移。光纤光栅4包含一个应变光栅和一个温度光栅，当环境温度发生变化时，通过温度光栅对应变光栅进行温度补偿。
本发明的光纤光栅位移计测量精度高、灵敏度高、易装配、成品率高，具有良好的长期稳定性及可靠性，可实现一体化温度补偿。便于生产人员精细化操作，提高工作效率，降低生产成本，保证光纤光栅位移计的性能稳定可靠，适合工业化量产。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种带温度补偿的高精度光纤光栅位移计，其特征在于，包括敏感部件、弹簧和探杆，所述敏感部件、所述弹簧和所述探杆在同一中心轴线上依次连接；所述敏感部件包括光纤基座、应变测量光纤光栅和温度测量光纤光栅，所述应变测量光纤光栅和所述温度测量光纤光栅均设置于所述光纤基座上；所述光纤基座为蛇形结构的弹性体；所述应变测量光纤光栅和所述温度测量光纤光栅均通过环氧胶封装在所述光纤基座上；应变测量光纤光栅在拉伸状态下封装，温度测量光纤光栅一直保持弯曲状态。
2.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的高精度光纤光栅位移计，其特征在于，所述敏感部件上设置保护壳体，所述保护壳体的一端内设置固定块，所述保护壳体的另一端连接探杆导向管；所述固定块与所述光纤基座连接，所述探杆位于所述探杆导向管内。
3.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的高精度光纤光栅位移计，其特征在于，所述敏感部件通过连接件与所述弹簧连接。
4.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的高精度光纤光栅位移计，其特征在于，所述应变测量光纤光栅和所述温度测量光纤光栅的光纤尾纤均为铠装光缆。
5.根据权利要求2所述的一种带温度补偿的高精度光纤光栅位移计，其特征在于，所述光纤基座的一端与所述固定块通过螺纹连接，所述光纤基座的另一端通过连接件与所述弹簧连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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