CN117722957B - 一种磁栅式光纤光栅大量程位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁栅式光纤光栅大量程位移传感器，包括：第一磁探头、第二磁探头和磁栅尺；第一磁探头包括第一等强度梁、第一光栅光纤和第一永磁体；第一等强度梁的自由端固定第一永磁体；第二磁探头包括第二等强度梁、第二光栅光纤和第二永磁体；第二等强度梁的自由端固定所述第二永磁体；第一永磁体的磁极与第二永磁体的磁极同向布置；磁栅尺包括等间距阵列的多个磁栅永磁体，并且相邻两个磁栅永磁体的磁极反向布置；第一永磁体和第二永磁体之间的间距L满足如下关系：L＝(m±1/4)τ，其中，m为正整数，τ为相邻两个同向布置的所述磁栅永磁体的间距。本发明提高实现了温度解耦控制，实现大量程的位移精确测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种磁栅式光纤光栅大量程位移传感器。
背景技术
光纤Bragg光栅(FBG)是一种新型的无源光子器件，可制成各种传感器件，在传感领域得到广泛的应用。与传统的传感器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点:(1)传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，适合埋入大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好；(2)与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高；(3)具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作；(4)轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感；(5)测量信息是波长编码的，所以光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力；(6)高灵敏度、高分辩力。
正是由于光纤Bragg光栅(FBG)具有众多的优点，近年来光纤光栅传感器在大型土木工程结构﹑航空航天等领域的健康监测，以及能源化工等领域得到了广泛的应用。
现有光纤传感器易受到温度和应变交叉灵敏度干扰，对大量程的位移测量准确性较差。
发明内容
为了解决现有技术中光纤传感器对大量程的位移测量准确性较差的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种磁栅式光纤光栅大量程位移传感器，所述位移传感器包括：第一磁探头、第二磁探头和磁栅尺；
所述第一磁探头包括第一等强度梁、第一光栅光纤和第一永磁体；所述第一等强度梁的一端固定，另一端为自由端；所述第一光栅光纤与所述第一等强度梁平行并固定，所述第一等强度梁的自由端固定所述第一永磁体；
所述第二磁探头包括第二等强度梁、第二光栅光纤和第二永磁体；所述第二等强度梁的一端固定，另一端为自由端；所述第二光栅光纤与所述第二等强度梁平行并固定，所述第二等强度梁的自由端固定所述第二永磁体；
其中，所述第一等强度梁与所述第二等强度梁平行布置，并且所述第一光栅光纤与所述第二光栅光纤平行布置；所述第一永磁体的磁极与所述第二永磁体的磁极同向布置；
所述磁栅尺垂直于所述第一光栅光纤，以及垂直于所述第二光栅光纤；所述磁栅尺包括等间距阵列的多个磁栅永磁体，并且相邻两个磁栅永磁体的磁极反向布置；
所述磁栅尺置于所述第一永磁体和所述第二永磁体前方，并且所述磁栅尺相对所述第一磁探头和第二磁探头往复运动；
其中，所述第一永磁体和所述第二永磁体之间的间距L满足如下关系：
L＝(m±1/4)τ，其中，m为正整数，τ为相邻两个同向布置的所述磁栅永磁体的间距。
优选地，所述第一永磁体和所述第二永磁体的连线，与多个所述磁栅永磁体的连线平行。
优选地，所述位移传感器还包括支架和夹具；
所述支架与所述夹具固定，所述夹具固定所述第一等强度梁和所述第二等强度梁。
本发明提供的一种磁栅式光纤光栅大量程位移传感器，通过结合高精度的FBG和磁栅尺，实现温度解耦控制，可以实现大量程的测量。
本发明提供的一种磁栅式光纤光栅大量程位移传感器，磁栅尺在第一永磁体和第二永磁体前方运动，利用磁性效应改变第一永磁体和第二永磁体之间的间距，导致第一光栅光纤和第二光栅光纤的间隙变化，从而引起第一光栅和第二光栅反射波的中心波长偏移，通过对偏移量的分析，实现大量程的位移测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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示意性示出了本发明一种磁栅式光纤光栅大量程位移传感器的结构示意图。
图2示出了本发明第一磁探头的截面示意图。
图3示出了本发明第一光栅光纤或第二光栅光纤的应变原理示意图。
图4示出了本发明一种磁栅式光纤光栅大量程位移传感器磁栅尺的位移与光栅波长变化曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
如图1所示，根据本发明的实施例，提供一种磁栅式光纤光栅大量程位移传感器，包括：第一磁探头1、第二磁探头2、磁栅尺3、支架4和夹具5。
如图1和2所示，第一磁探头1包括第一等强度梁101、第一光栅光纤102和第一永磁体103。第一等强度梁101的一端固定，另一端为自由端。具体地，夹具4固定第一等强度梁101的一端。支架4与夹具5固定。
第一光栅光纤102与第一等强度梁101平行并固定，第一等强度梁101的自由端固定第一永磁体103。第一光栅光纤102上刻写第一光栅104。
本发明第一磁探头1和第二磁探头2的结构相同。第二磁探头2包括第二等强度梁201、第二光栅光纤202和第二永磁体203。第二等强度梁203的一端固定，另一端为自由端。具体地，夹具4固定第二等强度梁201的一端。支架4与夹具5固定。
第二光栅光纤202与第二等强度梁201平行并固定，第二等强度梁201的自由端固定第二永磁体103。第二光栅光纤202上刻写第二光栅204。
根据本发明的实施例，第一等强度梁101与第二等强度梁201平行布置，并且第一光栅光纤102与第二光栅光纤202平行布置。第一永磁体103的磁极与第二永磁体203的磁极同向布置。本实施例中，第一永磁体103的N极与第二永磁体203的N极均向上。
根据本发明的实施例，磁栅尺3垂直于第一光栅光纤101，以及垂直于第二光栅光纤102。磁栅尺3包括等间距阵列的多个磁栅永磁体301，并且相邻两个磁栅永磁体301的磁极反向布置，如图1所示。
如图1所示，第一永磁体103和第二永磁体203置于磁栅尺3前方，并且磁栅尺3相对第一磁探头1和第二磁探头2往复运动。第一永磁体103和第二永磁体203的连线W1，与多个磁栅永磁体301的连线W2平行。
根据本发明的实施例，第一永磁体103和第二永磁体203之间的间距L(第一光栅光纤102与第二光栅光纤202之间的间距L)满足如下关系：
L＝(m±1/4)τ，其中，m为正整数，τ为相邻两个同向布置的磁栅永磁体301的间距。
在具体的实施例中，为提高第一光栅光纤102和第二光栅光纤202的光敏性，将标准单模光纤放入氢气密封罐中，放置1周。利用扫描相位掩模技术和波长为244nm的加倍连续波氩离子激光器在单模光纤上刻写光栅，从而制备第一光栅光纤102和第二光栅光纤202。
进一步地，用圆柱形透镜和紫外(UV)激光束聚焦于单模光纤上。通过使用放置在单模光纤前面的相位掩模(与光纤轴平行)，在光敏铁芯中印记光栅(折射率的周期性调制)。激光器输出的光的形状和垂直于相位掩模。将单模光纤放置在±1阶衍射光的位置，以进行紫外线照射，在单模光纤上刻写光栅。
紫外线铭文后，将第一光栅光纤102和第二光栅光纤202在100℃烤箱48小时去除任何残留的氢，直到第一光栅104和第二光栅204的反射率降低10％，3dB带宽减少0.1nm，中心波长移动0.8nm。这一步被称为退火处理。经过退火处理后，第一光栅光纤102和第二光栅光纤202的参数不会改变。第一光栅104的中心波长为1555.12nm和第二光栅204的中心波长1557.29nm，第一光栅104和第二光栅204的长度为5mm。
在一个实施例中，第一永磁体103和第二永磁体203的厚度为3mm，第一永磁体103和第二永磁体203的直径为4mm。
在具体的实施例中，相邻两个同向布置的磁栅永磁体301的间距τ＝8mm，第一永磁体103和第二永磁体203之间的间距L(第一光栅光纤102与第二光栅光纤202之间的间距L)＝(2+1/4)τ＝18mm，其中m＝2。
为了消除磁场干扰，夹具5采用铝合金制成。第一等强度梁101和第二等强度梁201采用软性金属材料制作，厚度为0.5mm。第一光栅光纤102采用胶水固定于第一等强度梁101上，末端用第一永磁体103压实并将第一永磁体103与第一等强度梁101用粘性胶水固定。第二光栅光纤202采用胶水固定于第二等强度梁201上，末端用第二永磁体203压实并将第二永磁体203与第二等强度梁201用粘性胶水固定。
将磁栅永磁体301等间距放入磁栅尺的槽中，并且相邻两个磁栅永磁体301的磁极反向布置。第一永磁体103、第二永磁体203和磁栅永磁体301仅在轴向上进行磁化，磁矢量为868kA/m。磁栅尺3置于第一永磁体103和第二永磁体203前方。至此，完成磁栅式光纤光栅大量程位移传感器的制备。
下面对本发明一种磁栅式光纤光栅大量程位移传感器进行大量程位移测量的原理进行说明。
当一个宽带光源射入FBG(第一光栅104和第二光栅204)时，布拉格波长λB被反射。作为一种波长选择滤波器，FBG(第一光栅104和第二光栅204)反射特定波长的光信号。布拉格条件如下：
λB＝2neff·∧ (1)
其中，neff为光纤的有效折射率，∧为光栅周期。任何来自温度和应变的扰动都会带来neff和∧的变化，从而导致λB的位移。式(2)表示综合效应：
ΔλB＝λB[(α+ζ)ΔT+(1-Pe)Δε] (2)
其中，α为光纤的热膨胀系数，ζ为热光系数，Pe为光弹性常数。所有这些都可以通过实验得到。
式(2)可简化如下：
其中，KT为热敏感系数，Kε为机械应变敏感系数，ΔT为温度变化量，Δε为应变张量。
本发明通过第一磁探头1、第二磁探头2和磁栅尺3，可以解决应变和温度之间的交叉灵敏度，同时确定磁栅尺3运动的方向。
具体地，第一磁探头1的第一永磁体103和第二磁探头2的第二永磁体203之间的间距L(第一光栅光纤102与第二光栅光纤202之间的间距L)满足如下关系：
L＝(m±1/4)τ，其中，m为正整数，τ为相邻两个同向布置的磁栅永磁体301的间距，并且L＜＜磁栅尺3的长度。
磁栅尺3运动时，在磁效应下，对第一光栅光纤102产生的纵向拉伸力或压缩力：
磁栅尺3运动时，在磁效应下，对第二光栅光纤202产生的纵向拉伸力或压缩力：
其中，B为常数，x为磁栅尺3运动的位移。
如图3所示，由于第一光栅光纤102和第二光栅光纤202属于各向同性的柱状结构，第一光栅光纤102和第二光栅光纤202上的应力可分为三个分量Pr，Pθ，Pz。Pz代表z轴应力，在布拉格波长位移中起着很大的作用；Pr和Pθ代表横向应力。
因为轴向力在弹性范围内施加在第一光栅光纤102和第二光栅光纤202上，根据胡克定律，第一光栅光纤102和第二光栅光纤202的应力为纵向拉伸力或压缩力：
其中，F为第一光栅光纤102或第二光栅光纤202的应力为纵向拉伸力或压缩力，Δσ为应力张量，c为弹性模量，Δε表示应变张量，A为第一光栅光纤102或第二光栅光纤202的横截面积。
结合(3)、(4)、(5)、(6)，第一光栅104或第二光栅204的波长位移的关系可以表示为：
其中，D＝B·Kε/A·c，Δλ1为第一光栅104的波长位移量，λ1为第一光栅104布拉格波长，Δλ2为第二光栅204的波长位移量，λ2为第二光栅204布拉格波长，B为常数，x为磁栅尺3运动的位移，KT为热敏感系数，Kε为机械应变敏感系数，τ为相邻两个同向布置的磁栅永磁体301的间距，ΔT为温度变化量，A为第一光栅光纤102或第二光栅光纤202的横截面积，c为弹性模量。
由(7)表明，当L增加或减少时，通过调节常数B提高第一光栅光纤102和第二光栅光纤202的灵敏度。但是L必须满足(m±1/4)τ，以匹配理想的正弦波形：
由(8)可知，第一光栅光纤102和第二光栅光纤202可以实现温度解耦，提高位移测量的灵敏度，第一光栅光纤102和第二光栅光纤202的信号转换为位移参数的信号，实现大量测量位移测量。
如图4所示，第一光栅光纤102和第二光栅光纤202可以根据公式(4)和(5)得到磁栅尺3位移特性，可以通过90°的相位差实现正弦函数的变化，可以使用第一光栅光纤102和第二光栅光纤202的波形来识别磁栅尺3运动的方向。
本发明磁栅尺3运动运动时，第一等强度梁101上的第一永磁体103和第二等强度梁201上的第二永磁体203受到的磁场发生变化，磁力强度的改变产生垂直方向的作用力，同时对第一等强度梁101和第二等强度量201施压，使其发生形变，引起第一光栅104和第二光栅204反射波的中心波长偏移，采集第一光栅104和第二光栅204的偏移量。通过对第一光栅104和第二光栅204偏移量的分析，就可以实现大量程的位移测量。
本发明通过第一磁探头1、第二磁探头2和磁栅尺3实现了温度解耦控制，同时可以用来确定磁栅尺3的移动方向，从而确定物体(磁栅尺3连接物体)的运动方向。本发明磁栅式光纤光栅大量程位移传感器具有装配简单，量程大，适用范围广等优点。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种磁栅式光纤光栅大量程位移传感器，其特征在于，所述位移传感器包括：第一磁探头、第二磁探头和磁栅尺；
所述第一磁探头包括第一等强度梁、第一光栅光纤和第一永磁体；所述第一等强度梁的一端固定，另一端为自由端；所述第一光栅光纤与所述第一等强度梁平行并固定，所述第一等强度梁的自由端固定所述第一永磁体；
所述第二磁探头包括第二等强度梁、第二光栅光纤和第二永磁体；所述第二等强度梁的一端固定，另一端为自由端；所述第二光栅光纤与所述第二等强度梁平行并固定，所述第二等强度梁的自由端固定所述第二永磁体；
其中，所述第一等强度梁与所述第二等强度梁平行布置，并且所述第一光栅光纤与所述第二光栅光纤平行布置；所述第一永磁体的磁极与所述第二永磁体的磁极同向布置；
所述磁栅尺垂直于所述第一光栅光纤，以及垂直于所述第二光栅光纤；所述磁栅尺包括等间距阵列的多个磁栅永磁体，并且相邻两个磁栅永磁体的磁极反向布置；
所述磁栅尺置于所述第一永磁体和所述第二永磁体前方，并且所述磁栅尺相对所述第一磁探头和第二磁探头往复运动；
其中，所述第一永磁体和所述第二永磁体之间的间距L满足如下关系：
L＝(m±1/4)τ，其中，m为正整数，τ为相邻两个同向布置的所述磁栅永磁体的间距。
2.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述第一永磁体和所述第二永磁体的连线，与多个所述磁栅永磁体的连线平行。
3.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述位移传感器还包括支架和夹具；
所述支架与所述夹具固定，所述夹具固定所述第一等强度梁和所述第二等强度梁。
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