CN208269894U - 一种可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器，属于光纤传感技术领域，其包括应变传递支撑基座和等强度悬臂梁，等强度悬臂梁的固定端设置在应变传递支撑基座，在等强度悬臂梁的自由端均设有永磁体；在等强度悬臂梁表面设置敏感元件光纤光栅；在等强度悬臂梁的正下方设置半球型外壳，在半球型外壳中设置金属圆珠。本实用新型不仅仅可以实现具有自温度补偿功能的倾斜角度测量，且可以实现倾斜方向的辨识。

Description

一种可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器。

背景技术

传统的机械倾斜计采用重力摆带动机械臂指针转动，测量精度较低，需要到器件安装所在位置进行数据读取，人工误差出现机率较高。

现有技术中，基于Bragg光栅的全光纤实时测量倾斜仪(CN103591937A)，公开了一种光栅测斜仪，但其尚不能实现倾斜方向的测量。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的在于提供一种可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器，不仅尺寸小，重量轻，而且抗电磁干扰，复用性好。

技术方案：为实现上述实用新型目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器，包括应变传递支撑基座和等强度悬臂梁，等强度悬臂梁的固定端设置在应变传递支撑基座，在所述的等强度悬臂梁的自由端均设有永磁体；在所述的等强度悬臂梁表面设置敏感元件光纤光栅；在所述的等强度悬臂梁的正下方设置半球型外壳，在所述的半球型外壳中设置金属圆珠。

所述的等强度悬臂梁包括第一等强度悬臂梁、第二等强度悬臂梁和第三等强度悬臂梁，所述的敏感元件光纤光栅包括第一敏感元件光纤光栅、第二敏感元件光纤光栅、第三敏感元件光纤光栅；所述的敏感元件光纤光栅包括第一敏感元件光纤光栅、第二敏感元件光纤光栅、第三敏感元件光纤光栅分别置于第一等强度悬臂梁、第二等强度悬臂梁、第三等强度悬臂梁表面。

所述的第一敏感元件光纤光栅、第二敏感元件光纤光栅、第三敏感元件光纤光栅尾纤经过光纤尾纤引出孔引出，所述的光纤尾纤引出孔设置在传感器保护外壳上。

所述的半球型外壳通过两端的外壳固定件固定在传感器保护外壳上。

所述的应变传递支撑基座通过应变传递固定件与传感器保护外壳连接。

所述的应变传递支撑基座为正三棱柱，且其底部具有倾斜内切面。

所述的应变传递固定件为长方体状且具有配合传感器保护外壳固定的内螺纹孔。

所述的半球型外壳材质是具有支撑强度的非金属材料。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型通过在等强度悬臂梁的自由端均设有永磁体；在等强度悬臂梁表面设置敏感元件光纤光栅；在等强度悬臂梁的正下方设置半球型外壳，在半球型外壳中设置金属圆珠，不仅仅可以实现具有自温度补偿功能的倾斜角度测量，且可以实现倾斜方向的辨识。

附图说明

图1为可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器的三维视图；

图2为应变传递支撑元件俯视图；

图3为应变传递支撑元件侧视图；

图4为应变传递元件的主视图；

图5为倾斜感知元件俯视图；

图6为倾斜感知元件侧视图

图7为可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器检测原理初始状态示意图；

图8为可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器象限分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本实用新型做进一步的说明。

如图1-8所示，附图标记如下：应变传递支撑基座1、应变传递固定件2、光纤尾纤引出孔3、永磁体4、第一等强度悬臂梁5、第二等强度悬臂梁6、第三等强度悬臂梁7、第一敏感元件光纤光栅8、第二敏感元件光纤光栅9、第三敏感元件光纤光栅10、半球型外壳11、金属圆珠12、外壳固定件13、传感器保护外壳14、固定螺纹孔15；其中，r₁表示第一等强度悬臂梁5自由端与金属圆珠之间的距离值，r₂表示第二等强度悬臂梁6自由端与金属圆珠之间的距离值，r₃表示第三等强度悬臂梁7自由端与金属圆珠之间的距离值，r₁₁代表r₁在XOY平面的分量，r₂₁代表r₂在XOY平面的分量，r₃₁代表r₃在XOY平面的分量，α代表应变传递支撑基座底部内切面倾斜角。

一种可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器，包括应变传递支撑元件、应变传递元件、倾斜感知元件、传感器保护外壳14及若干固定螺纹孔15。其中，应变传递支撑元件包括应变传递支撑基座1、应变传递固定件2及光纤尾纤引出孔 3组成；应变传递元件均包括永磁体4、等强度悬臂梁、敏感元件光纤光栅；倾斜感知元件包括半球型外壳11、金属圆珠12及两端的外壳固定件13组成。

应变传递支撑基座1为正三棱柱，且其底部具有α角度的倾斜内切面，该内切面用于实现等强度悬臂梁固定端的固定；应变传递固定件2为长方体状，且具有内螺纹孔，用来实现应变传递元件与传感器保护外壳14的连接；光纤尾纤引出孔3除用于实现光纤光栅10尾纤引出实现光信号传输外，还用于实现传感器中线轴线的标示，便于该传感器中心轴线在使用时与地垂线平行，简化传感器初始归零操作。

应变传递元件用来使该传感器具有自温补特性；永磁体4用来构建倾斜感知元件金属圆珠12位置改变与作用于等强度悬臂梁自由端作用力的转换；等强度悬臂梁用来实现其自由端作用力变化与敏感元件光纤光栅中心波长漂移之间的转换；敏感元件光纤光栅中心轴线与等强度悬臂梁轴线重合，用来作为该传感器核心转换元件，反演分析其数据获得被测量倾斜角度；半球型外壳11用来固定金属圆珠12在被测量倾斜角作用下运动轨迹范围的限定。

金属圆珠12用来实现被测量倾斜角度与其空间位置的转换；两端的外壳固定件13用来实现倾斜感知元件与传感器保护外壳14的连接；固定螺纹孔15便于传感器应用与被测件固定；半球型外壳11用于实现该传感器内部元件免于受外界环境的影响，并使其能够在工程中得到应用。

应变传递支撑基座1通过应变传递固定件2与传感器保护外壳14连接；光纤尾纤引出孔3实现第一敏感元件光纤光栅8、第二敏感元件光纤光栅9、第三敏感元件光纤光栅10尾纤的引出；第一等强度悬臂梁5、第二等强度悬臂梁6、第三等强度悬臂梁7与应变传递支撑基座1连接构成其固定端；永磁体4与第一等强度悬臂梁5、第二等强度悬臂梁6、第三等强度悬臂梁7自由端相连；第一敏感元件光纤光栅8、第二敏感元件光纤光栅9、第三敏感元件光纤光栅10分别置于第一等强度悬臂梁5、第二等强度悬臂梁6、第三等强度悬臂梁7表面；半球型外壳11通过外壳固定件13与传感器保护外壳14连接；金属圆珠12置于半球型外壳11内；固定螺纹孔15实现传感器应用过程中的固定。

工作过程：①传感器通过固定螺纹孔15与被测对象或被测场景相连；②当传感器固定后受到被测量倾斜作用后置于半球型外壳11内金属圆珠12与固定于第一等强度悬臂梁5、第二等强度悬臂梁6、第三等强度悬臂梁7自由端的永磁体4 之间的空间距离发生变化，进而导致作用于第一等强度悬臂梁5、第二等强度悬臂梁6、第三等强度悬臂梁7的作用力发生变化；③作用于第一等强度悬臂梁5、第二等强度悬臂梁6、第三等强度悬臂梁7的作用力引起其表面应变发生变化，从而导致第一敏感元件光纤光栅8、第二敏感元件光纤光栅9、第三敏感元件光纤光栅10的中心波长发生漂移；④通过光纤尾纤引出孔3将第一敏感元件光纤光栅8、第二敏感元件光纤光栅9、第三敏感元件光纤光栅10的中心波长发生漂移信息传递到传感器外；⑤反演分析传感器输出第一敏感元件光纤光栅8、第二敏感元件光纤光栅9、第三敏感元件光纤光栅10的中心波长发生漂移信息可得被测量倾斜的大小及倾斜方向。

该传感器具体检测过程基本概述如下：

1)初始状态

以倾斜感知元件金属圆珠初始位置所为原点构建直角坐标系且敏感元件光纤光栅1位于YOZ平面，如图7所示。此时，倾斜感知元件金属圆珠与三个应变传递元件中永磁体之间的距离相同、作用力大小相等、方向不同，即此时作用三个应变传递元件等强度悬臂梁的作用力大小相等。

式中，f₁表示作用于等强度悬臂梁1自由端作用力，f₂表示作用于等强度悬臂梁2自由端作用力，f₃表示作用于等强度悬臂梁3自由端作用力，r₁表示等强度悬臂梁1自由端与金属圆珠之间的距离值，r₂表示等强度悬臂梁2自由端与金属圆珠之间的距离值，r₃表示等强度悬臂梁3自由端与金属圆珠之间的距离值， r₁＝r₂＝r₃，G(x)表示金属圆珠与永磁体之间作用力与其之间距离值之间的函数关系。由电磁基本定律可知，金属圆珠与永磁体之间距离值越小，G(x)的值越大。由于三个应变传递元件中等强度悬臂梁材料及几何参数相同，则等强度悬臂梁表面应变大小相等，其值可表示为：

式中，ε₁表示等强度悬臂梁1的表面应变，ε₂表示等强度悬臂梁2的表面应变，ε₃表示等强度悬臂梁3的表面应变，L为等强度悬臂梁(1,2,3)的长度，E为等强度悬臂梁(1,2,3)材料的弹性模量，h为等强度悬臂梁(1,2,3)厚度，W为等强度悬臂梁(1,2,3)固定端宽度。进而可得敏感元件光纤光栅中心波长的漂移量为：

式中，Δλ₁表示敏感元件光纤光栅1中心波长漂移量，Δλ₂表示敏感元件光纤光栅2中心波长漂移量，Δλ₃表示敏感元件光纤光栅3中心波长漂移量，ΔT为传感器所处测量环境温度的变化，K_ε为光栅应变的灵敏度，ξ为光纤光栅热光系数，α为光纤的热膨胀系数。联立方程(1)、(2)、(3)可得：

由于三个敏感元件光纤光栅所处传感器所测量环境相同即ΔT相同，且等强度悬臂梁(1,2,3)自由端与金属圆珠之间的距离值r₁＝r₂＝r₃＝r相等，分析式(4)可得，一旦该可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器材料及几何参数确定后，r₁数值将变为已知量，进而可得解调敏感元件光纤光栅信号Δλ₁＝Δλ₂＝Δλ₃与ΔT之间的关系函数。此时，由式(4)及敏感元件光纤光栅信号Δλ₁＝Δλ₂＝Δλ₃可得传感器所处测量环境温度的变化值。综上所述传感器所处测量环境温度的变化ΔT不会影响该传感器的测量结果，且传感器如果保持初始状态不变情况下通过反演分析敏感元件光纤光栅信号Δλ₁＝Δλ₂＝Δλ₃可获得传感器所处测量环境温度的变化值。

2)倾斜方向识别检测

将XOY分成四个象限，如图8所示。当该可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器受到外界被测量倾斜作用下，倾斜感知元件金属圆珠的空间位置改变。

当被测量倾斜角在XOY平面的分量在第一象限时，r₁增加，r₂、r₃减小。由G(x)函数特性可得相对于初始状态等强度悬臂梁1作用力减小，等强度悬臂梁 2、3作用力增加，进而Δλ₁减小，Δλ₂、Δλ₃增加。

当被测量倾斜角在XOY平面的分量在第二象限时，r₂增加，r₁、r₃减小。由G(x)函数特性可得相对于初始状态等强度悬臂梁2作用力减小，等强度悬臂梁 1、3作用力增加，进而Δλ₂减小，Δλ₁、Δλ₃增加。

当被测量倾斜角在XOY平面的分量在第三象限时，r₁、r₃增加，r₂减小。由G(x)函数特性可得相对于初始状态等强度悬臂梁1、3作用力减小，等强度悬臂梁2作用力增加，进而Δλ₁、Δλ₃减小，Δλ₂增加。

当被测量倾斜角在XOY平面的分量在第四象限时，r₂增加，r₁、r₃减小。由G(x)函数特性可得相对于初始状态等强度悬臂梁2作用力减小，等强度悬臂梁 1、3作用力增加，进而Δλ₂减小，Δλ₁、Δλ₃增加。

综上分析可得，Δλ₁、Δλ₂、Δλ₃相对于初始状态时其数值增加减小趋势与倾斜角度在XOY平面的分布象限呈现一一对应的关系。因此，根据Δλ₁、Δλ₂、Δλ₃相对于初始状态时其数值增加减小趋势可以获得被测量倾斜角度在XOY平面的分布象限，进而获得倾斜在XOY平面的倾斜方向。总之，该自温补光纤光栅测斜传感器具有可以辨别倾斜方向的特性。

3)倾斜检测

由于倾斜感知元件金属圆珠受其半球型外壳束缚，当外界被测量倾斜角度为β，此时其在XOY平面分量相对于OX正向方向逆时针方向的夹角为θ，此时金属圆珠在直角坐标系的坐标值(x_金,y_金,z_金)为：

(x_金,y_金,z_金)＝(Rsinβcosθ,Rsinβsinθ,R-Rcosβ) (5)

式中，R代表倾斜感知元件半球型外壳的半径值。进而可得金属圆珠与等强度悬臂梁1、2、3之间的距离值r₁、r₂、r₃可表示为：

将式(6)带入式(4)可得：

通过对该可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器输出信号解调分析获得敏感元件光纤光栅1、2、3中心波长的漂移Δλ₁、Δλ₂、Δλ₃并将其带入式(7)求解可得倾斜角度β、XOY平面夹角θ及所测量环境温度变化量ΔT。

总结上述分析可得：该可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器可以实现传感器所处环境温度变化量ΔT、被测量倾斜角度β及其在XOY平面分量相对于OX 正向方向逆时针方向的夹角θ的测量。进而，该传感器所处环境温度变化量ΔT 对其测量结果不存在影响即该传感器具有温度自补偿的特性。

总之，该可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器不仅可以实现可辨方向的倾斜角度测量，且具有自温补的特性。

Claims (7)

1.一种可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器，其特征在于：包括应变传递支撑基座(1)和等强度悬臂梁，等强度悬臂梁的固定端设置在应变传递支撑基座(1)，在所述的等强度悬臂梁的自由端均设有永磁体(4)；在所述的等强度悬臂梁表面设置敏感元件光纤光栅；在所述的等强度悬臂梁的正下方设置半球型外壳(11)，在所述的半球型外壳(11)中设置金属圆珠(12)。

2.根据权利要求1所述的一种可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器，其特征在于：所述的等强度悬臂梁包括第一等强度悬臂梁(5)、第二等强度悬臂梁(6)和第三等强度悬臂梁(7)，所述的敏感元件光纤光栅包括第一敏感元件光纤光栅(8)、第二敏感元件光纤光栅(9)、第三敏感元件光纤光栅(10)；所述的第一敏感元件光纤光栅(8)、第二敏感元件光纤光栅(9)、第三敏感元件光纤光栅(10)分别置于第一等强度悬臂梁(5)、第二等强度悬臂梁(6)、第三等强度悬臂梁(7)的表面。

3.根据权利要求2所述的一种可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器，其特征在于：所述的第一敏感元件光纤光栅(8)、第二敏感元件光纤光栅(9)、第三敏感元件光纤光栅(10)尾纤经过光纤尾纤引出孔(3)引出，所述的光纤尾纤引出孔(3)设置在传感器保护外壳(14)上。

4.根据权利要求1所述的一种可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器，其特征在于：所述的半球型外壳(11)通过两端的外壳固定件(13)固定在传感器保护外壳(14)上。

5.根据权利要求1所述的一种可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器，其特征在于：所述的应变传递支撑基座(1)通过应变传递固定件(2)与传感器保护外壳(14)连接。

6.根据权利要求5所述的一种可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器，其特征在于：所述的应变传递支撑基座(1)为正三棱柱，且其底部具有倾斜内切面。

7.根据权利要求5所述的一种可辨方向的自温补光纤光栅测斜传感器，其特征在于：所述的应变传递固定件(2)为长方体状且具有配合传感器保护外壳(14)固定的内螺纹孔。