CN115854991A - 一种光纤光栅倾角传感器、控制方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，公开了一种光纤光栅倾角传感器、控制方法及应用，包括基壳、固定梁和悬臂梁，固定梁上端固定在基壳里侧上端，下端固定有齿轮，悬臂梁上端固定在基壳里侧上端，下端固定有齿条，所述齿条与齿轮啮合，两个相同的浮球分别焊接固定在齿轮的左右两侧，基壳里侧底部填充有硅油，两个浮球和齿轮半没入硅油中，悬臂梁外表面连接有用于感知悬臂梁表面上的应变的光纤光栅。本发明利用硅油作为传递倾角的介质，可以消除传统结构引起的往复式振动，抗干扰能力强，提高了传感器测量的精度和稳定性，可在复杂环境下长期稳定的检测，成本低，使用方便，结构简单，也减少了复杂的机械安装过程。

Description

一种光纤光栅倾角传感器、控制方法及应用

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，尤其涉及一种光纤光栅倾角传感器、控制方法及应用。

背景技术

目前，随着检测手段不断发展，除了常规的温度、压力和加速度等物理量的测量外，越来越多的场合还需要测量物体的倾斜状态。倾角测量对许多大型机械设备或者建筑设施的安全状态以及监测维护起着极为重要的作用。目前，倾角传感器在工程现场中的应用非常广泛，各种大型建筑物诸如大厦、桥梁、大坝、斜坡和隧道都要经常监测它们的倾斜角度。传统的获取倾角信息的方式是通过全站仪对被测对象进行非接触测量，但这种测量方法在图像信息处理时的算法较为麻烦，并且实际操作时可能受到雨水等恶劣天气的影响，使测量的精度达不到要求。目前，倾角监测主要依靠安装倾角传感器在被测对象上进行监测这一手段。

倾斜传感器按照测量原理的不同可分为MEMS式、电容式、电阻式、光纤式等。大多数传统的倾斜传感器本质上是电子的，通过磁效应或电容效应将倾斜信息转换成电信号，所以容易受到电磁的干扰，无法实现远距离实时监测。在遇到雷雨天气时，仪器容易受到干扰，会导致监测结果不准确或无法工作。此外，电子传感器都是有源传感器，在偏远山区的供电是比较麻烦的而且成本比较高。光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格(Bragg)波长的调制来获取传感信息。由于光纤传感是无源传感并且具有自身独特的优点：体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰、远程监测、灵敏度高，所以开始在倾角监测领域中大量应用。但传统的光纤光栅倾角传感器基本上都是“悬臂梁+重力捶”结构，当倾角发生变化时，摆锤在重力作用下总是试图处于竖直状态，使应变梁发生弯曲变形，一侧的光栅拉长，而另一侧的光栅缩短，通过测量反射回来的中心波长的变化来计算倾角的变化。然而在工程实际运用过程中，机械设备工作时往往会产生各种振动，因此非常容易受到外界振动的干扰，从而输出大量错误的倾角信息，甚至在运输过程中引起重力锤发生大幅度摆动，造成光纤受力过大被折断，缩短光纤光栅传感器的寿命。为此我们提出了一种新型的光纤光栅倾角传感器，可以有效地解决上述问题，更好地应用于实际工程测量中。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的光纤光栅倾角传感器容易受到外界振动的干扰，从而输出大量错误的倾角信息，甚至在运输过程中引起重力锤发生大幅度摆动，造成光纤受力过大被折断，缩短光纤光栅传感器的寿命。

发明内容

针对上述问题，本发明是这样实现的，一种光纤光栅倾角传感器包括：

基壳，内部为密闭环境，用于作为传感器外壳，封装传感器；

固定梁，上端固定在基壳里侧上端，下端通过轴承与齿轮连接，二者可以发生相对转动，所述齿轮用于控制悬臂梁发生左右形变；

悬臂梁，上端固定在基壳里侧上端，下端固定有齿条，所述齿条与齿轮啮合；

浮球，两个相同的浮球分别通过尺寸相同的连接杆焊接固定在齿轮的左右两侧，三者的中心位于同一水平线上，并半没入硅油中；

硅油，填充在基壳里侧底部，作为传递倾斜信息的介质，减小外界振动信息的影响；

光纤光栅，与悬臂梁外表面连接，用于感知悬臂梁表面上的应变。

进一步，所述基壳里侧上端设置有一个凸台，电动凸台上设置有四个位于同一水平高度的相同螺纹孔，用于固定悬臂梁和固定梁。

进一步，所述基壳顶部中心位置预留有一个出纤孔，所述光纤光栅在出纤孔导出后灌胶密封。

进一步，所述基壳、固定梁、悬臂梁、齿轮和浮球均为金属材料。

进一步，所述光纤光栅包括串接于同一根光线光纤上的FBG1和FBG2，FBG1和FBG2分别粘贴在悬臂梁的两个面上。

本发明的另一目的在于提供一种光纤光栅倾角传感器的控制方法，所述光纤光栅倾角传感器的控制方法包括：

步骤一，当光纤光栅倾角传感器工作时，可以利用环氧树脂胶等竖直粘结固定在被测对象上，当被测对象发生倾斜时光纤光栅倾角传感器跟随被测对象一同倾斜，在倾角作用下，悬臂梁和固定梁和基座一起发生倾斜，随即硅油液面会保持在一个新的水平高度；

步骤二，硅油液面的位置变化会带动两个浮球位置改变，但液面始终处于水平状态，在浮力作用下两个浮球，连接杆和齿轮组成的一体式构件也处于水平平衡状态，而齿条和悬臂梁处于倾斜状态，相较于初始状态，两浮球的位置发生了改变，齿条与齿轮的相对位置关系发生了改变，浮球处于新的平衡位置时，齿轮相对于悬臂梁发生了转动，齿轮转动带动悬臂梁下端部的齿条发生位移，引起悬臂梁弯曲变形，悬臂梁左右表面一侧受拉而另一侧受压，产生两个大小相等符号相反的弯曲应变；

步骤三，两条光纤光栅分别感知悬臂梁表面的弯曲应变，引起两条光纤光栅的中心波长产生反向漂移；

步骤四，将两条光纤光栅波长漂移量的差值作为传感器的输出信号，根据倾斜角度与输出信号之间的函数关系得到被测对象的倾角变化。

进一步，所述步骤四中，被测对象倾斜角度越大，波长漂移量的差值越大，将传感器放在振动台上使之处于初始水平状态，然后每次使振动台发生1°的角度倾斜，角度的变化引起传感器的悬臂梁的自由端产生相对应的变形，从而引起光纤光栅波长变化，光波反射回FBG解调仪，传输至上位机通过拟合算法计算出波长值，每次均将采集的波长和角度值经过数学模型计算得出相对应的倾角物理量。经过标定实验实现对倾角传感器的标定。

进一步，所述光纤光栅倾角传感器的控制方法中，通过改变齿轮的半径，两个浮球大小、质量和浮球之间的距离参数，实现对光纤光栅传感器灵敏度的灵活调整。通过预制不同半径的齿轮和不同大小的浮球等。制作不同型号的光纤光栅倾角传感器可以满足不同的灵敏度测量需求。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

本发明利用硅油作为传递倾角的介质，可以消除传统“悬臂梁+重力锤”结构引起的往复式振动，抗干扰能力强，提高了传感器测量的精度和稳定性。

本发明硅油不易蒸发，既具有卓越的耐热性，又具有较低的凝固点，故本传感器可以在复杂环境下长期稳定的检测。

本发明采用液体介质传递倾角，成本低，使用方便，结构简单，也减少了复杂的机械安装过程。

本发明两根光纤光栅对称的粘贴在梁的两个面上，在相同的温度环境下它们受到温度的影响是一致的，Bragg波长随温度同步漂移保持相对位置不变，因而实现了温度自补偿，消除了外界温度变化引起的测量误差，解决了温度与应变交差敏感的问题。

本发明测量精度可以调节。本传感器原理是浮球达到平衡时，齿轮旋转引起悬臂梁弯曲变形，从而引起两个光纤光栅的中心波长产生反向漂移，改变齿轮的半径直接影响着单位角度改变悬臂梁左右两侧轴向应变的大小。故可通过改变齿轮半径调整传感器的监测精度和灵敏度，满足不同情况下的需求。

本发明在传感器“零点”位置，悬臂梁的自由端齿条与齿轮的顶端接触，不发生弯曲，避免了因性元件一直处于变形状态导致易蠕变的状况，很大程度上提高测量结果的准确度。

本发明提供了一种光纤光栅倾角传感器，克服了传统倾角传感器在受到外界振动信息时容易产生往复式振动的问题，消除了外界振动对传感器的干扰。本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明以满足测量倾角为导向,聚焦光纤光栅传感器领域,立足现场监测价值,产品的商业价值,节省如大厦、桥梁、大坝、斜坡和隧道等倾角测量的成本,本发明采用液体传递倾角，减少了复杂的机械安装过程，并且可以重复利用,极大降低了生产成本,结构简单，使用方便，具有巨大的商业价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光纤光栅倾角传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基壳的剖面图；

图3是本发明实施例提供的悬臂梁的正视图；

图4是本发明实施例提供的悬臂梁的侧视图；

图5是本发明实施例提供的初始状态的悬臂梁示意图；

图6是本发明实施例提供的倾斜状态的悬臂梁示意图；

图7是本发明实施例提供的悬臂梁变形示意图；

图中：1、基壳；2、固定梁；3、悬臂梁；4、齿轮；5、浮球；6、硅油；7、光纤光栅。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1至图4所示，本发明实施例提供的光纤光栅倾角传感器包括：

基壳1：为金属材料，内部为密闭环境，作为传感器外壳，封装传感器，内置一个凸台1-1，凸台上设置有四个位于同一水平高度的相同螺纹孔用于固定悬臂梁2和固定梁3，同时顶部中心位置预留有一个出纤孔1-2，导出光纤后灌胶密封。

固定梁2：为合金钢材料，通过松紧螺栓将其竖直固定在基壳的凸台1-1上，自由端处固定齿轮4。

悬臂梁3：为金属材料，其长度能保证底部自由端齿条3-1能与齿轮4咬合在一起，同样通过松紧螺栓将其竖直固定在基壳的凸台1-1上，并将两个光纤光栅7对称地封装在悬臂梁3的两个表面上。底部自由端带有一个齿条3-1，与齿轮4啮合，跟随齿轮4的转动而左右移动，从而悬臂梁3产生左右形变。

齿轮4：与齿条3-1相互啮合，控制悬臂梁发生弯曲变形。浮球5处于新的平衡位置时，齿轮4相对于悬臂梁3旋转引起悬臂梁弯曲变形，从而引起两个光纤光栅的中心波长产生反向漂移，改变齿轮的半径直接影响着单位角度改变悬臂梁左右两侧轴向应变的大小。故可通过改变齿轮半径调整传感器的监测精度和灵敏度，满足不同情况下的需求。例如增加齿轮4的半径可以放大结构发生的微小倾斜引起悬臂梁3的微小变形，达到提高监测精度和灵敏度的目的。

浮球5：金属材料，空心球结构。两个材料、大小、质量完全相同的浮球5分别焊接固定在齿轮4的左右两侧，保证三者的中心始终位于同一水平线上，并将其半没入硅油6中，保证其位置根据液位的变化而改变，从而导致齿轮4产生转动。

硅油6：保证基壳内硅油浸没齿轮4的圆心位置，作为传递倾斜信息的介质，可减小外界振动信息的影响，解决了“悬臂梁+重力捶”结构的光纤光栅传感器在测量时受振动影响，输出大量错误的倾角信息的问题。而且硅油不易蒸发，既具有卓越的耐热性，又具有较低的凝固点，故本传感器可以在复杂环境下长期稳定的检测。采用液体介质传递倾角，成本低，使用方便，结构简单，也减少了复杂的机械安装过程。

光纤光栅7：包括串接于同一根光线光纤上的FBG1和FBG2,将其分别粘贴在悬臂梁3的两个表面上，感知表面上的应变，并将两根引出光纤从基座上方的出纤孔1-2穿出。在相同的温度环境下它们受到温度的影响是一致的，Bragg波长随温度同步漂移保持相对位置不变，利用两个光纤光栅7可以实现温度自补偿，消除外界温度变化对测量的影响。

具体使用时，其工作过程如图5至图6所示。将光纤光栅倾角传感器竖直固定在被测对象上，跟随被测对象一同倾斜。在被测对象未发生倾斜时，光纤光栅波长不发生变化。当被测对象发生倾角α时，悬臂梁3和固定梁2和基座一起倾斜，随即硅油6会保持在一个新的水平高度，传递给浮球5浮力作用并保持两个浮球5处于水平平衡状态，齿条3-1处于倾斜状态，齿轮4处于水平状态。但相较于初始状态，两浮球5的位置发生了改变，齿条3-1与齿轮4的相对位置关系发生了改变，浮球5处于新的平衡位置时，齿轮4相对于悬臂梁3发生了转动，由于悬臂梁3端部齿条3-1与齿轮4啮合，齿轮4的转动通过齿部传递给齿条3-1一个垂直于悬臂梁3左右两侧面方向的力的作用，促使悬臂梁3末端发生垂直于悬臂3左右两侧面方向的微小位移，从而引起悬臂梁3产生弯曲变形，悬臂梁3的左右表面一侧受拉，另一侧受压，产生两个大小相等符号相反的弯曲应变。两个光纤光栅7分别感知悬臂梁3表面的弯曲应变，引起两个光纤光栅7的中心波长产生反向漂移。随后将两个光纤光栅7波长漂移量的差值作为传感器的输出信号，经分析被测对象倾斜角度越大，波长漂移量的差值越大。故可经过标定实验，测得倾斜角度与输出信号之间的函数关系。在进行倾角测量时，可根据此函数关系得到被测对象的倾角变化。

为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

一种建筑物倾斜角度测量系统，所述大型建筑物倾斜角度测量系统设置所述的光纤光栅倾角传感器。

一种斜坡倾斜角度测量系统，所述斜坡倾斜角度测量系统设置有所述的光纤光栅倾角传感器。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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：

基壳，内部为密闭环境，用于作为传感器外壳，封装传感器；

固定梁，上端固定在基壳里侧上端，下端通过轴承与齿轮连接，二者可以发生相对转动，所述齿轮用于控制悬臂梁发生左右形变；

悬臂梁，上端固定在基壳里侧上端，下端固定有齿条，所述齿条与齿轮啮合；

浮球，两个相同的浮球分别通过尺寸相同的连接杆焊接固定在齿轮的左右两侧，三者的中心位于同一水平线上，并半没入硅油中；

硅油，填充在基壳里侧底部，作为传递倾斜信息的介质，减小外界振动信息的影响；

光纤光栅，与悬臂梁外表面连接，用于感知悬臂梁表面上的应变。

2.如权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述基壳里侧上端设置有一个凸台，电动凸台上设置有四个位于同一水平高度的相同螺纹孔，用于固定悬臂梁和固定梁。

3.如权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述基壳顶部中心位置预留有一个出纤孔，所述光纤光栅在出纤孔导出后灌胶密封。

4.如权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述基壳、固定梁、悬臂梁、齿轮和浮球均为金属材料。

5.如权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述光纤光栅包括串接于同一根光线光纤上的FBG1和FBG2，FBG1和FBG2分别粘贴在悬臂梁的两个面上。

6.一种用于实施权利要求1～5任意一项所述的光纤光栅倾角传感器的控制方法，其特征在于，所述光纤光栅倾角传感器的控制方法包括：

步骤一，当光纤光栅倾角传感器工作时，可以将环氧树脂胶等粘结剂均匀涂抹在被测物体外表面上，使光纤光栅倾角传感器可以竖直粘结固定在被测对象上，当被测对象发生倾斜时光纤光栅倾角传感器跟随被测对象一同倾斜，在倾角作用下，悬臂梁和固定梁和基座一起发生倾斜，随即硅油液面会保持在一个新的水平高度；

步骤二，硅油液面的位置变化会带动两个浮球位置改变，但液面始终处于水平状态，在浮力作用下两个浮球，连接杆和齿轮组成的一体式构件也处于水平平衡状态，而齿条和悬臂梁处于倾斜状态，相较于初始状态，两浮球的位置发生了改变，齿条与齿轮的相对位置关系发生了改变，浮球处于新的平衡位置时，齿轮相对于悬臂梁发生了转动，齿轮转动带动悬臂梁下端部的齿条发生位移，引起悬臂梁弯曲变形，悬臂梁左右表面一侧受拉而另一侧受压，产生两个大小相等符号相反的弯曲应变；

步骤三，两条光纤光栅分别感知悬臂梁表面的弯曲应变，引起两条光纤光栅的中心波长产生反向漂移；

步骤四，将两条光纤光栅波长漂移量的差值作为传感器的输出信号，根据倾斜角度与输出信号之间的函数关系得到被测对象的倾角变化。

7.如权利要求6所述的光纤光栅倾角传感器的控制方法，其特征在于，所述步骤四中，被测对象倾斜角度越大，波长漂移量的差值越大，将传感器放在振动台上使之处于初始水平状态，然后每次使振动台发生1°的角度倾斜，角度的变化引起传感器的悬臂梁的自由端产生相对应的变形，从而引起光纤光栅波长变化，光波反射回FBG解调仪，传输至上位机通过拟合算法计算出波长值；每次均将采集的波长和角度值经过数学模型计算得出相对应的倾角物理量。经过标定实验实现对倾角传感器的标定。

8.如权利要求6所述的光纤光栅倾角传感器的控制方法，其特征在于，所述光纤光栅倾角传感器的控制方法中，在制作过程中通过改变齿轮的半径，两个浮球大小、质量和浮球之间的距离参数，来制作不同型号的光栅光纤倾角传感器，实现对光纤光栅传感器灵敏度的灵活调整。

9.一种建筑物倾斜角度测量系统，其特征在于，所述大型建筑物倾斜角度测量系统设置有权利要求1～5任意一项所述的光纤光栅倾角传感器。

10.一种斜坡倾斜角度测量系统，其特征在于，所述斜坡倾斜角度测量系统设置有权利要求1～5任意一项所述的光纤光栅倾角传感器。

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