CN208109035U - 一种差动式光纤Bragg光栅倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种差动式光纤Bragg光栅倾角传感器，容器、底座、液体、空心浮球、传动杆、等强度悬臂梁、光纤Bragg光栅和导出光纤；所述容器固定安装在底座上，所述容器内部装有液体，所述容器内顶部中间位置上通过螺钉安装设置有等强度悬臂梁，所述等强度悬臂梁上粘粘设置有光纤Bragg光栅，所述等强度悬臂梁的自由端与传动杆顶端配合连接。本实用新型结构简单、便于操作，将被测物体的倾角检测转化为对光纤Bragg光栅波长的调制，光纤Bragg光栅波长移位与被测物体倾斜角度具有线性关系；采用的光纤Bragg光栅具有很强的耐腐蚀能力和抗电磁干扰能力(EMI)；不带任何电信号，可适用于强电磁、易燃、易爆等高危环境中的温度测量。

Description

一种差动式光纤Bragg光栅倾角传感器

技术领域

本实用新型属于光电子测量技术领域，具体是一种差动式光纤Bragg光栅倾角传感器。

背景技术

角度计量是几何量计量的重要组成部分，倾角传感器又称作倾斜仪、测斜仪、水平仪、倾角计，经常用于系统的水平角度变化测量，水平仪从过去简单的水泡水平仪到现在的电子水平仪是自动化和电子测量技术发展的结果。作为一种检测工具，它已成为桥梁架设、铁路铺设、土木工程、石油钻井、航空航海、工业自动化、智能平台、机械加工等领域不可缺少的重要测量工具。具体应用包括高精度激光仪器水平、工程机械设备调平、远距离测距仪器、高空平台安全保护、定向卫星通讯天线的俯仰角测量、船舶航行姿态测量、盾构顶管应用、大坝检测、地质设备倾斜监测、火炮炮管初射角度测量、雷达车辆平台检测、卫星通讯车姿态检测等等。

近年来，光纤传感器以其精度高、成本低以及抗干扰能力强等优势被广泛应用于测量技术领域。光纤倾角传感与传统的倾角传感器相比有很多优点，如灵敏度高，体积小，耐腐蚀，抗电磁辐射，光路可弯曲，便于遥测等，特别是应对于强电磁、易燃、易爆等测量环境时，光纤Bragg光栅温度传感器采用光纤材料，在信号的传输与传感中均是采用光信号，实现了现场的无电测量，提供了一种本质安全的在线测量方式。

在上述背景下，设计出了一种差动式光纤Bragg光栅倾角传感器。该传感器结构简单、便于操作、抗干扰能力强，可用于多种环境下的倾角测量。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种差动式光纤Bragg光栅倾角传感器及其使用方法；可测量物体倾斜角度；为多种应用环境的角度测量。

为了解决上述的问题本实用新型的采用的技术以及方法如下：

一种差动式光纤Bragg光栅倾角传感器，包括容器、底座、液体、空心浮球、传动杆、等强度悬臂梁、光纤Bragg光栅和导出光纤；所述容器固定安装在底座上，所述容器内部装有液体，所述容器内顶部中间位置上通过螺钉安装设置有等强度悬臂梁，所述等强度悬臂梁上粘粘设置有光纤Bragg光栅，所述等强度悬臂梁的自由端与传动杆顶端配合连接，所述传动杆下端连接设置有空心浮球，所述空心浮球悬浮设置于液体表面上，所述光纤Bragg光栅上设置有导出光纤，所述导出光纤通过设置在容器顶部的光纤出口引出并与外接光缆相连接。

进一步地，所述光纤Bragg光栅设置有两个，所述光纤Bragg光栅分别粘贴在等强度悬臂梁上下两壁。

进一步地，所述空心浮球通过容器内部液体的液位升降，带动传动杆升降，从而使等强度悬臂梁发生形变。

本实用新型的有益效果是：

1.将被测物体的倾角检测转化为对光纤Bragg光栅波长的调制，光纤Bragg光栅波长移位与被测物体倾斜角度具有线性关系。

2.采用的光纤Bragg光栅具有很强的耐腐蚀能力和抗电磁干扰能力(EMI)。

3、不带任何电信号，可适用于强电磁、易燃、易爆等高危环境中的温度测量。

4、结构简单、便于操作。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型的结构示意图；

图2为实用新型中等强度悬臂梁的局部俯视示意图；

图3为实用新型中等强度悬臂梁的局部侧视示意图；

图中各标号：1为容器、2为底座、3为液体、4为空心浮球、5为传动杆、6为等强度悬臂梁、7为光纤Bragg光栅、8为导出光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定；

如图1-3所示，本实用新型技术方案一种差动式光纤Bragg光栅倾角传感器，包括容器1、底座2、液体3、空心浮球4、传动杆5、等强度悬臂梁6、光纤Bragg光栅7和导出光纤8；所述容器1固定安装在底座2上，所述容器1内部装有液体3，所述容器1内顶部中间位置上通过螺钉安装设置有等强度悬臂梁6，所述等强度悬臂梁6上粘粘设置有光纤Bragg光栅7，所述等强度悬臂梁6的自由端与传动杆5顶端配合连接，所述传动杆5下端连接设置有空心浮球4，所述空心浮球4悬浮设置于液体3表面上，所述光纤Bragg光栅7上设置有导出光纤8，所述导出光纤8通过设置在容器1顶部的光纤出口引出并与外接光缆相连接。

所述光纤Bragg光栅7设置有两个，所述光纤Bragg光栅7分别粘贴在等强度悬臂梁6上下两壁。

所述空心浮球4通过容器1内部液体3的液位升降，带动传动杆5升降，从而使等强度悬臂梁6发生形变。

一种差动式光纤Bragg光栅倾角传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：

S1、将传感器底座2放置在被测物体上，容器1和底座2与被测物体倾斜角度相同，容器1内的液体3仍处于水平状态，此时空心浮球4随液体3的液面发生升降，并使传动杆5发生升降，把浮力转化为对等强度悬臂梁6自由端的压力，进而带动粘贴在等强度悬臂梁6上下两壁的光纤Bragg光栅7拉伸和压缩，从而根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到粘贴在等强度悬臂梁6上下两壁的光纤Bragg光栅7的中心波长差值Δλ_B；

S2、根据粘贴在等强度悬臂梁6上下两壁的光纤Bragg光栅7的中心波长差值Δλ_B与物体倾斜角度的关系式计算出被测物体的倾斜角度；

式中：l为等强度悬臂梁6的工作长度，h为等强度悬臂梁6的厚度，B为等强度悬臂梁6固定端的宽度，E为等强度悬臂梁6的弹性模量，S_ε为光纤Bragg光栅7的应变敏感系数，λ_B为光纤Bragg光栅7的中心波长，ρ为液体3的密度，g为重力系数，s为传动杆杆5的横截面积。

本实用新型的工作原理：传感器在初始状态下，液体相对于容器处于水平状态，等强度悬臂梁不发生形变，若将传感器底座放置在被测物体上，容器与底座与被测物体倾斜角度相同，而根据物理原理容器内的液体仍处于水平状态，此时空心浮球随液体的液面发生升降，并使传动杆发生升降，把浮力转化为对等强度悬臂梁自由端的压力，进而带动粘贴在等强度悬臂梁上下两壁的光纤Bragg光栅拉伸和压缩(上下两壁的光纤Bragg光栅拉伸与压缩正好相反)，光纤Bragg光栅的差动式粘贴有助于抵消环境温度的影响，光纤Bragg光栅的导出光纤通过容器口引出并与外接光缆相连接。因此，将物体的倾角检测转化为对光纤Bragg光栅波长的调制，实现物体倾角的测量。

本实用新型的数学模型分析如下：

等强度悬臂梁自由端受力F的计算公式为：

F＝ρgsΔH (1)

式中，ρ为容器1内被测液体3的密度，g为重力系数，s为传动杆5的横截面积，ΔH为容器的液位高度变化。

等强度悬臂梁6各点的应变为：

ε＝6·F·l/(Bh²E) (2)

式中，l为等强度悬臂梁6的工作长度，h为等强度悬臂梁6的厚度，B为等强度悬臂梁6固定端的宽度，E为等强度悬臂梁6的弹性模量。

把(1)式带入(2)式得：

上表面受到的是拉伸应变ε，而下表面受到的是压缩应变-ε，若两只光栅处于同样的温度场中，应变信号ε可表示为：

式中，S_ε为光纤Bragg光栅的应变敏感系数，λ_B为光纤Bragg光栅初始中心波长。

粘贴在等强度悬臂梁6上下两壁的光纤Bragg光栅7中心波长差值Δλ_B为：

则：

又由于倾斜角度θ的正切为：

将式(6)代入式(7)：

从而可得出倾斜角度：

式(9)表明了被测被测物体倾斜角度θ与光纤Bragg光栅波长移位Δλ_B之间的数学关系，通过测量光纤Bragg光栅波长移位即可计算出被测物体的倾斜角度，由此来实现倾角的测量。

其具体参数为：

1、光纤Bragg光栅7的技术参数为：中心波长λ_B＝1550nm；

2、等强度悬臂梁的尺寸参数为：工作长度l为120mm，固定点宽度B为68mm，45#钢Young’s模量为E＝200GPa，悬臂梁厚度h为2mm；

3、液体的参数为：密度ρ＝10×102，重力系数g＝9.8；

4、传动杆的横截面积为s＝102×πmm2

5、按附图1配置实验；

6、用光纤光栅解调仪获取光纤Bragg光栅7的的中心波长的移位值Δλ_B；

7、根据公式8，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位Δλ_B对被测物体倾角的响应灵敏度为：

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种差动式光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于，包括容器(1)、底座(2)、液体(3)、空心浮球(4)、传动杆(5)、等强度悬臂梁(6)、光纤Bragg光栅(7)和导出光纤(8)；所述容器(1)固定安装在底座(2)上，所述容器(1)内部装有液体(3)，所述容器(1)内顶部中间位置上通过螺钉安装设置有等强度悬臂梁(6)，所述等强度悬臂梁(6)上粘粘设置有光纤Bragg光栅(7)，所述等强度悬臂梁(6)的自由端与传动杆(5)顶端配合连接，所述传动杆(5)下端连接设置有空心浮球(4)，所述空心浮球(4)悬浮设置于液体(3)表面上，所述光纤Bragg光栅(7)上设置有导出光纤(8)，所述导出光纤(8)通过设置在容器(1)顶部的光纤出口引出并与外接光缆相连接。

2.如权利要求1所述的一种差动式光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于：所述光纤Bragg光栅(7)设置有两个，所述光纤Bragg光栅(7)分别粘贴在等强度悬臂梁(6)上下两壁。

3.如权利要求1所述的一种差动式光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于：所述空心浮球(4)通过容器(1)内部液体(3)的液位升降，带动传动杆(5)升降，从而使等强度悬臂梁(6)发生形变。