CN205981114U - 基于光纤光栅和振弦式传感器的复合式位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤光栅和振弦式传感器的复合式位移测量装置，包括设置在被测量结构物某一区域内部的分布式光纤光栅测量单元和振弦式传感器，分布式光纤光栅测量单元包括光源、解调仪和通过一根光纤连接的若干只光纤光栅单元，分布式光纤光栅测量单元的某一只光栅固定在振弦式传感器的壳体上，并与振弦式传感器共同设置在被测量目标的内部。由于振弦式传感器自带有温度校正功能，并具有较高的应变测量准确度，故可以对分布式光纤光栅测量系统的测量结果进行校正，避免了光纤光栅温度和应变解调算法的复杂和光纤光栅标校过程带来的不确定度，最终提高了系统的测量准确度。

Description

基于光纤光栅和振弦式传感器的复合式位移测量装置

技术领域

本实用新型属于结构测量领域，具体涉及一种建筑领域大型结构物的位移或变形测量。

背景技术

在大型结构物的日常养护中，对其关键部件的变形或位移测量十分重要，上述受力构件的受力大小及分布变化最直接地反映结构的健康状况，因此对这些构件的受力状况监测及在此基础上的安全分析评估具有重大意义。

目前常采用的是将多只光纤光栅预埋至结构物如桥梁、道路、房屋等水泥内部，通过测量位移形变引起的光纤光栅的波长偏移来计算得到位移或变形量，通常将多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络,对结构进行准分布式检测，并通过计算机对传感信号进行远程控制。

但由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定两个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用两个二元一次方程解出温度与应变。故由此带来了较大的测量的不确定度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有测量光纤光栅传感器在应变测量中需要对温度进行解算的算法，提供一种利用振弦式传感器对光纤光栅测量的应变进行校正的方案，由于振弦式传感器自带有温度校正功能，并具有较高的应变测量准确度，故可以对分布式光纤光栅测量系统的测量结果进行校正，避免了算法的复杂和光纤光栅校正过程带来的不确定度，最终提高了系统的测量准确度。

本实用新型的技术方案如下：

基于光纤光栅和振弦式传感器的复合式位移测量装置，包括设置在被测量结构物某一区域内部的分布式光纤光栅测量单元和振弦式传感器，所述的分布式光纤光栅测量单元包括光源、解调仪和通过一根光纤连接的若干只光纤光栅单元，所述的光源和解调仪通过光纤分束器或光纤环路器与光纤联接，所述的分布式光纤光栅测量单元的某一只光栅固定在振弦式传感器的壳体上，并与振弦式传感器共同设置在被测量目标的内部。

上述基于光纤光栅和振弦式传感器的复合式位移测量装置中，若干只光纤光栅共同工作在温差可忽略的区域。

上述基于光纤光栅和振弦式传感器的复合式位移测量装置中，振弦式传感器内置有温度校正单元。

上述基于光纤光栅和振弦式传感器的复合式位移测量装置中，光源波长为1.5微米的宽谱光源。

本实用新型具有的有益技术效果如下：

一、本实用新型提供了一种利用振弦式传感器对光纤光栅测量的应变进行校正的方案，由于振弦式传感器自带有温度校正功能，并具有较高的应变测量准确度，故可以对分布式光纤光栅测量系统的测量结果进行校正，避免了光纤光栅温度和应变解调算法的复杂和光纤光栅标校过程带来的不确定度，最终提高了系统的测量准确度。

二、本实用新型的光纤光栅分布在温差可忽略的区域，故采用振弦式传感器对其中的一只光纤光栅进行标定后，只需要按照校正系数对其他光纤光栅的结果进行校正，就可以克服温度、标定误差等结果的影响，可大大提高测量精度。

附图说明

图1为本实用新型分布式光纤光栅单元安装示意图；

图2为本实用新型光纤光栅和振弦式传感器的粘接示意图。

图中：1—光源；2—解调仪；3—光纤分束器；4—光纤；5—被测量结构物；6—光纤光栅单元；7—振弦式传感器；8—振弦；9—起振和检测单元；10—温度监测单元；11—壳体。

具体实施方式

如图1所示，振弦式传感器属于频率型传感器，可等效成一个两端频率随钢丝张力变化的振动钢弦，其由定位支座、起振和检测单元9、振弦8及壳体11组成。其中起振和检测单元9包括激励线圈和频率检测器件，主要是由电路产生激励信号，驱动线圈产生磁力驱动振弦产生振动。

在电激励下，振弦按其固有频率振动，改变振弦的张力F，可以得到不同的振动频率f，即张力与谐振频率成单值函数关系。当振弦受张力长度变化Δl后，则有其中ρ_ν为弦的体密度，E为振弦的弹性模量，l为弦长。

实际应用时，当振弦式传感器7的壳体11受到伸缩变形时，带动两端的定位支座产生移动，从而引起振弦伸长或收缩，通过检测振弦频率的变化，来实现位移和变形的测量。通常振弦频率的变化可以采用与激励磁铁相同的线圈，也可以采用与激励磁铁不同的线圈来完成。当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦迅速达到共振状态，振动产生的感应电动势通过检测电路滤波、放大、整形送给频率测量单元。由于其输出的是频率信号，具有测量可靠、抗干扰能力强，对电缆要求低，有利于传输和远程测量的特点。

由于振弦式传感器零件的金属材料膨胀系数不同，会对频率测量产生影响。为了减小这个误差，通常在出厂之前对振弦式传感器进行温度补偿，即通过测量不同温度条件下传感器的频率变化值，得到频率和温度的关系，同时对于高精度要求的传感器，还在传感器内部安装了温度监测单元10，根据温度结果和事先标定的数据，对测量结果进行修正。

如图1和图2所示，本发明在被测量结构物某一区域设置分布式光纤光栅测量单元6和振弦式传感器7，其中分布式光纤光栅测量单元包括光源1、解调仪2和通过一根光纤连接的若干只光纤光栅单元6，光源1和解调仪2通过光纤分束器3或光纤环路器与光纤联接，分布式光纤光栅测量单元的某一只光栅作为定标光栅，固定在振弦式传感7器的壳体11上，并与振弦式传感器共同设置在被测量目标的内部。

光源1通常采用1.5微米的宽谱光源，解调仪2可采用分光式探测结构，当宽谱光源输出的光经过光纤分束器沿光纤入射至分布式光纤光栅系统，每只光栅将自己的对应的光波长反射至光纤分束器，再入射至解调仪2得到其波长值。当光纤光栅受到外力或温度变化时则会引起波长变化，通过波长的变化也可以推算得到应变值。

应用中光纤光栅是固定在弹性模块上，比如钢片或钢条等弹性金属，被嵌入至结构件的待测量区域，定标光栅则通过弹性模块粘接在振弦式传感器的壳体上，测量过程中结构物的形变引起壳体的长度变化，则引起光纤光栅单元的波长变化。通常同一根光纤上的光纤光栅尽可能选用温度变化系数一致的光栅，集中安装在结构件温差可忽略的区域，也就是说通过振弦式传感器的测量结果对其中某一只光纤光栅进行标定后，只需要按照校正系数对其他光纤光栅的结果进行校正，就可以克服温度、标定误差等结果的影响。

由于振弦式传感器本身可靠成熟，而且其内部设置有温度单元进行了温度补偿，故具有较高的测量精度，采用其对光纤光栅校正，可大大提高测量精度。

Claims (4)

1.基于光纤光栅和振弦式传感器的复合式位移测量装置，其特征在于：包括设置在被测量结构物内部的分布式光纤光栅测量单元和振弦式传感器，所述的分布式光纤光栅测量单元包括光源、解调仪和通过一根光纤连接的若干只光纤光栅单元，所述的光源和解调仪通过光纤分束器或光纤环路器与光纤联接，所述的分布式光纤光栅测量单元的某一只光栅固定在振弦式传感器的壳体上，并与振弦式传感器共同设置在被测量结构物的内部。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅和振弦式传感器的复合式位移测量装置，其特征在于：所述的若干只光纤光栅共同工作在温差可忽略的区域。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅和振弦式传感器的复合式位移测量装置，其特征在于：所述的振弦式传感器内置有温度校正单元。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅和振弦式传感器的复合式位移测量装置，其特征在于：所述的光源为波长1.5微米的宽谱光源。