CN112229345A - 一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器，包括基座、悬臂梁、光纤光栅、弹簧、质量块、阻尼液、内部光纤、引出光纤；所述悬臂梁悬挂于基座的内部上方位置，所述光纤光栅粘贴于悬臂梁的表面，所述弹簧悬挂于悬臂梁的下方，所述质量块悬挂于弹簧上；所述阻尼液位于基座的下部，阻尼液的液位高度超过质量块，低于悬臂梁的下部；所述光纤光栅通过内部光纤连接，并通过引出光纤引出到基座的外部。本发明旨在解决现有的光纤光栅倾斜传感器存在的对振动信息同时敏感、导致适用性差的技术问题，实现了质量块和悬臂梁之间只传递力而不传递振动的有益效果。

Description

一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器。

背景技术

倾斜信息监测对很多重大土木工程、精密机械装备的服役状态、安全评估及维护起着至关重要的作用，例如大型风电装备塔筒、桥梁吊塔工作时的倾斜状态、汽车侧倾状态等关键安全服役信息的监测。目前，倾斜信息的观测主要有全站仪、三维激光扫描等非接触式的测量和在被测对象上安装倾斜传感器测量两类。非接触型测量在图像处理或信号的算法解析等方面较为复杂，测量的精度和实时性不易保证，且易受雨水等天气影响而无法正常工作，可安装型倾斜传感器是目前倾斜监测的主要手段。

传统的电阻、电容、MEMS等原理的倾斜传感器以弱电/磁为输出信号，易受环境电磁干扰，且传感器信号引线多、传输距离严重受限，不利于大规模布点监测。

光纤光栅传感器以光为传感信号，展现出优越的测量性能和工程适用能力，在重大土木工程和机械装备的结构健康监测中取得了良好的社会与经济效益。基于光纤光栅原理的倾斜传感器技术也愈发得到科研人员重视，当前报道的光纤光栅倾斜传感器技术主要采用的是经典的悬臂摆结构。

现有技术中存在的主要问题包括：

现有的技术中，悬臂梁与摆动质量块或者光纤与摆动质量块之间为刚性固定，形成了一个振动弹性体，传感器的测量输出受振动影响很大而呈现出波动型曲线，导致只适合于静态或者准静态的倾斜信息测量。而对于机械装备、桥梁等实际被测对象而言，其工作时往往存在各种振动信息，而现有的光纤光栅倾斜传感器对振动信息同时敏感，需要避开共振、测量结果需要复杂信号处理等操作，导致传感器的适用性不好。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器，旨在解决现有的光纤光栅倾斜传感器存在的对振动信息同时敏感、导致适用性差的技术问题，实现了质量块和悬臂梁之间只传递力而不传递振动的有益效果。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器，包括：

基座，其内部包括凸台、凸起、侧面空腔、中心空腔、出纤孔，凸台位于基座上方，凸台上设置有两个螺孔；两个凸起位于基座下方，两个凸起形成了两个侧面空腔和一个中心空腔，基座顶部还设置有一个出纤孔；

悬臂梁，悬臂梁的上部设置有与基座凸台螺孔对应的两个通孔，悬臂梁下部设置有一个通孔；

光纤光栅，包括串接于同一根光纤上的第一光纤光栅和第二光纤光栅，第一光纤光栅和第二光纤光栅分别粘贴在悬臂梁的两个表面，两个光纤光栅之间的内部光纤放置在基座下方的右侧的侧面空腔内，两根引出光纤从基座上方的出纤孔穿出；

弹簧，弹簧的两端分别带有弯钩；

质量块，质量块上方设置有环钩，质量块位于基座中心空腔内，且与中心空腔之间为间隙配合；

所述弹簧的上端弯钩勾在悬臂梁下部的通孔中，下端弯钩勾在质量块上方的环钩中，实现两处活动连接；

阻尼液，所述阻尼液的液位高度超过质量块，但低于悬臂梁的下部；

盖板，覆盖于基座上，通过螺钉连接后，使基座内部密封。

工作原理如下：当光纤光栅倾斜传感器工作时，固定于被测对象上，随被测对象倾斜时，质量块和弹簧始终保持竖直状态，悬臂梁随基座一起倾斜，质量块、弹簧与悬臂梁之间出现倾斜夹角，悬臂梁出现弯曲，悬臂梁的两个表面产生符号相反的弯曲应变。两个光纤光栅分别感知弯曲应变，引起两个光纤光栅的光波长出现反向漂移。将两个光纤光栅的光波长漂移经过差值后，作为传感器的输出信号。经过测试标定，可以得到输出信号与倾斜角度的对应函数关系式。再开展倾斜测量时，根据实际的光波长漂移情况，结合函数关系式，即可反推出被测对象的倾斜情况。当被测对象存在振动信息时，由于质量块与悬臂梁之间为活动连接+弹簧+活动连接，质量块的振动将被两个活动连接和弹簧阻隔吸收，大大减小了振动对悬臂梁的影响，实现质量块和悬臂梁之间只传递力而不传递振动；而且阻尼液进一步约束了质量块的摆动，大大减小质量块的摆动，进一步实现了减振，使光纤光栅倾斜传感器进一步不受振动影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)与现有的光纤光栅倾斜传感器技术相比，质量块与悬臂梁之间呈现出活动连接+弹簧+活动连接的新机制，质量块的振动将被两个活动连接和弹簧阻隔吸收，大大减小了振动对悬臂梁的影响，实现质量块和悬臂梁之间只传递力而不传递振动的有益效果。

(2)通过在传感器内部添加阻尼液，进一步约束了质量块的摆动，大大减小质量块的摆动，进一步实现了减振，使光纤光栅倾斜传感器进一步不受振动影响。

(3)不受外界环境干扰，有利于大规模布点监测，该传感器的适用性大大提高。

附图说明

图1是本发明所提供的一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器的主视内部结构示意图。

图2是本发明所提供的一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器的基座的结构示意图。

图3是本发明所提供的一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器的左视内部结构示意图。

附图标记说明：1、基座；2、悬臂梁；3、光纤光栅；4、弹簧；5、质量块；6、阻尼液；7、内部光纤；8、引出光纤；9、盖板；1-1、凸台；1-2、凸起；1-3、侧面空腔；1-4、中心空腔；1-5、出纤孔；3-1、第一光纤光栅；3-2、第二光纤光栅。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明公开了一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器，包括基座1、悬臂梁2、光纤光栅3、弹簧4、质量块5、阻尼液6、内部光纤7、引出光纤8；所述悬臂梁2固定于基座1的内部上方位置，所述光纤光栅3粘贴于悬臂梁2的表面，所述弹簧4悬挂于悬臂梁2的下方，所述质量块5悬挂于弹簧4上；所述阻尼液6位于基座1的下部，阻尼液6的液位高度超过质量块5，低于悬臂梁2的下部；所述光纤光栅3通过内部光纤7连接，并通过引出光纤8引出到基座1的外部。

具体地，如图2所示，所述基座1为敞口的中空长方体形结构，基座1的内部包括凸台1-1、凸起1-2、侧面空腔1-3、中心空腔1-4、出纤孔1-5，所述凸台1-1位于基座1上方，凸台1-1上设置有两个螺孔；两个凸起1-2位于基座1下方，两个凸起1-2形成了两个侧面空腔1-3和一个中心空腔1-4，基座1顶部还设置有一个出纤孔1-5。

具体地，所述悬臂梁2的上方设置有与基座凸台1-1螺孔对应的两个通孔，悬臂梁2的下部设置有一个通孔；所述弹簧4的两端分别带有弯钩；所述质量块5的上方设置有环钩，质量块5位于基座1的中心空腔1-4内，且与中心空腔1-4之间为间隙配合。

具体地，所述光纤光栅3包括串接于同一根光纤上的第一光纤光栅3-1和第二光纤光栅3-2，所述第一光纤光栅3-1和第二光纤光栅3-2分别粘贴在悬臂梁2的两个表面，第一光纤光栅3-1和第二光纤光栅3-2之间的内部光纤7放置于基座1下方右侧的侧面空腔1-3内，两根引出光纤8从基座1上方的出纤孔1-5穿出。

所述弹簧4的上端弯钩勾在悬臂梁2下部的通孔中，下端弯钩勾在质量块5上方的环钩中，用于实现两处活动连接。

具体地，如图3所示，还包括盖板9，所述盖板9覆盖于基座1上，用于使基座1内部密封。

所述盖板9与基座1之间设有密封垫，并通过螺钉连接。

实施例

如图1所示，一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器，包括基座1、悬臂梁2、光纤光栅3、弹簧4、质量块5、阻尼液6、内部光纤7、引出光纤8。

如图2所示，本实施例中，在基座1的内部下侧设置有两个中心对称分布的凸起1-2，两个凸起1-2将基座1下部空间分隔成两个侧面空腔1-3和中心空腔1-4；基座1内部上侧加工有凸台1-1，凸台1-1上设置有两个螺纹孔，与悬臂梁2之间通过螺栓连接；基座1顶端还设置有一个出纤孔1-5，用于引出光纤8穿出。等强度悬臂梁2采用弹性和回复性优越的合金钢片，其上部设置有与基座1凸台螺孔对应的两个通孔，下部设置有一个通孔，上下表面经精细磨抛和清洁后，串接的第一光纤光栅3-1和第二光纤光栅3-2通过高温环氧胶黏剂固定在悬臂梁2上下表面的对应位置。

具体实施时，上下表面封装有光纤光栅3的悬臂梁2上部通孔与基座1中的凸台1-1两个螺孔相对应，螺栓穿过通孔将悬臂梁2与凸台1-1进行固定连接，引出光纤8通过出纤孔1-5穿出，留于基座1内部的多余光纤置于侧面空腔1-3中。弹簧4上下端设置有超过两圈的连接环，一端与悬臂梁2自由端通孔连接，另一端与质量块5上方环勾连接，可保证弹簧与部件之间连接可靠且无转动约束。质量块5为圆柱体结构，与悬臂梁2之间通过弹簧4连接，在自身重力作用下，正好处于中心空腔1-4中，质量块5与中心空腔1-4之间采用间隙配合，其可在倾斜测量方向发生摆动，而非测量方向上的移动受限制，避免了质量块5在非测量方向上的摆动对测量结果的影响。灌注一定量的阻尼液6，应保证传感器装配完后其液位高度超过质量块5，但低于悬臂梁2自由端。盖上盖板9，基座1与盖板9之间有密封垫，保证阻尼液不泄露。

具体使用时，将本光纤光栅传感器竖直地固定于被测对象上，此时质量块5和弹簧4始终保持竖直状态，且与悬臂梁2之间的夹角为零，当被测对象产生倾斜时，传感器也发生相同的倾斜角度的变化，此时质量块5因重力的作用而发生摆动，质量块5、弹簧4与悬臂梁2之间出现倾斜夹角，悬臂梁2发生弯曲，其上下表面产生符号相反的弯曲应变。粘贴在悬臂梁2上下表面的第一光纤光栅3-1和第二光纤光栅3-2受到应变变化，带来两个光纤光栅的中心波长均发生漂移，第一光纤光栅3-1和第二光纤光栅3-2分别受到正负应变作用，两个光纤光栅的中心波长发生符号相反的漂移，将两个光纤光栅的光波长漂移量进行差值处理，作为传感器的输出信号。在实验室中可先对光纤光栅传感器进行标定试验，将传感器固定在倾角标定装置上，标定装置上装有高精度倾角计，通过设置不同的倾斜状态，获得不同状态下的波长漂移量，通过数据处理得出倾斜角度和波长漂移量之间的函数关系，在实际应用时，可根据光波长漂移情况反推出被测对象的倾斜情况。

当被测对象存在振动信息时，由于质量块5与悬臂梁2之间通过弹簧4两端的弯钩相连接，连接关系为活动连接+弹簧+活动连接，质量块5的振动将被两个活动连接和弹簧4阻隔吸收，悬臂梁2上的弯曲力矩在振动状态下基本保持不变，质量块5和悬臂梁2之间只传递力而不传递振动，大大减小了振动信号对倾斜状态监测的的影响；质量块5完全浸没于阻尼液中，因此质量块5的摆动对振动信号并不敏感，阻尼液对质量块5起到了减振作用。光纤光栅倾斜传感器内置的弹簧-阻尼系统使得其在实际工况下不受振动影响。

本发明的测量原理如下：

对于初始中心波长为λ的光纤光栅，其波长的漂移量Δλ与其所受到的轴向应变Δε和所处的环境温度变化ΔT之间的关系为：

其中：α_f为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，P_e为光纤的有效弹光系数，常温时P_e约等于0.22。

悬臂梁2选用等强度梁，一端固定一端自由，作用于自由端的垂直力F和悬臂梁2表面某一位置处的应变ε之间的关系为：

其中：L为力作用点到悬臂梁2固定端的距离，E为悬臂梁2材料的弹性模量，b₀为悬臂梁2固定端表面起始宽度，h为悬臂梁的厚度。

两个光纤光栅3封装于悬臂梁2上下表面，当悬臂梁2受力产生弯曲变形，两个光纤光栅3分别感受拉应变和压应变，应变的绝对值大小相等，方向相反，即Δε₁＝-Δε₂，两个光纤光栅3所处温度场环境相同，因此温度对两支光纤光栅3的影响相同。

利用自差分补偿法可消除温度和应变交叉敏感的问题，则第一光纤光栅3-1的波长漂移量Δλ₁和第二光纤光栅3-2的波长漂移量Δλ₂的差值Δλ_1-2为：

Δλ_1-2＝Δλ₁-Δλ₂＝2λ₁(1-P_e)Δε (3)

第一光纤光栅3-1的波长漂移量和第二光纤光栅3-2的波长漂移量的差值Δλ_1-2和悬臂梁2所受垂直力F之间的关系为：

悬臂梁2所受垂直作用力F由质量块5的重力G产生，当悬臂梁2随基座1一起倾斜，质量块5、弹簧4与悬臂梁2之间出现倾斜夹角θ，垂直作用力F与质量块5重力G之间的关系为：

F＝Gsinθ (5)

此时波长漂移量差值Δλ_1-2和所测对象倾斜度θ之间的关系为：

上述方程是被测倾斜度θ与传感器输出信号，即波长漂移量差值Δλ_1-2的理论关系。在实验室开展标定实验，利用光纤光栅波长解调器对两个光纤光栅3的波长进行调解，得到光纤光栅3的实时波长，根据标定实验中倾斜角度和波长漂移量差值之间的对应关系，建立输出信号与倾斜角度的对应函数关系式。工程应用中开展倾斜测量时，根据实际的波长漂移量差值信息，结合函数关系式，即可反推出被测对象的倾斜情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器，其特征在于：包括基座(1)、悬臂梁(2)、光纤光栅(3)、弹簧(4)、质量块(5)、阻尼液(6)、内部光纤(7)、引出光纤(8)；所述悬臂梁(2)固定于基座(1)的内部上方位置，所述光纤光栅(3)粘贴于悬臂梁(2)的表面，所述弹簧(4)悬挂于悬臂梁(2)的下方，所述质量块(5)悬挂于弹簧(4)上；所述阻尼液(6)位于基座(1)的下部，阻尼液(6)的液位高度超过质量块(5)，低于悬臂梁(2)的下部；所述光纤光栅(3)通过内部光纤(7)连接，并通过引出光纤(8)引出到基座(1)的外部。

2.根据权利要求1所述的一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器，其特征在于：所述基座(1)为敞口的中空长方体形结构，基座(1)的内部包括凸台(1-1)、凸起(1-2)、侧面空腔(1-3)、中心空腔(1-4)、出纤孔(1-5)，所述凸台(1-1)位于基座(1)上方，凸台(1-1)上设置有两个螺孔；两个凸起(1-2)位于基座(1)下方，两个凸起(1-2)形成了两个侧面空腔(1-3)和一个中心空腔(1-4)，基座(1)顶部还设置有一个出纤孔(1-5)。

3.根据权利要求2所述的一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器，其特征在于：所述悬臂梁(2)的上方设置有与基座凸台(1-1)螺孔对应的两个通孔，悬臂梁(2)的下部设置有一个通孔；所述弹簧(4)的两端分别带有弯钩；所述质量块(5)的上方设置有环钩，质量块(5)位于基座(1)的中心空腔(1-4)内，且与中心空腔(1-4)之间为间隙配合。

4.根据权利要求3所述的一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器，其特征在于：所述光纤光栅(3)包括串接于同一根光纤上的第一光纤光栅(3-1)和第二光纤光栅(3-2)，所述第一光纤光栅(3-1)和第二光纤光栅(3-2)分别粘贴在悬臂梁(2)的两个表面，第一光纤光栅(3-1)和第二光纤光栅(3-2)之间的内部光纤(7)放置于基座(1)下方右侧的侧面空腔(1-3)内，两根引出光纤(8)从基座(1)上方的出纤孔(1-5)穿出。

5.根据权利要求4所述的一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器，其特征在于：所述弹簧(4)的上端弯钩勾在悬臂梁(2)下部的通孔中，下端弯钩勾在质量块(5)上方的环钩中，用于实现两处活动连接。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器，其特征在于：还包括盖板(9)，所述盖板(9)覆盖于基座(1)上，用于使基座(1)内部密封。

7.根据权利要求6所述的一种不受振动影响的光纤光栅倾斜传感器，其特征在于：所述盖板(9)与基座(1)之间设有密封垫，并通过螺钉连接。

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