CN114964165A - 光纤光栅倾角传感器及倾角的检测方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种光纤光栅倾角传感器及倾角的检测方法，属于倾角检测技术领域。光纤光栅倾角传感器包括外壳、悬臂梁组件、光纤光栅组件和重物组件；悬臂梁组件位于所述外壳内。悬臂梁组件包括第一悬臂梁和第二悬臂梁，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁平行布置。所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁与所述外壳连接；所述光纤光栅组件包括第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述第一光纤光栅与所述第一悬臂梁连接，第二光纤光栅与所述第二悬臂梁连接。所述重物组件位于所述外壳内，且与所述外壳连接。所述重物组件的相对两侧分别与所述第一悬臂梁的自由端和所述第二悬臂梁的自由端相抵。本公开通过该传感器可以避免由于温度引起的检测误差。

Description

光纤光栅倾角传感器及倾角的检测方法

技术领域

本公开属于结构倾角检测技术领域，特别涉及一种光纤光栅倾角传感器及倾角的检测方法。

背景技术

光纤光栅倾角传感器凭借其结构简单、检测灵敏度高等特点被广泛使用在倾角检测中。例如用于桥梁工程中倾角的检测、房屋工程中倾角的检测等。

相关技术中，光纤光栅倾角传感器包括壳体、悬臂梁、重物和光纤光栅等，其中，悬臂梁、重物以及光纤光栅位于壳体内。重物与悬臂梁的自由端相连接。光纤光栅贴附在悬臂梁的外壁上。在进行检测时，壳体与被检测物体连接。当被检测物体发生微小的倾斜角度时，重物朝向竖直方向移动，重物作用在悬臂梁上的力发生变化，这样就会引起悬臂梁上的光纤光栅的波长发生变化。根据波长的变化可以确定出被检测物体的倾斜角度。

然而，以上光纤光栅倾角传感器在进行检测时，由于光纤光栅易受温度影响，这样就会严重影响检测精度，使得光纤光栅倾角传感器的检测结果不准确。

发明内容

本公开实施例提供了一种光纤光栅倾角传感器及倾角的检测方法，可以避免由于温度引起的检测误差。所述技术方案如下：

本公开实施例提供了一种光纤光栅倾角传感器，所述光纤光栅倾角传感器包括外壳、悬臂梁组件、光纤光栅组件和重物组件；所述悬臂梁组件位于所述外壳内，且所述悬臂梁组件包括第一悬臂梁和第二悬臂梁，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁平行布置，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁与所述外壳连接；所述光纤光栅组件包括第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述第一光纤光栅与所述第一悬臂梁连接，所述第二光纤光栅与所述第二悬臂梁连接；所述重物组件位于所述外壳内，且与所述外壳连接，所述重物组件位于所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁之间，所述重物组件的相对两侧分别与所述第一悬臂梁的自由端和所述第二悬臂梁的自由端相抵，所述重物组件被配置为在所述外壳发生倾斜时在重力作用下移动，使得所述第一悬臂梁或所述第二悬臂梁产生形变。

在本公开的又一种实现方式中，所述重物组件包括质量块、纵向连接杆和抵推连接杆；所述纵向连接杆的第一端所述外壳的顶部内壁连接，所述纵向连接杆的第二端与所述质量块连接；所述抵推连接杆与所述纵向连接杆连接，且所述抵推连接杆与所述纵向连接杆形成十字形结构，所述抵推连接杆的两端分别与所述第一悬臂梁的自由端、所述第二悬臂梁的自由端相抵。

在本公开的又一种实现方式中，所述质量块的质量为所述纵向连接杆和所述抵推连接杆的质量之和的100倍以上。

在本公开的又一种实现方式中，所述外壳包括壳体和连接柱，所述连接柱位于所述壳体内，且所述连接柱的第一端与所述壳体的顶部内壁连接；

所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁分别连接在所述连接柱的相对两侧壁；

所述连接柱的第二端与所述重物组件连接。

在本公开的又一种实现方式中，所述第一悬臂梁的自由端为等腰三角形，所述第二悬臂梁的自由端为等腰三角形；所述第一光纤光栅位于所述第一悬臂梁的自由端的重心位置上；所述第二光纤光栅位于所述第二悬臂梁的中轴线和所述第二悬臂梁的自由端的重心位置上。

在本公开的又一种实现方式中，所述第一光纤光栅的一端和所述第二光纤光栅的一端均通过光纤连接并伸出所述外壳之外，所述第一光纤光栅的另一端和所述第二光纤光栅的另一端通过光纤相连；或者，所述第一光纤光栅的至少一端通过光纤连接并伸出所述外壳之外，且所述第二光纤光栅的至少一端通过光纤连接并伸出所述外壳之外。

在本公开的又一种实现方式中，所述第一光纤光栅的反射中心波长和所述第二光纤光栅的反射中心波长不相同，且所述第一光纤光栅的初始中心波长和所述第二光纤光栅的初始中心波长相同。

在本公开的又一种实现方式中，还提供一种光纤光栅倾角传感器的检测系统，所述检测系统包括光纤光栅倾角传感器和至少一个解调仪；所述光纤光栅倾角传感器为以上所述的光纤光栅倾角传感器，所述至少一个解调仪位于所述外壳外，且所述至少一个解调仪分别与所述第一光纤光栅的一端和所述第二光纤光栅的一端相连。

在本公开的又一种实现方式中，还提供一种倾角的检测方法，所述检测方法包括：

获取所述光纤光栅倾角传感器中的第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量，所述光纤光栅倾角传感器为以上所述的光纤光栅倾角传感器；根据所述波长漂移量，确定被测物体的倾角。

在本公开的又一种实现方式中，所述光纤光栅倾角传感器为以上所述的光纤光栅倾角传感器，所述根据所述波长漂移量，确定被测物体的倾角，包括：

根据以下公式，计算得到所述被测物体的倾角；

其中，θ为被测物体的倾角；arcsin为反正弦函数；Δλ为第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量之差；E为第一悬臂梁或第二悬臂梁的弹性模量；b为第一悬臂梁或第二悬臂梁的最大宽度；h为第一悬臂梁或第二悬臂梁的厚度；λ为第一光纤光栅和第二光纤光栅的初始中心波长；P_e为与第一光纤光栅和第二光纤光栅相连接的光纤的有效弹光系数；m为重物组件的质量；L为第一悬臂梁或第二悬臂梁的长度。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过本公开实施例提供的光纤光栅倾角传感器在对被测物体进行检测时，可以先通过外壳与被测物体固定连接在一起。

由于重物组件位于外壳内，且与外壳连接，所以，当被测物体在没有发生倾斜时，重物组件一直处于静止状态。

而当被测物体发生倾斜后，此时，重物组件会由于自身重力的作用使得第一悬臂梁或第二悬臂梁产生形变，即重物组件就会对第一悬臂梁(或者第二悬臂梁)的自由端施加作用力，使得第一悬臂梁(或者第二悬臂梁)的自由端产生弯曲形变。对应的，安装在第一悬臂梁上的第一光纤光栅(或者安装在第二悬臂梁上的第二光纤光栅)就会因为第一悬臂梁(或者第二悬臂梁)的弯曲形变而产生形变，进而改变原始中心波长。而另一侧的第二光纤光栅(或者第一光纤光栅)没有受到重物组件的作用，就会在原处保持不动，即并不会因为悬臂梁的弯曲形变而改变原始中心波长。

与此同时，由于第一光纤光栅和第二光纤光栅位于同一环境内，所以第一光纤光栅和第二光纤光栅的检测结果中均包括因为环境的温度改变而使得原始中心波长发生变化的检测结果。这样，将第一光纤光栅和第二光纤光栅的检测结果进行作差，便可将温度的影响进行消除。即通过自差分补偿方法对第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量作差值，从而达到传感器温度自补偿的效果。

也就是说，由于该光纤光栅倾角传感器布置第一光纤光栅和第二光纤光栅，这样可以通过其中一个作为受力传感器，另一个作为温度补偿传感器，进而在对被测物体进行检测时，便可通过消除环境温度对检测过程的影响，大大提高检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例提供的光纤光栅倾角传感器的结构示意图；

图2为本公开实施例提供的光纤光栅倾角传感器的侧视图；

图3为本公开实施例提供的连接柱的结构示意图；

图4为本公开实施例提供的连接柱的侧视图；

图5为本公开实施例提供的重物组件的部分结构示意图；

图6为本公开实施例提供的重物组件的部分结构的侧视图；

图7为本公开实施例提供的倾角的检测方法的流程图。

图中各符号表示含义如下：

1、外壳；11、壳体；111、筒体；112、顶盖；1120、外凸缘；1121、第一光纤穿孔；1122、第二光纤穿孔；12、连接柱；121、基柱；122、第一连接件；123、第二连接件；

2、悬臂梁组件；21、第一悬臂梁；22、第二悬臂梁；

3、光纤光栅组件；31、第一光纤光栅；32、第二光纤光栅；

4、重物组件；41、质量块；42、纵向连接杆；43、抵推连接杆；44、横向连接杆。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

为了清楚说明本公开实施例提供的光纤光栅倾角传感器，先对光纤光栅传感器的检测原理进行简要说明。

光纤光栅传感器是一种基于反射光波长信息的光纤传感技术，其传感单元为光纤光栅。光纤光栅传感器所测试的物理量既依赖于光纤光栅的解调仪，更依赖于光纤光栅。

在检测时，光纤光栅通过光纤与解调仪连接。解调仪发出的宽带光经过光纤光栅时，光纤光栅就会反射回某一个中心波长的窄带光(该窄带光的波长取决于光纤光栅的光栅栅距。其数学表达式为：λ＝2nΛ，其中λ为光纤光栅的反射回的窄带光的中心波长；n为光纤的纤芯有效折射率；Λ为光栅栅距。当光纤光栅感受的应变变化时，光栅栅距就会发生改变，即反射回的窄带光的中心波长(也就是反射中心波长)会相对原始中心波长(所谓的原始中心波长就是光纤布拉格光栅在未感受应变时，所反射回的窄带光的中心波长)发生偏移(即波长漂移)，通过对反射回的窄带光的解调可以得到被测的应变值。

其中，解调仪内部集成了光源、光纤耦合器、光探测模块和信号解调模块以及数据处理模块等。解调仪可以直接与计算机连接。这样在计算机上读取出光纤光栅的波长漂移量，便可得到被测的应变值。

本公开实施例提供了一种光纤光栅倾角传感器，如图1所示，光纤光栅倾角传感器包括外壳1、悬臂梁组件2、光纤光栅组件3和重物组件4。

悬臂梁组件2、光纤光栅组件3和重物组件4均位于外壳1内。悬臂梁组件2包括第一悬臂梁21和第二悬臂梁22，第一悬臂梁21和第二悬臂梁22平行布置，第一悬臂梁21和第二悬臂梁22与外壳1连接。

光纤光栅组件3包括第一光纤光栅31和第二光纤光栅32，第一光纤光栅31与第一悬臂梁21连接，第二光纤光栅32与第二悬臂梁22连接。

重物组件4与外壳1连接，重物组件4位于第一悬臂梁21和第二悬臂梁22之间，重物组件4的相对两侧分别与第一悬臂梁21的自由端和第二悬臂梁22的自由端相抵。重物组件4被配置为在外壳1发生倾斜时在重力作用下移动，使得第一悬臂梁21或第二悬臂梁22产生形变。

通过本公开实施例提供的光纤光栅倾角传感器在对被测物体进行检测时，可以先通过外壳1与被测物体固定连接在一起。

由于重物组件4位于外壳1内，且与外壳1连接，所以，当被测物体在没有发生倾斜时，重物组件4一直处于静止状态。

而当被测物体发生倾斜后，此时，重物组件4会由于自身重力的作用使得第一悬臂梁21或第二悬臂梁22产生形变，即重物组件4就会对第一悬臂梁21(或者第二悬臂梁22)的自由端施加作用力，使得第一悬臂梁21(或者第二悬臂梁22)的自由端产生弯曲形变。对应的，安装在第一悬臂梁21上的第一光纤光栅31(或者安装在第二悬臂梁22上的第二光纤光栅32)就会因为第一悬臂梁21(或者第二悬臂梁22)的弯曲形变而产生形变，进而改变原始中心波长。而另一侧的第二光纤光栅32(或者第一光纤光栅31)没有受到重物组件4的作用，就会在原处保持不动，即并不会因为悬臂梁的弯曲形变而改变原始中心波长。

与此同时，由于第一光纤光栅31和第二光纤光栅32位于同一环境内，所以第一光纤光栅31和第二光纤光栅32的检测结果中均包括因为环境的温度改变而使得原始中心波长发生变化的检测结果。这样，将第一光纤光栅31和第二光纤光栅32的检测结果进行作差，便可将温度的影响进行消除。即通过自差分补偿方法对第一光纤光栅31和第二光纤光栅32的波长漂移量作差值，从而达到传感器温度自补偿的效果。

也就是说，由于该光纤光栅倾角传感器布置第一光纤光栅31和第二光纤光栅32，这样可以通过其中一个作为受力传感器，另一个作为温度补偿传感器，进而在对被测物体进行检测时，便可通过消除环境温度对检测过程的影响，大大提高检测精度。

图2为本公开实施例提供的光纤光栅倾角传感器的侧视图，结合图2，本实施例中，第一悬臂梁21和第二悬臂梁22结构相同。第一悬臂梁21的自由端为等腰三角形，第二悬臂梁22的自由端为等腰三角形。

第一光纤光栅31位于第一悬臂梁21的自由端的重心位置上(参见图2中的A点)。

第二光纤光栅32位于第二悬臂梁22的的自由端的重心位置上。

在上述实现方式中，因为第一悬臂梁21或者第二悬臂梁22的自由端在受到作用力发生弯曲变形时，其自由端的重心位置为受到应力最大的部位，所以该位置对应的变形最大，即也是悬臂梁的变形最敏感区。所以，将第一光纤光栅31设置在以上位置，这样可以将第一光纤光栅31布置在第一悬臂梁21的变形最敏感区域，使得第一光纤光栅31能够较为灵敏的感知第一悬臂梁21的应变变化，进而提高检测精度。

同样的，将第二光纤光栅32设置为以上位置，也是为了使得第二光纤光栅32能够布置在第二悬臂梁22的变形最敏感区域，以便提高检测精度。

本实施例中，第一悬臂梁21和第二悬臂梁22均为黄铜结构件。这样能够使得第一悬臂梁21和第二悬臂梁22在受到较小的作用力时，便会发生较大的形变。当然，第一悬臂梁21和第二悬臂梁22也可以为其他结构件，比如钢片结构件。

示例性地，第一光纤光栅31和第二光纤光栅32均为布拉格光纤光栅。以上所说的波长漂移量即为对应的反射中心波长与原始中心波长的差值。

本实施例中，第一光纤光栅31通过环氧树脂胶粘贴在第一悬臂梁21上，第二光纤光栅32也是通过环氧树脂胶粘贴在第二悬臂梁22上。这样方便将第一光纤光栅31固定在第一悬臂梁21上，同时也方便将第二光纤光栅32固定在第二悬臂梁22上。

继续参见图1，可选地，第一光纤光栅31的一端和第二光纤光栅32的一端均通过光纤连接并伸出外壳1之外，第一光纤光栅31的另一端和第二光纤光栅32的另一端通过光纤相连。

以上将第一光纤光栅31和第二光纤光栅32通过光纤串接在一起，这样能够使得第一光纤光栅31和第二光纤光栅32同时与一个解调仪连接，即简化结构。

可替代地，在其他实施例中，第一光纤光栅31和第二光纤光栅32也可以为不串接在一起。即，第一光纤光栅31的至少一端通过光纤连接并伸出外壳1之外，且第二光纤光栅32的至少一端通过光纤连接并伸出外壳1之外。

比如，第一光纤光栅31的两端均通过光纤连接并伸出外壳1之外，且一端与其中一个解调仪连接，另一端置于外壳1外。或者，第一光纤光栅31的一端通过光纤连接并伸出外壳1之外与其中一个解调仪连接，另一端置于外壳1内。

第二光纤光栅32的两端均通过光纤连接并伸出外壳1之外，且一端与另外一个解调仪连接，另一端置于外壳1外。或者，第二光纤光栅32的一端通过光纤连接并伸出外壳1之外与其中一个解调仪连接，另一端置于外壳1内。

可选地，第一光纤光栅31的反射中心波长和第二光纤光栅32的反射中心波长不相同，且第一光纤光栅31的初始中心波长和第二光纤光栅32的初始中心波长相同。

在上述实现方式中，由于第一光纤光栅31的初始中心波长和第二光纤光栅32的初始中心波长相同，这样可以使得第一光纤光栅31和第二光纤光栅32在检测时，因为温度的影响使得第一光纤光栅31和第二光纤光栅32的波长漂移量相同。而将第一光纤光栅31的反射中心波长和第二光纤光栅32的反射中心波长设置为不相同，这样可以使得第一光纤光栅31和第二光纤光栅32串接在同一个解调仪时，解调仪可以根据不同的反射中心波长来区分不同的光纤光栅的发射信号。

继续参见图1和图2，可选地，外壳1包括壳体11和连接柱12，连接柱12位于壳体11内，且连接柱12的第一端与壳体11的顶壁连接。连接柱12的轴线方向与第一悬臂梁21的轴线方向相同，第一悬臂梁21和第二悬臂梁22分别连接在连接柱12的相对两侧壁。连接柱12的第二端与重物组件4连接。

在上述实现方式中，壳体11用于为连接柱12提供安装基础，并与被测物体连接。连接柱12用于为第一悬臂梁21和第二悬臂梁22提供安装基础，同时将重物组件4与壳体11连接在一起。

本实施例中，连接柱12与壳体11的顶壁为一体成型结构件，这样方便制作。

图3为本公开实施例提供的连接柱的结构示意图，结合图3，示例性地，连接柱12包括基柱121、第一连接件122和第二连接件123。

基柱121的截面为方形结构。基柱121的第一端与壳体11连接。第一悬臂梁21和第二悬臂梁22沿基柱121的轴线对称的连接在基柱121的相对两侧壁。

图4为本公开实施例提供的连接柱的侧视图，结合图4，第一连接件122和第二连接件123平行间隔布置，且第一连接件122的一侧与第二连接件123的一侧均与基柱121的第二端连接。重物组件4的顶部位于第一连接件122和第二连接件123之间，且分别与第一连接件122的另一侧和第二连接件123的另一侧铰接。重物组件4与第一连接件122和第二连接件123之间的铰接轴线与第一悬臂梁21轴线垂直。

在上述实现方式中，基柱121用于为第一悬臂梁21和第二悬臂梁22提供安装基础，第一连接件122和第二连接件123用于与基柱121连接在一起，同时与重物组件4连为一体。

本实施例中，基柱121为正方体块状结构，基柱121的相对两侧沿自身轴线分别对称开设有2个螺纹孔。第一悬臂梁21和第二悬臂梁22均通过螺钉与基柱121螺纹连接在一起。这样方便将第一悬臂梁21和第二悬臂梁22与基柱121进行拆装。

本实施例中，第一连接件122和第二连接件123均为长方体块状结构件，第一连接件122和第二连接件123的中心分别具有通孔，通孔的轴线与基柱121的轴线垂直。这样通过方便重物组件4的顶部插接在通孔内，以与第一连接件122和第二连接件123连接。

再次参见图1，壳体11包括筒体111和顶盖112，顶盖112密封连接在筒体111的开口一端，基柱121的第二端与顶盖112连接。

在上述实现方式中，顶盖112用于封盖筒体111，并与筒体111形成一个密闭空间，使得第一光纤光栅31和第二光纤光栅32位于该密闭空间内，而不会受到外界环境的影响。

本实施例中，筒体111为柱形结构，顶盖112为圆形结构件，顶盖112螺纹插接在筒体111内。顶盖112具有外凸缘1120，外凸缘1120与筒体111的端部相抵，这样可以进一步对筒体111进行密封，避免检测时，灰尘、水气、杂物等进入筒体111内而对第一光纤光栅31和第二光纤光栅32造成影响。

本实施例中，为了方便光纤与解调仪连接，顶盖112具有第一光纤穿孔1121和第二光纤穿孔1122，第一光纤穿孔1121的轴线方向、第二光纤穿孔1122的轴线方向相同和筒体111的轴线方向相同。第一光纤光栅31通过光纤穿过第一光纤穿孔1121与外部解调仪连接，第二光纤光栅32通过光纤穿过第二光纤穿孔1122与外部解调仪连接。

在上述实现方式中，以上设置方便第一光纤光栅31和第二光纤光栅32与解调仪连接，进而实现检测信息的获取。

为了方便检测，第一光纤光栅31通过光纤与解调仪连接时，且该光纤与第一光纤穿孔1121同轴。第二光纤光栅32通过光纤与解调仪连接时，该光纤与第二光纤穿孔1122同轴。这样可以使得光纤在穿出顶盖112时不会发生弯曲，进而避免第一光纤光栅31和第二光纤光栅32在测量时发生弯曲。

图5为本公开实施例提供的重物组件的部分结构示意图，结合图5，重物组件4包括质量块41、纵向连接杆42和抵推连接杆43。纵向连接杆42的第一端外壳1的顶部内壁连接，纵向连接杆42的第二端与质量块41连接。

抵推连接杆43与纵向连接杆42连接，且抵推连接杆43与纵向连接杆42形成十字形结构，抵推连接杆43的两端分别与第一悬臂梁21的自由端、第二悬臂梁22的自由端相抵。

在上述实现方式中，将重物组件4设置为质量块41、纵向连接杆42和抵推连接杆43，可以通过纵向连接杆42将质量块41与外壳1的顶部内壁连接在一起，并通过抵推连接杆43与第一悬臂梁21和第二悬臂梁22相抵。

当在进行检测时，当被测物体发生倾斜时，此时，质量块41会感知倾斜，并在自身重力作用下发生移动。因纵向连接杆42与抵推连接杆43连接在一起的，所以，抵推连接杆43将质量块41感受的作用力便会作用在一侧的第一悬臂梁21或者第二悬臂梁22的自由端，使得第一悬臂梁21或者第二悬臂梁22的自由端产生挠度。

图6为本公开实施例提供的重物组件的部分结构的侧视图，结合图6，可选地，重物组件4还包括横向连接杆44，横向连接杆44与纵向连接杆42的第一端连接，且横向连接杆44、纵向连接杆42和抵推连接杆43两两相互垂直。横向连接杆44的两端分别位于第一连接件122和第二连接件123的通孔内。

在上述实现方式中，横向连接杆44用于插接在第一连接件122和第二连接件123的通孔内，这样方便重物组件4与连接柱12的连接。

本实施例中，横向连接杆44通过自润滑轴承固定第一连接件122和第二连接件123的通孔内。

本实施例中，纵向连接杆42的第二端螺纹插接在质量块41内。这样方便二者的拆装。

可选地，质量块41的质量为纵向连接杆42和抵推连接杆43的质量之和的100倍以上。

这样能够使得重物组件4的整体的重心在底部。当外壳1发生倾斜时，质量块41便会在自身重力作用下快速发生移动，进而使得抵推连接杆43能够快速对一侧的悬臂梁进行抵推而发生变形。

示例性地，质量块41为重金属结构件，纵向连接杆42和抵推连接杆43为塑胶结构件。

下面简单介绍一下本公开实施例提供的光纤光栅倾角传感器的组装和使用过程：

首先，将光纤光栅倾角传感器进行组装。将纵向连接杆42和抵推连接杆43连为一体，并将抵推连接杆43通过自润滑轴承固定在第一连接件122和第二连接件123上，且纵向连接杆42与质量块41的顶部相连接。然后再将第一光纤光栅31和第二光纤光栅32粘贴第一悬臂梁21和第二悬臂梁22上，并通过螺纹连接的方式将第一悬臂梁21和第二悬臂梁22固定在连接柱12上。最后通过螺纹连接的方式将外壳1组装在一起，保证传感器在实际测量时是一个密封设计的结构，能够适应更多的复杂环境。

然后，使用时，将光纤光栅倾角传感器竖直地固定于被测物体上。当被测物体的倾角发生变化时，光纤光栅倾角传感器也发生相同倾斜角度的变化。此时质量块41因重力的作用而发生移动，则抵推连接杆43直接将质量块41的重力分力传递给第一悬臂梁21或者第二悬臂梁22的自由端，使得第一悬臂梁21或者第二悬臂梁22的自由端产生挠度。对应的，第一光纤光栅31或者第二光纤光栅32因此产生轴向应变，从而导致第一光纤光栅31或者第二光纤光栅32的中心波长发生漂移，根据中心波长的变化与倾角的对应关系即可检测出倾角的大小和方向。

本公开实施例还提供一种光纤光栅倾角传感器的检测系统，检测系统包括光纤光栅倾角传感器和至少一个解调仪。光纤光栅倾角传感器为以上光纤光栅倾角传感器，至少一个解调仪位于外壳1外，且至少一个解调仪分别与第一光纤光栅31的一端和第二光纤光栅32的一端相连。

以上检测系统具有与光纤光栅倾角传感器相同的有益效果，这里不再赘述。

当光纤光栅倾角传感器中的第一光纤光栅31和第二光纤光栅32通过光纤连在一起时，此时，解调仪为一个。解调仪与第一光纤光栅31或者第二光纤光栅32中的一端相连。这样，在进行检测时，解调仪发出一个宽带光经过第一光纤光栅31和第二光纤光栅32时，第一光纤光栅31就会反射回某一个中心波长的窄带光。同时，第二光纤光栅32也会反射会另一个中心波长的窄带光。解调仪根据第一光纤光栅31和第二光纤光栅32形变的不同，得到不同的反射回的中心波长，这样便可根据第一光纤光栅31和第二光纤光栅32的反射回的中心波长来得到被测的应变值。

而当光纤光栅倾角传感器中的第一光纤光栅31和第二光纤光栅32并非串在一起时，此时，解调仪为两个。其中一个解调仪与第一光纤光栅31连接，另一个与第二光纤光栅32连接，这样两个解调仪根据各自对应的光纤光栅的反射回的中心波长的信息，得到被测的应变值。此种情况下，第一光纤光栅31的反射中心波长和第二光纤光栅32的反射中心波长可以相同，也可以不相同。

本公开实施例还提供一种倾角的检测方法，如图7所示，检测方法包括：

S701：获取光纤光栅倾角传感器中的第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量。光纤光栅倾角传感器为以上的光纤光栅倾角传感器。

本实施例中，为了方便光纤光栅倾角传感器与解调仪连接，将光纤光栅倾角传感器中的第一光纤光栅和第二光纤光栅与同一个解调仪连接。

在检测时，第一光纤光栅和第二光纤光栅串接在同一根光纤上，且与同一个解调仪连接。第一光纤光栅31的反射中心波长和第二光纤光栅32的反射中心波长不相同。第一光纤光栅31的初始中心波长和第二光纤光栅32的初始中心波长相同。解调仪发射的宽带光依次经过第一光纤光栅31和第二光纤光栅32。当宽带光经过第一光纤光栅31后，第一光纤光栅31就会就会将一部分的宽带光进行反射得到某一个中心波长的窄带光，该窄带光重新传回解调仪中进行记录下来。而从解调仪中发出的宽带光中的另一部分继续向前传播至第二光纤光栅32后，第二光纤光栅32就会对该部分宽带光进行反射而得到另一个中心波长的窄带光，该窄带光同样重新传回解调仪中进行记录下来。

因为第一光纤光栅31的反射中心波长和第二光纤光栅32的反射中心波长不相同。这样可以通过一个解调仪自动识别不同的光纤光栅的检测信号。

S702：根据波长漂移量，确定被测物体的倾角。

可选地，S702通过以下方式实现：

根据以下公式，计算得到被测物体的倾角；

其中，θ为被测物体的倾角；arcsin为反正弦函数；Δλ为第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量之差；E为第一悬臂梁或第二悬臂梁的弹性模量，可以根据第一悬臂梁或者第二悬臂梁对应的材料直接得到；b为第一悬臂梁或第二悬臂梁的最大宽度，可以直接测量得到；h为第一悬臂梁或第二悬臂梁的厚度，可以直接测量得到；λ为第一光纤光栅和第二光纤光栅的初始中心波长，可以根据第一光纤光栅和第二光纤光栅对应的出厂数据得到；P_e为与第一光纤光栅和第二光纤光栅相连接的光纤的有效弹光系数，可以根据光纤对应的出厂数据得到；m为重物组件的质量，可以直接测量得到；L为第一悬臂梁或第二悬臂梁的长度，可以直接测量得到。

下面对公式(1)的推导过程进行介绍。

假设第一光纤光栅和第二光纤光栅均为初始中心波长为λ的光纤布拉格光栅，其第一光纤光栅(或者第二光纤光栅)的波长漂移量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为与第一光纤光栅和第二光纤光栅连接的光纤的热膨胀系数，ξ为与第一光纤光栅和第二光纤光栅连接的光纤的热光系数，P_e为与第一光纤光栅和第二光纤光栅连接的有效弹光系数(室温下P_e约等于0.22)。

当被测物体发生倾斜时，倾角传感器中的质量块会随之发生移动。因此，对质量块进行受力分析，质量块因受到倾斜和重力分力的双重作用，其合外力F可表达为：

F＝mg sinθ； (3)

其中，g为重力加速度、m为质量块的质量，θ为倾角传感器发生倾斜时的角度。

因抵推连接杆与第一悬臂梁或者第二悬臂梁的自由端相切，故在受到外力作用时直接作用于自由端。根据材料力学相关资料查询可得，第一悬臂梁或者第二悬臂梁的轴向应变可表达为：

其中，h为第一悬臂梁或者第二悬臂梁的厚度；L为第一悬臂梁或者第二悬臂梁的长度；w为第一悬臂梁或者第二悬臂梁的自由端产生的挠度。

当倾角传感器受到外力而倾斜时，质量块的重力分力就会作用于第一悬臂梁或者第二悬臂梁的自由端，使得第一悬臂梁或者第二悬臂梁的自由端受力而产生挠度w为：

其中，w为第一悬臂梁或者第二悬臂梁的自由端产生的挠度；E为第一悬臂梁或者第二悬臂梁的弹性模量；b为第一悬臂梁或者第二悬臂梁的最大宽度；h为第一悬臂梁或者第二悬臂梁的厚度；F为外力大小；L为第一悬臂梁或者第二悬臂梁的长度。

这样，将公式(5)带入到公式(4)中可得出第一悬臂梁或者第二悬臂梁的应变为：

其中，Δε为第一悬臂梁或者第二悬臂梁的应变；E为第一悬臂梁或者第二悬臂梁的弹性模量；b为第一悬臂梁或者第二悬臂梁的最大宽度；h为第一悬臂梁或者第二悬臂梁的厚度；m为质量块的质量；g为重力加速度；θ为倾角传感器发生倾斜时的角度；L为第一悬臂梁或者第二悬臂梁的长度。

由于第一光纤光栅和第二光纤光栅的原始中心波长相同。这样可以直接默认为第一光纤光栅和第二光纤光栅的应变灵敏系数和温度灵敏系数相等。而第一光纤光栅和第二光纤光栅在倾角传感器中的距离较近，可以近似认为第一光纤光栅和第二光纤光栅的温度变化量相同。这样，第一光纤光栅和第二光纤光栅中的一个便可作为另一个的温度补偿。

根据上述式(6)可算出第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移差为：

Δλ＝Δλ₁-Δλ₂＝(1-P_e)λΔε； (7)

其中，Δλ为第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量之差；Δλ₁为第一光纤光栅的波长漂移量；Δλ₂为第一光纤光栅的波长漂移量；λ为光纤光栅的初始中心波长；P_e为光纤的有效弹光系数。

由此便可得到倾角θ与Δλ之间的关系为公式(1)。

由上述的公式(1)便可得到倾角θ与第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量之差Δλ的关系，这样通过对第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量进行解调，便可对被测物体的倾角进行实时在线监测。

以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述光纤光栅倾角传感器包括外壳(1)、悬臂梁组件(2)、光纤光栅组件(3)和重物组件(4)；

所述悬臂梁组件(2)位于所述外壳(1)内，且所述悬臂梁组件(2)包括第一悬臂梁(21)和第二悬臂梁(22)，所述第一悬臂梁(21)和所述第二悬臂梁(22)平行布置，所述第一悬臂梁(21)和所述第二悬臂梁(22)与所述外壳(1)连接；

所述光纤光栅组件(3)包括第一光纤光栅(31)和第二光纤光栅(32)，所述第一光纤光栅(31)与所述第一悬臂梁(21)连接，所述第二光纤光栅(32)与所述第二悬臂梁(22)连接；

所述重物组件(4)位于所述外壳(1)内，且与所述外壳(1)连接，所述重物组件(4)位于所述第一悬臂梁(21)和所述第二悬臂梁(22)之间，所述重物组件(4)的相对两侧分别与所述第一悬臂梁(21)的自由端和所述第二悬臂梁(22)的自由端相抵，所述重物组件(4)被配置为在所述外壳(1)发生倾斜时在重力作用下移动，使得所述第一悬臂梁(21)或所述第二悬臂梁(22)产生形变。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述重物组件(4)包括质量块(41)、纵向连接杆(42)和抵推连接杆(43)；

所述纵向连接杆(42)的第一端所述外壳(1)的顶部内壁连接，所述纵向连接杆(42)的第二端与所述质量块(41)连接；

所述抵推连接杆(43)与所述纵向连接杆(42)连接，且所述抵推连接杆(43)与所述纵向连接杆(42)形成十字形结构，所述抵推连接杆(43)的两端分别与所述第一悬臂梁(21)的自由端、所述第二悬臂梁(22)的自由端相抵。

3.根据权利要求2所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述质量块(41)的质量为所述纵向连接杆(42)和所述抵推连接杆(43)的质量之和的100倍以上。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述外壳(1)包括壳体(11)和连接柱(12)，所述连接柱(12)位于所述壳体(11)内，且所述连接柱(12)的第一端与所述壳体(11)的顶部内壁连接；

所述第一悬臂梁(21)和所述第二悬臂梁(22)分别连接在所述连接柱(12)的相对两侧壁；

所述连接柱(12)的第二端与所述重物组件(4)连接。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述第一悬臂梁(21)的自由端为等腰三角形，所述第二悬臂梁(22)的自由端为等腰三角形；

所述第一光纤光栅(31)位于所述第一悬臂梁(21)的自由端的重心位置上；

所述第二光纤光栅(32)位于所述第二悬臂梁(22)的自由端的重心位置上。

6.根据权利要求1-5任一项所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅(31)的一端和所述第二光纤光栅(32)的一端均通过光纤连接并伸出所述外壳(1)之外，所述第一光纤光栅(31)的另一端和所述第二光纤光栅(32)的另一端通过光纤相连；

或者，所述第一光纤光栅(31)的至少一端通过光纤连接并伸出所述外壳(1)之外，且所述第二光纤光栅(32)的至少一端通过光纤连接并伸出所述外壳(1)之外。

7.根据权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅(31)的反射中心波长和所述第二光纤光栅(32)的反射中心波长不相同，且所述第一光纤光栅(31)的初始中心波长和所述第二光纤光栅(32)的初始中心波长相同。

8.一种光纤光栅倾角传感器的检测系统，其特征在于，所述检测系统包括光纤光栅倾角传感器和至少一个解调仪；

所述光纤光栅倾角传感器为权利要求1至7任一项所述的光纤光栅倾角传感器，所述至少一个解调仪位于所述外壳(1)外，且所述至少一个解调仪分别与所述第一光纤光栅(31)的一端和所述第二光纤光栅(32)的一端相连。

9.一种倾角的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：

获取所述光纤光栅倾角传感器中的第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量，所述光纤光栅倾角传感器为权利要求1至7任一项所述的光纤光栅倾角传感器；

根据所述波长漂移量，确定被测物体的倾角。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，所述光纤光栅倾角传感器为权利要求7所述的所述的光纤光栅倾角传感器，

所述根据所述波长漂移量，确定被测物体的倾角，包括：

根据以下公式，计算得到所述被测物体的倾角；

其中，θ为被测物体的倾角；arcsin为反正弦函数；Δλ为第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量之差；E为第一悬臂梁或第二悬臂梁的弹性模量；b为第一悬臂梁或第二悬臂梁的最大宽度；h为第一悬臂梁或第二悬臂梁的厚度；λ为第一光纤光栅和第二光纤光栅的初始中心波长；P_e为与第一光纤光栅和第二光纤光栅相连接的光纤的有效弹光系数；m为重物组件的质量；L为第一悬臂梁或第二悬臂梁的长度。

Images