CN207866201U - 一种基于等强度悬臂梁结构的双轴光纤Bragg光栅倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于等强度悬臂梁结构的双轴光纤Bragg光栅倾角传感器，包括一个柱形体的外壳，在外壳上纵向开设有光纤导出孔、潜孔，在外壳内设置有质量球，质量球通过连接杆通过潜孔固定于关节轴承的内球面，关节轴承外球面固定于外壳；质量球与四个方向上的四个等强度悬臂梁相接触，等强度悬臂梁采用固定螺丝固定于传感器外壳上；在等强度悬臂梁外侧表面粘贴光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅通过光纤导出孔将传导光纤引出到传感器外部。其中光纤布拉格光栅通过环氧树脂胶粘贴在等强度悬臂梁外侧表面上。本实用新型结构简单，便于操作；抗干扰能力强；可以实现敏感轴与水平面间倾角的检测。

Description

一种基于等强度悬臂梁结构的双轴光纤Bragg光栅倾角传 感器

技术领域

本实用新型涉及一种基于等强度悬臂梁结构的双轴光纤Bragg光栅倾角传感器，属于光电子测量器件技术领域。

背景技术

倾角传感器就是一种用于检测倾斜角度的仪器，它具有安装方便，容易确立基准，实用方式灵活多变等优点，所以被广泛应用于各行各业。虽然传统的电信号倾角传感器具有很好的测量精度和分辨率，但是它很容易受到电磁信号的干扰，且使用寿命也不够长，难以在恶劣的环境下实现长期稳定工作。光纤布拉格光栅倾角传感器的传感原理就是光纤布拉格光栅对温度和应变的敏感而制成。它具有很多的优点，耐高温，耐腐蚀，耐电磁干扰，稳定性强，可实现无源监测。但目前光纤Bragg光栅倾角传感器都是单轴的，为了实现双轴传感器的检测功能，一般把两个单轴的光纤Bragg光栅倾角传感器垂直固定在一起。这样做对于传感器的稳定性与检测精度都有很大的影响。所以此实用新型恰好解决了这一问题，为光纤布拉格光栅倾角传感器实现双轴检测提供了可行的途径。

发明内容

本实用新型提供了一种基于等强度悬臂梁结构的双轴光纤Bragg光栅倾角传感器，以用于解决光纤布拉格光栅倾角传感器实现对敏感轴对于水平面之间的倾角的检测。

本实用新型的技术方案是：一种基于等强度悬臂梁结构的双轴光纤Bragg光栅倾角传感器，本实用新型特征在于：包括一个柱形体的外壳(1)，该外壳(1)上部为实心体(1.1)，下部为空心体(1.2)；在实心体(1.1)部分纵向开设有光纤导出孔(3)，中心开设有潜孔(1.3)，并在实心体(1.1)下部侧面对称开设有固定孔(1.4)；在空心体(1.2)内设置有质量球(7)，质量球(7)通过连接杆(4)通过潜孔(1.3)固定于关节轴承(2)的内球面，关节轴承(2)外球面固定于传感器外壳(1)；质量球(7)与四个方向上的四个等强度悬臂梁(6)相接触，等强度悬臂梁(6)采用固定螺丝(5)固定于传感器外壳(1)上；在等强度悬臂梁(6)外侧表面粘贴光纤布拉格光栅(8)，光纤布拉格光栅(8)通过光纤导出孔(3)将传导光纤引出到传感器外部；其中光纤布拉格光栅(8)通过环氧树脂胶粘贴在等强度悬臂梁(6)外侧表面上。

本实用新型等强度悬臂梁(6)设为一锥形体，其下部开设有固定孔(6.1)，光纤布拉格光栅(8)粘贴在该锥形体表面上。

本实用新型关节轴承(2)采用自润滑关节轴承。其特点是结构简单、体积小、承载力大,而且还具有摩擦系数小、耐冲击、耐腐蚀、减少振动、适用温度范围广,寿命长,无需添加润滑剂等优异特性。

本实用新型在外壳(1)下部空心体(1.2)内灌装有阻尼油(9)。使其具有优良的粘阻性、润滑性和机械安定性；在不同温度条件下阻尼力矩稳定；良好的减振、缓冲、密封、防水、阻尼性能。

本实用新型为了防止内部的阻尼油外漏和外部的水分进入传感器内部，在光纤导出孔(3)与固定螺丝(5)接口处均设有密封装置。

本实用新型的工作原理是：在平衡状态时，质量球受重力作用，垂直于水平面，四个等强度悬臂梁都是不受力状态。当传感器自身存在一个倾角时，由于质量球自身重力产生的分力，从而使等强度悬臂梁发生形变，引起等强度悬臂梁上的光纤布拉格光栅的反射光的波长的变化，通过对光纤布拉格光栅反射波长的调制，即可得到对应的等强度悬臂梁的分力，再对发生形变的两个等强度悬臂梁的分力正交分解，即可算出敏感轴与水平面间的倾角。

本实用新型的数学模型分析如下：

从一维的角度来看，当传感器自身倾斜θ1角时，由于质量球受重力的影响，会产生一个对悬臂梁的压力F，可得：

F＝mgsinθ₁ (1)

由材料力学相关知识可得，悬臂梁的表面应变为：

等强度悬臂梁的横截面对于中性轴的惯性矩为：

联立(2)和(3)得：

两个相对的等强度悬臂梁的光纤布拉格光栅中心反射波长分别为Δλ_A和Δλ_B，

Δλ_A＝α_T·ΔT

Δλ_B＝α_T·ΔT+α_ε·ε (5)

综上所述，即可得出：

同理可求得θ2，通过对θ1和θ2正交分解可得：

式中，E为等强度悬臂梁的弹性模量，h为悬臂梁的厚度，l为悬臂梁的长度，b为悬臂梁的宽度。

本实用新型的有益效果是：

1、通过把相邻光纤光栅的反射波长的变化进行正交分解，可得到敏感轴与水平面间的倾角。

2、此倾角传感器本身不带任何电信号，可工作于易燃易爆等高危环境。

3、通过采用光纤Bragg光栅，具有较强的抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力。

4、结构简单，便于操作。

附图说明

图1为本实用新型的主视结构剖视图；

图2为本实用新型的侧面结构剖视图；

图3为本实用新型等强度悬臂梁的结构示意图。

具体实施方式

见图1，图2，图3，一种基于等强度悬臂梁结构的双轴光纤Bragg光栅倾角传感器，本实用新型特征在于：包括一个柱形体的外壳1，该外壳1上部为实心体1.1，下部为空心体1.2；在实心体1.1部分纵向开设有光纤导出孔(3)，中心开设有潜孔1.3，并在实心体1.1下部侧面对称开设有固定孔1.4；在空心体1.2内设置有质量球7，质量球7通过连接杆4通过潜孔1.3固定于关节轴承2的内球面，关节轴承2外球面固定于传感器外壳1；质量球7与四个方向上的四个等强度悬臂梁6相接触，等强度悬臂梁6采用固定螺丝5固定于传感器外壳1上；在等强度悬臂梁6外侧表面粘贴光纤布拉格光栅8，光纤布拉格光栅8通过光纤导出孔3将传导光纤引出到传感器外部；其中光纤布拉格光栅8通过环氧树脂胶粘贴在等强度悬臂梁6外侧表面上。

本实用新型等强度悬臂梁6设为一锥形体，其下部开设有固定孔6.1，光纤布拉格光栅8粘贴在该锥形体表面上。

本实用新型关节轴承2采用自润滑关节轴承。其特点是结构简单、体积小、承载力大,而且还具有摩擦系数小、耐冲击、耐腐蚀、减少振动、适用温度范围广,寿命长,无需添加润滑剂等优异特性。

本实用新型在外壳1下部空心体1.2内灌装有阻尼油9。使其具有优良的粘阻性、润滑性和机械安定性；在不同温度条件下阻尼力矩稳定；良好的减振、缓冲、密封、防水、阻尼性能。

本实用新型为了防止内部的阻尼油外漏和外部的水分进入传感器内部，在光纤导出孔3与固定螺丝5接口处均设有密封装置。

Claims (5)

1.一种基于等强度悬臂梁结构的双轴光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于：包括一个柱形体的外壳(1)，该外壳(1)上部为实心体(1.1)，下部为空心体(1.2)；在实心体(1.1)部分纵向开设有光纤导出孔(3)，中心开设有潜孔(1.3)，并在实心体(1.1)下部侧面对称开设有固定孔(1.4)；在空心体(1.2)内设置有质量球(7)，质量球(7)通过连接杆(4)通过潜孔(1.3)固定于关节轴承(2)的内球面，关节轴承(2)外球面固定于传感器外壳(1)；质量球(7)与四个方向上的四个等强度悬臂梁(6)相接触，等强度悬臂梁(6)采用固定螺丝(5)固定于传感器外壳(1)上；在等强度悬臂梁(6)外侧表面粘贴光纤布拉格光栅(8)，光纤布拉格光栅(8)通过光纤导出孔(3)将传导光纤引出到传感器外部；其中光纤布拉格光栅(8)通过环氧树脂胶粘贴在等强度悬臂梁(6)外侧表面上。

2.根据权利要求1所述的基于等强度悬臂梁结构的双轴光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于：等强度悬臂梁(6)设为一锥形体，其下部开设有固定孔(6.1)，光纤布拉格光栅(8)粘贴在该锥形体表面上。

3.根据权利要求1所述的基于等强度悬臂梁结构的双轴光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于：关节轴承(2)采用自润滑关节轴承。

4.根据权利要求1所述的基于等强度悬臂梁结构的双轴光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于：在外壳(1)下部空心体(1.2)内灌装有阻尼油(9)。

5.根据权利要求1所述的基于等强度悬臂梁结构的双轴光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于：为了防止内部的阻尼油外漏和外部的水分进入传感器内部，在光纤导出孔(3)与固定螺丝(5)接口处均设有密封装置。