CN115342733A - 基于光纤光栅的位移传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的位移传感器及测量方法，基于光纤光栅的位移传感器包括：壳体，包括顶板、底板、左侧板和右侧板，顶板倾斜设置；等强度梁，设于壳体内，其一端连接于右侧板，另一端悬空；拉杆，穿设于右侧板上；滑块，其上端抵接于顶板，下端抵接于等强度梁；传动机构，设于壳体内，包括定滑轮组件、第一传动绳和第二传动绳，定滑轮组件连接于顶板，包括同轴联动的大滑轮和小滑轮，第一传动绳的一端连接于滑块，另一端连接于小滑轮，第二传动绳的一端连接于拉杆的左端，另一端连接于大滑轮，第二传动绳部分绕设于大滑轮上；第一光纤光栅，设于等强度梁的上表面；弹性复位件，设于壳体与滑块之间。上述的结构能够增大量程。

Description

基于光纤光栅的位移传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅的位移传感器及测量方法。

背景技术

土木工程中，通常需要用到光纤光栅位移传感器测量建筑结构的位移变形，从而推断建筑结构是否处于危险状态，但是，传统的光纤光栅位移传感器存在以下问题：1.受限于自身的体积，导致其量程有限，无法测量较大的位移变形；2.受到内部各部件之间的摩擦力的影响，导致其测量精度有限，测量结果不够精确。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于光纤光栅的位移传感器，相比于传统的光纤光栅位移传感器来说，能够在不增加整体体积的前提下增大量程，从而能够测量较大的位移变形。

本发明还提出一种应用于上述基于光纤光栅的位移传感器的测量方法。

根据本发明的第一方面实施例的基于光纤光栅的位移传感器，包括：壳体，包括相对设置的顶板和底板以及相对设置的左侧板和右侧板，所述顶板倾斜设置，所述顶板较高的一侧衔接于所述左侧板，较低的一侧衔接于所述右侧板；等强度梁，设置于所述壳体内，所述等强度梁的一端连接于所述右侧板，另一端悬空；拉杆，可滑动地穿设于所述右侧板上，所述拉杆位于所述壳体外的一端用于与待测量的建筑结构连接；滑块，可滑动地设置于所述顶板与所述等强度梁之间，所述滑块的上端抵接于所述顶板，所述滑块的下端抵接于所述等强度梁；传动机构，设置于所述壳体内，所述传动机构包括定滑轮组件、第一传动绳和第二传动绳，所述定滑轮组件连接于所述顶板，所述定滑轮组件包括同轴联动的大滑轮和小滑轮，所述第一传动绳的一端连接于所述滑块，另一端连接于所述小滑轮，所述第二传动绳的一端连接于所述拉杆位于所述壳体内的一端，另一端连接于所述大滑轮，所述第二传动绳部分绕设于所述大滑轮上；用于测量应变的第一光纤光栅，设置于所述等强度梁的上表面；弹性复位件，设置于所述壳体与所述滑块之间。

根据本发明实施例的基于光纤光栅的位移传感器，至少具有如下有益效果：当建筑结构发生位移变形时，带动所述拉杆朝向远离所述壳体的方向移动并通过所述传动机构带动所述滑块沿所述等强度梁的长度方向朝向所述右侧板滑动，从而迫使所述等强度梁发生弯曲变形，通过所述第一光纤光栅测量所述等强度梁发生弯曲变形时的应变并以此计算出所述滑块的位移，随后根据所述大滑轮的半径和所述小滑轮的半径的比值即可进一步计算出所述拉杆的位移，即建筑结构的位移变形量，其中，通过设置上述的传动机构能够使所述滑块的位移小于所述拉杆的位移，使得上述的基于光纤光栅的位移传感器相比于传统的光纤光栅位移传感器来说，能够在不增加整体体积的前提下增大量程，从而能够测量较大的位移变形。

根据本发明的一些实施例，所述滑块的上端和所述滑块的下端均设置有滚轮，位于所述滑块上端的滚轮抵接于所述顶板，位于所述滑块下端的滚轮抵接于所述等强度梁。

根据本发明的一些实施例，所述顶板和/或所述等强度梁对应所述滚轮设置有导向结构。

根据本发明的一些实施例，所述导向结构包括设置于所述顶板上的第一导向槽以及设置于所述等强度梁上的第二导向槽，所述第一导向槽用于限制所述滑块上端的滚轮的移动轨迹，所述第二导向槽用于限制所述滑块下端的滚轮的移动轨迹。

根据本发明的一些实施例，还包括位于所述壳体内并用于温度补偿的第二光纤光栅，所述第二光纤光栅设置于所述壳体上或者设置于所述等强度梁靠近所述右侧板的一端的下表面。

根据本发明的一些实施例，所述壳体还包括相对设置的前侧板和后侧板，所述前侧板和所述后侧板二者其一为可拆卸部件。

根据本发明的一些实施例，所述前侧板为可拆卸部件，所述前侧板的上下两侧均设置有凸起的卡接部，所述顶板的前侧和所述底板的前侧均凸出于所述左侧板和/或所述右侧板的前侧，所述顶板的前侧凸出于所述左侧板和/或所述右侧板的前侧的部分于内侧设置有用于卡接所述前侧板上侧的卡接部的第一卡槽，所述底板的前侧凸出于所述左侧板和/或所述右侧板的前侧的部分于内侧设置有用于卡接所述前侧板下侧的卡接部的第二卡槽。

根据本发明的一些实施例，所述右侧板为可拆卸部件。

根据本发明的一些实施例，所述弹性复位件为拉簧，所述拉簧的一端连接于所述左侧板，另一端连接于所述滑块。

根据本发明的第二方面实施例的测量方法，其应用于根据本发明上述第一方面实施例的基于光纤光栅的位移传感器，包括：

已知等强度梁的尺寸参数，已知大滑轮和小滑轮的半径之比为n，通过第一光纤光栅测量的数据计算出滑块的位移为S，则拉杆的位移为n×S，即建筑结构的位移变形量为n×S。

根据本发明实施例的测量方法，至少具有如下有益效果：应用上述的测量方法进行测量的基于光纤光栅的位移传感器相比于传统的光纤光栅位移传感器来说，能够在不增加整体体积的前提下增大量程，从而能够测量较大的位移变形。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的基于光纤光栅的位移传感器隐藏前侧板后的结构示意图；

图2是图1中A处局部放大示意图；

图3是图1中B处局部放大示意图；

图4是图1中C处局部放大示意图；

图5是图1中D处局部放大示意图；

图6是本发明实施例的前侧板的结构示意图；

图7是图6中E处局部放大示意图。

附图标记：

顶板110、第一导向槽111、第一卡槽112、底板120、第二卡槽121、左侧板130、右侧板140、前侧板150、卡接部151、后侧板160、等强度梁200、拉杆300、滑块400、滚轮410、第一传动绳510、第二传动绳520、大滑轮530、小滑轮540、弹性复位件600。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，如果涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，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。

在本发明的描述中，如果出现若干、大于、小于、超过、以上、以下、以内等词，其中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

在本发明的描述中，如果出现第一、第二等词，只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图3，根据本发明的实施例的基于光纤光栅的位移传感器，包括壳体、等强度梁200、拉杆300、滑块400、传动机构、第一光纤光栅(图中未示出)和弹性复位件600。

壳体包括相对设置的顶板110和底板120以及相对设置的左侧板130和右侧板140，顶板110倾斜设置，顶板110较高的一侧衔接于左侧板130，顶板110较低的一侧衔接于右侧板140，等强度梁200设置于壳体内，等强度梁200的一端连接于右侧板140，等强度梁200的另一端悬空，拉杆300可滑动地穿设于右侧板140上，具体的，右侧板140上设置有用于穿设拉杆300的第一通孔(图中未示出)，拉杆300位于壳体外的一端用于与待测量的建筑结构连接，滑块400可滑动地设置于顶板110与等强度梁200之间，滑块400的上端抵接于顶板110，滑块400的下端抵接于等强度梁200，以使滑块400沿等强度梁200的长度方向朝向右侧板140滑动时能够迫使等强度梁200发生弯曲变形，传动机构设置于壳体内，传动机构包括定滑轮组件、第一传动绳510和第二传动绳520，定滑轮组件连接于顶板110，定滑轮组件包括同轴联动的大滑轮530和小滑轮540，第一传动绳510的一端连接于滑块400，第一传动绳510的另一端连接于小滑轮540，第二传动绳520的一端连接于拉杆300位于壳体内的一端，第二传动绳520的另一端连接于大滑轮530，第二传动绳520部分绕设于大滑轮530上，以使拉杆300朝向远离壳体的方向移动时能够带动大滑轮530转动，从而带动小滑轮540同步转动，进而带动滑块400沿等强度梁200的长度方向朝向右侧板140滑动，第一光纤光栅用于测量应变，第一光纤光栅设置于等强度梁200的上表面，右侧板140上设置有用于穿设第一光纤光栅的光纤尾纤的第二通孔(图中未示出)，弹性复位件600设置于壳体与滑块400之间，以使滑块400在不受外力时能够复位至初始位置，从而带动拉杆300复位至初始位置，进而使等强度梁200能够恢复至弯曲变形前的状态，使得上述的基于光纤光栅的位移传感器能够重复使用。

当建筑结构发生位移变形时，带动拉杆300朝向远离壳体的方向移动并通过传动机构带动滑块400沿等强度梁200的长度方向朝向右侧板140滑动，从而迫使等强度梁200发生弯曲变形，通过第一光纤光栅测量等强度梁200发生弯曲变形时的应变并以此计算出滑块400的位移，随后根据大滑轮530的半径和小滑轮540的半径的比值即可进一步计算出拉杆300的位移，即建筑结构的位移变形量，其中，通过设置上述的传动机构能够使滑块400的位移小于拉杆300的位移，使得上述的基于光纤光栅的位移传感器相比于传统的光纤光栅位移传感器来说，能够在不增加整体体积的前提下增大量程，从而能够测量较大的位移变形。其中，根据第一光纤光栅测量的等强度梁200发生弯曲变形时的应变计算滑块400的位移的方法为本领域的公知技术，已在传统的光纤光栅位移传感器的测量方法中公开，在此不做赘述。

参照图1和图3，在其中的一些实施例中，滑块400的上端和滑块400的下端均设置有滚轮410，位于滑块400上端的滚轮410抵接于顶板110，位于滑块400下端的滚轮410抵接于等强度梁200，通过设置滚轮410，有利于减小滑块400在移动过程中所受到的摩擦力，在每次使用后有利于保证滑块400能够复位至初始位置，从而有利于提高重复使用时测量结果的精确度，同时有利于延长弹性复位件600的使用寿命。

需要说明的是，在其中的一些实施例中，顶板110和/或等强度梁200对应滚轮410设置有导向结构，有利于防止滑块400在移动时发生偏移，从而有利于提高测量结果的精确度。

参照图1和图3，在其中的一些实施例中，导向结构包括设置于顶板110上的第一导向槽111以及设置于等强度梁200上的第二导向槽(图中未示出)，第一导向槽111用于限制滑块400上端的滚轮410的移动轨迹，第二导向槽用于限制滑块400下端的滚轮410的移动轨迹，其结构简单且易于实现。

需要说明的是，在另外的一些实施例中，导向结构也可以为安装于顶板上的导轨。

需要说明的是，在其中的一些实施例中，还包括位于壳体内并用于温度补偿的第二光纤光栅(图中未示出)，第二光纤光栅设置于壳体上或者设置于等强度梁200靠近右侧板140的一端的下表面，具体的，第二光纤光栅与第一光纤光栅串联，通过第二光纤光栅对第一光纤光栅进行温度补偿，有利于提高测量结果的精确度。

需要说明的是，在其中的一些实施例中，壳体还包括相对设置的前侧板150和后侧板160，前侧板150和后侧板160二者其一为可拆卸部件，便于维护装配壳体内部的各部件，同时便于工作人员维修和更换壳体内部的各部件。

参照图1以及图4至图7，在其中的一些实施例中，前侧板150为可拆卸部件，前侧板150的上下两侧均设置有凸起的卡接部151，顶板110的前侧和底板120的前侧均凸出于左侧板130和/或右侧板140的前侧，顶板110的前侧凸出于左侧板130和/或右侧板140的前侧的部分于内侧设置有用于卡接前侧板150上侧的卡接部151的第一卡槽112，底板120的前侧凸出于左侧板130和/或右侧板140的前侧的部分于内侧设置有用于卡接前侧板150下侧的卡接部151的第二卡槽121，其结构简单且易于实现。

需要说明的是，在其中的一些实施例中，右侧板140为可拆卸部件，进一步便于工作人员维修和更换壳体内部的各部件。具体的，右侧板140的装配结构可参见前侧板150的装配结构。

需要说明的是，在另外的一些实施例中，前侧板和右侧板也可以通过螺钉进行装配。

参照图1，在其中的一些实施例中，弹性复位件600为拉簧，拉簧的一端连接于左侧板130，拉簧的另一端连接于滑块400，其结构简单且易于实现。

需要说明的是，在另外的一些实施例中，弹性复位件也可以为压缩弹簧，压缩弹簧的一端连接于右侧板，压缩弹簧的另一端连接于滑块。

根据本发明的实施例的测量方法，其应用于上述的基于光纤光栅的位移传感器，包括：

已知等强度梁200的尺寸参数，已知大滑轮530和小滑轮540的半径之比为n，通过第一光纤光栅测量的数据计算出滑块400的位移为S，则拉杆300的位移为n×S，即建筑结构的位移变形量为n×S。

应用上述的测量方法进行测量的基于光纤光栅的位移传感器相比于传统的光纤光栅位移传感器来说，能够在不增加整体体积的前提下增大量程，从而能够测量较大的位移变形。

在本说明书的描述中，如果涉及到“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”以及“一些示例”等参考术语的描述，意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅的位移传感器，其特征在于，包括：

壳体，包括相对设置的顶板和底板以及相对设置的左侧板和右侧板，所述顶板倾斜设置，所述顶板较高的一侧衔接于所述左侧板，较低的一侧衔接于所述右侧板；

等强度梁，设置于所述壳体内，所述等强度梁的一端连接于所述右侧板，另一端悬空；

拉杆，可滑动地穿设于所述右侧板上，所述拉杆位于所述壳体外的一端用于与待测量的建筑结构连接；

滑块，可滑动地设置于所述顶板与所述等强度梁之间，所述滑块的上端抵接于所述顶板，所述滑块的下端抵接于所述等强度梁；

传动机构，设置于所述壳体内，所述传动机构包括定滑轮组件、第一传动绳和第二传动绳，所述定滑轮组件连接于所述顶板，所述定滑轮组件包括同轴联动的大滑轮和小滑轮，所述第一传动绳的一端连接于所述滑块，另一端连接于所述小滑轮，所述第二传动绳的一端连接于所述拉杆位于所述壳体内的一端，另一端连接于所述大滑轮，所述第二传动绳部分绕设于所述大滑轮上；

用于测量应变的第一光纤光栅，设置于所述等强度梁的上表面；

弹性复位件，设置于所述壳体与所述滑块之间。

2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的位移传感器，其特征在于，所述滑块的上端和所述滑块的下端均设置有滚轮，位于所述滑块上端的滚轮抵接于所述顶板，位于所述滑块下端的滚轮抵接于所述等强度梁。

3.如权利要求2所述的基于光纤光栅的位移传感器，其特征在于，所述顶板和/或所述等强度梁对应所述滚轮设置有导向结构。

4.如权利要求3所述的基于光纤光栅的位移传感器，其特征在于，所述导向结构包括设置于所述顶板上的第一导向槽以及设置于所述等强度梁上的第二导向槽，所述第一导向槽用于限制所述滑块上端的滚轮的移动轨迹，所述第二导向槽用于限制所述滑块下端的滚轮的移动轨迹。

5.如权利要求1所述的基于光纤光栅的位移传感器，其特征在于，还包括位于所述壳体内并用于温度补偿的第二光纤光栅，所述第二光纤光栅设置于所述壳体上或者设置于所述等强度梁靠近所述右侧板的一端的下表面。

6.如权利要求1所述的基于光纤光栅的位移传感器，其特征在于，所述壳体还包括相对设置的前侧板和后侧板，所述前侧板和所述后侧板二者其一为可拆卸部件。

7.如权利要求6所述的基于光纤光栅的位移传感器，其特征在于，所述前侧板为可拆卸部件，所述前侧板的上下两侧均设置有凸起的卡接部，所述顶板的前侧和所述底板的前侧均凸出于所述左侧板和/或所述右侧板的前侧，所述顶板的前侧凸出于所述左侧板和/或所述右侧板的前侧的部分于内侧设置有用于卡接所述前侧板上侧的卡接部的第一卡槽，所述底板的前侧凸出于所述左侧板和/或所述右侧板的前侧的部分于内侧设置有用于卡接所述前侧板下侧的卡接部的第二卡槽。

8.如权利要求1所述的基于光纤光栅的位移传感器，其特征在于，所述右侧板为可拆卸部件。

9.如权利要求1所述的基于光纤光栅的位移传感器，其特征在于，所述弹性复位件为拉簧，所述拉簧的一端连接于所述左侧板，另一端连接于所述滑块。

10.一种测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1至9任一项所述的基于光纤光栅的位移传感器，包括：

已知等强度梁的尺寸参数，已知大滑轮和小滑轮的半径之比为n，通过第一光纤光栅测量的数据计算出滑块的位移为S，则拉杆的位移为n×S，即建筑结构的位移变形量为n×S。

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