CN114279408A - 光纤光栅平面姿态监测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤光栅平面姿态监测传感器，包括不锈钢锚固矩形块、不锈钢圆形盒、不锈钢U型槽、不锈钢隔板、带圆孔金属球、应变光纤光栅、温度光纤光栅、传输光纤、不锈钢圆形盖和水平尺，其特征是应变光纤光栅两端分别固定在不锈钢锚固矩形块和带圆孔金属球上，带圆孔金属球置于不锈钢U型槽中，不锈钢U型槽随着待监测结构发生倾斜，带圆孔金属球产生沿应变光纤光栅长度方向的分力，基于预先标定的波长变化‑倾斜角度关系计算结构倾斜度。本发明间隔90度布设4个应变光纤光栅和一个温度光纤光栅，具备温度补偿功能且可实现结构平面上不同方向的倾斜角度测量。
Description
技术领域
本发明属于结构安全监测领域，具体涉及一种光纤光栅平面姿态监测传感器。
背景技术
桥梁桥墩、海洋平台、龙门塔吊等结构上安装倾角传感器开展姿态监测，实时获取结构正常使用状态下和灾害作用下的姿态，对结构安全使用或运营是非常重要的。目前 倾角传感器主要包括电学类和光纤光栅两大类别，其中电学类倾角传感器易受环境湿度、 电磁场干扰以及存在信号传输距离短等缺点；光纤光栅倾角传感器基本不受电磁场干扰 和湿度影响，环境温度影响可通过温度补偿方法予以剔除，但是其极易受环境振动影响， 从而导致倾角测量数据漂移随机性大。此外，大多数结构服役过程中受力方向不明确， 导致其变形方向不明确，仅靠单一方向的倾角监测，难以正确反应结构的姿态，采用多 向光纤光栅倾角传感器，因环境振动影响，更是难以获取正确的倾角数据。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明的目的在于提供一种光纤光栅平面姿态监测 传感器。
本发明的技术方案为：光纤光栅平面姿态监测传感器包括不锈钢锚固矩形块(1)、不锈钢圆形盒(2)、不锈钢U型槽(3)、不锈钢隔板(4)、带圆孔金属球(5)、应变光 纤光栅(6)、温度光纤光栅(7)、传输光纤(8)、不锈钢圆形盖(9)和水平尺(10)， 其特征在于不锈钢锚固矩形块(1)固定在不锈钢圆形盒(2)中心位置，不锈钢U型槽 (3)固定在不锈钢圆形盒(2)中，不锈钢隔板(4)固定在不锈钢U型槽(3)中，应 变光纤光栅(6)固定在不锈钢锚固矩形块(1)和带圆孔金属球(5)上并与温度光纤 光栅(7)串联后与传输光纤(8)相连，不锈钢圆形盖(9)与不锈钢圆形盒(2)密封， 传输光纤(8)从不锈钢圆形盖(9)顶部圆孔引出，水平尺(10)固定在不锈钢圆形盖 (9)上。
不锈钢锚固矩形块(1)宽度和长度方向两个对称面上贯穿直径1.5mm圆孔，并通过焊接方式固定在不锈钢圆形盒(2)中心位置。
四个不锈钢U型槽(3)分别间隔90度固定在不锈钢圆形盒(2)中，不锈钢U型 槽(3)的中心线穿过不锈钢锚固矩形块(1)的圆孔圆心。
不锈钢隔板(4)表面贯穿直径1.5mm圆孔，四个不锈钢隔板(4)分别焊接固定 在四个不锈钢U型槽(3)上，与不锈钢锚固矩形块(1)的距离均为4cm，其圆孔圆心 分别位于不锈钢U型槽(3)的中心线上。
带圆孔金属球(5)的圆孔直径1.5mm，四个带圆孔金属球(5)分别置于四个不锈 钢U型槽(3)上并分别与四个不锈钢隔板(4)表面相切，其圆孔圆心分别位于不锈钢 U型槽(3)中心线上。
应变光纤光栅(6)为普通裸光纤光栅，传感器总计包括四个应变光纤光栅(6)， 分别固定在四个不锈钢锚固矩形块(1)和四个带圆孔金属球(5)中，具体实施方式是 应变光纤光栅(6)一端采用环氧树脂胶固定在不锈钢锚固矩形块(1)的圆孔中，另一 端穿过不锈钢隔板(4)的圆孔，施加0.05％的预拉应变并采用环氧树脂胶固定在带圆 孔金属球(5)的圆孔中，四个应变光纤光栅(6)初始中心波长间隔5nm，用于结构姿 态倾斜时应变测量。
温度光纤光栅(7)选用毛细管封装的温度光纤光栅传感器，用环氧树脂胶固定在不锈钢圆形盒(2)并与四个应变光纤光栅(6)串联，然后与传输光纤(8)相连，用 于环境温度测量和应变温度补偿。
不锈钢圆形盖(9)中心贯穿直径3.5mm圆孔，并通过焊接方式与不锈钢圆形盒(2)密封固定，传输光纤(8)从不锈钢圆心盖(9)圆孔引出。
水平尺(10)通过螺栓固定在不锈钢圆形盖(9)上表面，确保传感器布设与结构 处于同一平面。
本发明的效果和益处是传感器固定在结构上，结构任意方向发生倾斜都会导致传感 器中四个应变光纤光栅的波长发生变化，基于预先标定的倾斜角度-光纤光栅中心波长关系和四个应变光纤光栅的位置信息可以有效获取结构倾斜角度和方向。
附图说明
图1为本发明的光纤光栅平面姿态监测传感器内部结构示意图。
图2为本发明的光纤光栅平面姿态监测传感器外观结构示意图。
图3为本发明中的不锈钢隔板安装在不锈钢U型槽上的结构示意图。
图4为本发明的光纤光栅平面姿态监测传感器工作方法示意图。
图1中：1不锈钢锚固矩形块；2不锈钢圆形盒；3不锈钢U型槽；4不锈钢隔板； 5带圆孔金属球；6应变光纤光栅；7温度光纤光栅。
图2中：2不锈钢圆形盒；8传输光纤；9不锈钢圆形盖；10水平尺。
图3中：3不锈钢U型槽；4不锈钢隔板
图4中：1不锈钢锚固矩形块；3不锈钢U型槽；4不锈钢隔板；5带圆孔金属球； 6应变光纤光栅。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
附图1为本发明的光纤光栅平面姿态监测传感器内部结构示意图。具体实施方式是 光纤光栅平面姿态监测传感器内部结构包括不锈钢锚固矩形块(1)、不锈钢圆形盒(2)、不锈钢U型槽(3)、不锈钢隔板(4)、带圆孔金属球(5)、应变光纤光栅(6)、温度光 纤光栅(7)，不锈钢锚固矩形块(1)宽度和长度方向的正反面贯穿直径1.5mm圆孔， 焊接固定在不锈钢圆形盒(2)中心位置；四个不锈钢U型槽(3)间隔90度焊接固定 在不锈钢圆形盒(2)中，各不锈钢U型槽(3)中心线正好穿过不锈钢锚固矩形块(1) 上四两个圆孔圆心；不锈钢隔板(4)表面贯穿直径1.5mm的圆孔，四个不锈钢隔板(4) 分别焊接在四个不锈钢U型槽(3)上且与不锈钢锚固矩形块(1)相距4cm；四个带圆 孔金属球(5)分别置于四个不锈钢U型槽(3)上并与不锈钢隔板(4)相切；应变光 纤光栅(6)一端用环氧树脂胶固定在不锈钢锚固矩形块(1)的圆孔中，另一端穿过不 锈钢隔板(4)后施加0.05％的预拉应变并采用环氧树脂胶固定在带圆孔金属球(5)上 的圆孔中，每个带孔金属球(5)上固定一个应变光纤光栅(6)，总计四个应变光纤光 栅(6)，应变光纤光栅(6)为普通裸光纤光栅；温度光纤光栅(7)选用毛细管封装的 光纤光栅温度传感器，用环氧树脂胶固定在不锈钢圆形盒(2)里并与四个应变光纤光 栅(6)串联。应变光纤光栅(6)作用是在不锈钢圆形盒(2)发生倾斜时，带圆孔金 属球(6)引起应变光纤光栅(6)的受力发生变化，进而导致其光纤光栅中心波长发生 变化；温度光纤光栅(7)主要功能是对应变光纤光栅(6)进行环境温度补偿；不锈钢 隔板(4)的作用是确保应变光纤光栅(6)不产生压缩变形。
附图2为本发明的光纤光栅平面姿态监测传感器外观结构示意图。具体实施方式是 不锈钢圆形盖(9)与不锈钢圆形盒(2)焊接密封，传输光纤(8)与不锈钢圆形盒(2) 里面的温度光纤光栅(7)尾纤相连并从不锈钢圆形盖(9)顶部直径3.5mm的圆孔引 出；水平尺(10)通过螺丝固定在不锈钢圆形盖(9)表面。水平尺(10)主要功能是 确保传感器固定在结构中保持水平，即传感器中的不锈钢圆形盒(2)底部与结构监测 表面或横截面保持同一水平面。
附图3为本发明的单个不锈钢隔板安装在不锈钢U型槽上的结构示意图。不锈钢隔板(4)上贯穿直径1.5mm圆孔，通过焊接方式固定在不锈钢U型槽(3)上，不锈钢 隔板(4)圆孔圆心位于不锈钢U型槽(3)的中心线上。
附图4为本发明的光纤光栅平面姿态监测传感器工作方法示意图。为方便阐述，只阐述结构在一个方向发生姿态变化的情形。所发明的光纤光栅平面姿态监测传感器安装在结构上。结构未发生姿态变化时，在N方向上，带圆孔金属球(5)的重力G方向与 应变光纤光栅(6)垂直；在S方向上，带圆孔金属球(5)的重力G方向与应变光纤光 栅(6)垂直，S方向和N方向上的两个应变光纤光栅(6)不受力，其光纤光栅中心波 长漂移主要是由环境温度变化引起，通过温度光纤光栅(7)进行温度补偿剔除温度对 应变光纤光栅(6)的影响；当结构姿态发生变化(产生ɑ角度)，N方向上的带圆孔金 属球(5)和S方向上的带孔金属球(5)分别在不锈钢U型槽(3)中产生倾角(ɑ)， 此时带圆孔金属球(5)的重力G方向与应变光纤光栅(6)不垂直，N方向上的带圆孔 金属球(5)在与应变光纤光栅(6)平行的方向产生分力G1，S方向上的带孔金属球(5) 在与应变光纤光栅(6)平行的方向产生分力G3；分力G1引起N方向上应变光纤光栅 (6)的中心波长发生变化；由于受到S方向上不锈钢隔板(4)的约束，分力G3对S 方向上的应变光纤光栅(6)不产生力，其中心波长没有发生漂移。预先对传感器进行角度-中心波长标定，一个角度对应一个波长并线性拟合得到相应的角度-中心波长比例系数。实际测试，依据实测应变光纤光栅(6)的波长变化和预先标定的角度-中心波长 比例系数，就可以计算得到结构倾斜角度。通过N方向和S方向上应变光纤光栅(6) 的波长变化，可以知道结构倾斜方向。G2和G4为与应变光纤光栅(6)垂直的重力G 的分量，不对应变光纤光栅(6)产生力作用。重力G与G1和G3的夹角均为(900-α)，则 G1＝G3＝G×cos(900-α)。
以上所述仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的 限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。上述本发明的实施方式中传感器 各个零部件的尺寸以及带圆孔金属球的质量由传感器的量程和灵敏度确定。
Claims (8)
1.光纤光栅平面姿态监测传感器，包括不锈钢锚固矩形块(1)、不锈钢圆形盒(2)、不锈钢U型槽(3)、不锈钢隔板(4)、带圆孔金属球(5)、应变光纤光栅(6)、温度光纤光栅(7)、传输光纤(8)、不锈钢圆形盖(9)和水平尺(10)，其特征在于不锈钢锚固矩形块(1)固定在不锈钢圆形盒(2)中心位置，不锈钢U型槽(3)固定在不锈钢圆形盒(2)中，不锈钢隔板(4)固定在不锈钢U型槽(3)中，应变光纤光栅(6)固定在不锈钢锚固矩形块(1)和带圆孔金属球(5)上，温度光纤光栅(7)固定在不锈钢圆形盒(2)里面并与应变光纤光栅(6)串联后与传输光纤(8)相连，不锈钢圆形盖(9)与不锈钢圆形盒(2)密封，传输光纤(8)从不锈钢圆形盖(9)顶部圆孔引出，水平尺(10)固定在不锈钢圆形盖(9)上。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅平面姿态监测传感器，其特征在于在不锈钢锚固矩形块(1)宽度和长度方向的两个对称面上贯穿直径1.5mm圆孔，并焊接在不锈钢圆形盒(2)中心位置。
3.根据权利要求1或2所述的光纤光栅平面姿态监测传感器，其特征在于四个不锈钢U型槽(3)间隔90度固定在不锈钢圆形盒(2)中，各中心线正好穿过不锈钢锚固矩形块(1)圆孔的圆心。
4.根据权利要求3所述的光纤光栅平面姿态监测传感器，其特征在于不锈钢隔板(4)表面带有直径1.5mm圆孔，四个不锈钢隔板(4)分别焊接在四个不锈钢U型槽(3)上，与不锈钢锚固矩形块(1)的距离均为4cm，圆孔圆心分别位于不锈钢U型槽(3)的各中心线上。
5.根据权利要求4所述的光纤光栅平面姿态监测传感器，其特征在于带圆孔金属球(5)的圆孔直径1.5mm，四个带圆孔金属球(5)分别置于四个不锈钢U型槽(3)上并分别与四个不锈钢隔板(4)相切，其圆孔圆心分别位于不锈钢U型槽(3)中心线上。
6.根据权利要求5所述的光纤光栅平面姿态监测传感器，其特征在于包含四个应变光纤光栅(6)，每个应变光纤光栅(6)一端采用环氧树脂胶固定在不锈钢锚固矩形块(1)的圆孔中，另一端穿过不锈钢隔板(4)的圆孔，施加0.05％的预拉应变并采用环氧树脂胶固定在带圆孔金属球(5)的圆孔中，四个应变光纤光栅(6)的初始中心波长间隔5nm，为普通裸光纤光栅。
7.根据权利要求6所述的光纤光栅平面姿态监测传感器，其特征在于温度光纤光栅(7)为毛细管封装的光纤光栅温度传感器，固定在不锈钢圆形盒(2)里并与四个应变光纤光栅(6)串联，然后与传输光纤(8)相连。
8.根据权利要求7所述的光纤光栅平面姿态监测传感器，其特征在于不锈钢圆形盖(9)中心贯穿直径3.5mm圆孔，并通过焊接方式与不锈钢圆形盒(2)密封固定，传输光纤(8)从不锈钢圆心盖(9)圆孔引出，水平尺(10)通过螺栓固定在不锈钢圆形盖(9)上表面。
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