CN217738259U - 一种新型光纤光栅倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤光栅传感器技术领域，且公开了一种新型光纤光栅倾角传感器，包括壳体，还包括弹片，弹片设置于壳体内。该新型光纤光栅倾角传感器，通过配重块的重力带动弹片沿其薄壁厚度方向偏转，光纤光栅感应弹片的偏转应力并实现不同光纤光栅波长的传输，进而对倾角传感器的偏转角度进行测量，同时通过温度补偿器对光纤光栅的温度进行补偿，并通过壳体与端盖之间为真空环境，进一步避免外界环境温度对光纤光栅造成影响而导致该倾角传感器测量精度低等情况发生，最后通过导向部对配重块的左右方向偏转进行限位及导向，避免配重块由于外力作用导致弹片发生非弹性形变而损坏的情况发生，达到简单方便高精度测量及防护的效果。

Description

一种新型光纤光栅倾角传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤光栅传感器技术领域，具体为一种新型光纤光栅倾角传感器。

背景技术

倾角是各大领域需要监测的最为重要、基础的物理量之一，对于各种工程的完成，起着至关重要的作用，随着生产和科学的不断发展，倾角测量越来越广泛的应用于工业科研、水利工程及建筑业等领域，对许多大型机械设备或者建筑设施的安全状态以及监测维护起着极为重要的作用。

传统的倾角测量装置中采用的倾角传感器大多数是以电磁效应、电容效应等为基本原理，将倾斜角度转换成电信号来实现的，虽说在测量时可达到较高的精度与分辨率，但这种弱电式传感器存在抗电磁干扰性能差、受温度影响较大、在恶劣环境下长期使用易损坏或发生零点漂移，测量距离近等缺陷，且在连续性、实时性和测量灵敏度等方面也越来越难以满足现今的监测要求，这无疑给基础工程测量带来了极大的不便。光纤布拉格光栅具有测量灵敏度高、防水性能强、抗电磁干扰、信号传输距离远和耐腐蚀的优点，可远程对建筑物的结构进行长期的健康监测，并易构成传感网络，为实现自然灾害监测与预测提供了可行的途径，但传统的光纤光栅倾角传感器在地铁隧道、水坝这种恶劣环境下工作时，传感器的传感元件容易发生氧化或非弹性变形，从而导致测量精度低等情况发生，故而提出了一种新型的光纤光栅倾角传感器来解决上述技术问题。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种新型光纤光栅倾角传感器，具备测量精度高和防护性能好等优点，解决了传统的光纤光栅倾角传感器在地铁隧道、水坝这种恶劣环境下工作时，传感器的传感元件容易发生氧化或非弹性变形，从而导致测量精度低的问题。

(二)技术方案

为实现上述测量精度高和防护性能好的目的，本实用新型提供如下技术方案：一种新型光纤光栅倾角传感器，包括壳体，还包括弹片，弹片设置于壳体内，弹片的下端设置有配重块，壳体内且位于弹片的侧方设置有温度补偿器，壳体的顶部设置有光纤光栅，光纤光栅贯穿至壳体内依次与弹片和温度补偿器贴合设置并延伸至壳体外，温度补偿器用于对光纤光栅进行固定并提供温度补偿，壳体上可拆卸式设置有用于抽真空的端盖，端盖上且位于配重块的两侧对称设置有导向部。

优选的，弹片为前后、左右均对称的工字型弹性玻璃制件，且弹片位于原位时其对称中心轴与铅垂线重合。

优选的，配重块为锥形体，配重块远离弹片的一端为尖端，且配重块位于原位时其中心轴与弹片的对称中心轴重合。

优选的，导向部包括第一限位段和第二限位段，第一限位段可拆卸设置于端盖上，第二限位段设置于第一限位段上并与壳体相抵持，且配重块偏转运动中其锥面与第一限位段或第二限位段的外壁相切。

优选的，第一限位段和第二限位段均为圆柱体，且第一限位段和第二限位段与配重块偏转方向之间的夹角互补，第一限位段与配重块偏转方向之间的夹角等于配重块母线最大夹角的二分之一。

优选的，第一限位段包括插接部和限位凹槽，插接部的一端通过螺钉与端盖连接，另一端与第二限位段固定连接，插接部上开设有与端盖卡接的限位凹槽。

优选的，还包括调节杆，调节杆用于限定配重块的偏转幅度，壳体和端盖上且位于配重块前侧和后侧均设置上有调节杆。

优选的，还包括旋转组件，旋转组件的活动端与壳体固定连接，且壳体的重心相对于旋转组件的旋转轴心线偏心设置，旋转组件的固定端用于与待测物固定连接，旋转组件位于原位时其旋转轴心线与铅垂线重合。

优选的，旋转组件包括基座、轴承和旋转件，旋转件的一端设置于壳体上，轴承设置于旋转件上并与旋转件的旋转轴心线重合，基座设置于轴承上并用于与待测物固定连接。

优选的，壳体和端盖均为金属制件，且壳体和端盖的外壁均设置有玻璃粉涂层，壳体与端盖之间设置有密封圈。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供了一种新型光纤光栅倾角传感器，具备以下有益效果：

1、该新型光纤光栅倾角传感器，通过配重块的重力带动弹片沿其薄壁厚度方向偏转，光纤光栅感应弹片的偏转应力并实现不同光纤光栅波长的传输，进而对倾角传感器的偏转角度进行测量，同时通过温度补偿器对光纤光栅的温度进行补偿，并通过壳体与端盖之间为真空环境，进一步避免外界环境温度对光纤光栅造成影响而导致该倾角传感器测量精度低等情况发生，最后通过导向部对配重块的左右方向偏转进行限位及导向，避免配重块由于急剧外力作用导致弹片发生非薄壁厚度方向上的非弹性形变偏转而造成损坏影响该倾角传感器测量精度的情况发生，达到简单方便高精度测量及防护的效果；

2、该新型光纤光栅倾角传感器，通过弹片采用对称件且其原位时对称中心轴与铅垂线重合，从而避免弹片在弹性形变时产生非薄壁厚度方向偏转而影响该倾角传感器测量精度情况发生，再通过配重块采用锥形体且其原位时与弹片的对称中心轴重合，进而避免配重块偏转过程中重心不稳导致测量周期长或者弹片处于原位状态时受到非铅垂线方向上的作用力而导致其形变情况发生，最后通过导向部上第一限位段或第二限位段的外壁对配重块偏转运动过程中锥面相切，进一步避免配重块带动弹片左右偏转过程中发生非弹性形变的情况发生，同时由于配重块为锥形体，从而使得配重块在偏转过程中第一限位段和第二限位段对配重块偏转方向的垂直方向进行限位及支撑，进而避免配重块在外力急剧作用下带动弹片拉伸或非弹性形变而影响该倾角传感器测量精度等情况发生。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种新型光纤光栅倾角传感器的结构爆炸图；

图2为本实用新型提出的一种新型光纤光栅倾角传感器的结构立体图；

图3为本实用新型提出的一种新型光纤光栅倾角传感器的结构俯视图；

图4为图3中A-A处剖面图；

图5为图3中B-B处剖面图；

图6为图1中A处放大图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-6，一种新型光纤光栅倾角传感器，包括壳体1，还包括弹片2，弹片2通过螺钉固定安装于壳体1内，弹片2的下端通过螺栓固定安装有配重块3，壳体1内且位于弹片2的侧方固定安装有温度补偿器4，温度补偿器4通过螺钉与壳体1可拆卸式固定连接，壳体1的顶部固定安装有延伸至壳体1内并依次与弹片2和温度补偿器4贴合并固定且其末端延伸壳体1外的光纤光栅5，温度补偿器4用于对光纤光栅5进行固定并提供温度补偿，壳体1的正面通过螺钉固定安装有用于抽真空的端盖6，端盖6上开设有抽气孔，端盖6上且位于配重块3的两侧对称设置有导向部7；当该倾角传感器处于倾斜状态时，通过配重块3的重力自适应带动弹片2弹性形变，弹片2上的光纤光栅5感应弹片2的应变并实现不同光纤光栅波长的传输，进而对倾角传感器的偏转角度进行测量，同时通过温度补偿器4对光纤光栅5的温度进行补偿，并通过壳体1与端盖6之间为真空环境，进一步避免外界环境温度对光纤光栅5造成影响而导致该倾角传感器测量精度低等情况发生，最后通过导向部7对配重块3的左右方向偏转进行限位及导向，避免配重块3由于急剧外力作用导致弹片2发生非薄壁厚度方向上的非弹性形变偏转而造成损坏影响该倾角传感器测量精度的情况发生，达到简单方便高精度测量及防护的效果。

优选的，通过弹片2采用前后、左右均对称的工字型弹性玻璃制件，从而使得弹片2弹性形变过程中其左右受力一致，避免其在配重块3的作用力下发生非薄壁厚度方向上的偏转或扭转而造成该倾角传感器测量精度低等情况发生，且弹片2位于原位时其对称中心线与铅垂线重合，进一步避免弹片2处于原位状态时受到非铅垂线方向上的作用力而导致其形变或影响该倾角传感器测量精度情况发生。

优选的，通过配重块3为锥形体且配重块3远离弹片2的一端为尖端，从而使得配重块3在偏转过程中便于快速复位或定位，避免配重块3偏转过程中重心不稳导致测量周期长等情况发生，并通过配重块3位于原位时其中心轴与弹片2的对称中心轴重合，进一步避免配重块3处于原位时对弹片2造成非铅垂线方向上的作用力而导致其形变或影响该倾角传感器测量精度情况发生。

优选的，导向部7包括第一限位段71和第二限位段72，第一限位段71可拆卸设置于端盖6上，第二限位段72设置于第一限位段71上并与壳体1相抵持，且配重块3偏转运动中其锥面与第一限位段71或第二限位段72的外壁相切；通过导向部7上的第一限位段71和第二限位段72对配重块3的左右偏转方向进行限位，从而避免配重块3带动弹片2偏转过程中发生非弹性形变而造成损坏影响测量精度的情况发生，同时由于配重块3为锥形体，从而使得配重块3在偏转过程中第一限位段71和第二限位段72对配重块3偏转方向的垂直方向进行限位及支撑，进而避免配重块3在外力急剧作用下带动弹片2拉伸或非弹性形变而影响该倾角传感器测量精度等情况发生。

优选的，第一限位段71和第二限位段72均为圆柱体，且第一限位段71和第二限位段72与配重块3偏转方向之间的夹角互补，第一限位段71与配重块3偏转方向之间的夹角等于配重块3母线最大夹角的二分之一；通过第一限位段71和第二限位段72均采用圆柱体，从而使得配重块3与第一限位段71或第二限位段72之间的接触部位均为点接触，避免第一限位段71或第二限位段72对配重块3的偏转阻力过大而影响该倾角传感器测量精度等情况发生，通过第一限位段71和第二限位段72与配重块3偏转方向之间的夹角互补，且重块3偏转方向之间的夹角等于配重块3母线最大夹角的二分之一，即第一限位段71和第二限位段72分别在配重块3的前侧和后侧呈对称设置，进而使得配重块3在偏转过程中始终与第一限位段71或第二限位段72的外壁柱面相切。

上述技术方案通过第一限位段71和第二限位段72均采用圆柱体，从而使得配重块3与第一限位段71或第二限位段72之间的接触部位均为点接触，亦可通过将第一限位段71和第二限位段72均采用弧形杆，只要保证配重块3偏转运动中其锥面与第一限位段71或第二限位段72的外壁相切且点接触即可。

优选的，第一限位段71包括插接部711和限位凹槽712，插接部711的一端通过螺钉与端盖6固定连接，另一端与第二限位段72固定连接，插接部711上开设有与端盖6卡接的限位凹槽712；通过插接部711上的限位凹槽712与端盖6进行初步卡接并限制插接部711与端盖6相对转动，再通过螺钉对端盖6于插接部711进行固定，避免第一限位段71与端盖6在安装过程中导致角度存在安装角度误差而阻碍配重块3正常偏转影响该倾角传感器测量精度等情况发生。

优选的，还包括调节杆8，调节杆8同于限定配重块3的偏转幅度，壳体1的背面和端盖6的正面且位于配重块3的正前方和正后方分别活动安装有调节杆8，壳体1和端盖6上均开设有与调节杆8相适配的安装孔；通过调节壳体1背面和端盖6背面的调节杆8，从而改变配重块3的偏转幅度，避免配重块3的偏转幅度过大而导致弹片2发生非弹性形变或损坏影响该倾角传感器测量精度等情况发生，当该倾角传感器在运输状态时，通过调节调节杆8并使得调节杆8对配重块3进行限位抵持，进一步避免该倾角传感器在运输过程中发生颠簸而导致配重块3带动弹片2急剧非弹性形变而损坏影响该倾角传感器测量精度及使用寿命等情况发生。

优选的，还包括旋转组件9，旋转组件9的活动端与壳体1的背面固定连接，且壳体1的重心相对于旋转组件9的旋转轴心线偏心设置，旋转组件9的固定端用于与待测物固定连接，旋转组件9位于原位时其旋转轴心线与铅垂线重合；通过壳体1的重心相对于旋转组件9的旋转轴心线偏心设置，从而使得该倾角传感器处于倾斜状态时，旋转组件9在壳体1的重力作用下自适应带动壳体1相对于待测物进行旋转，进而使得配重块3的重力对弹片2的作用力始终与其薄壁厚度方向垂直，避免配重块3对弹片2产生非薄壁厚度方向上的非弹性形变偏转而造成损坏影响该倾角传感器测量精度的情况发生，进一步提高了该倾角传感器测量精度及适用范围。

优选的，旋转组件9包括基座91、轴承92和旋转件93，旋转件93的一端固定安装于壳体1的背面上，轴承92的外环固定安装于旋转件93上并与旋转件93的旋转轴心线重合，基座91固定安装于轴承92的内环上并用于与待测物固定连接；通过轴承92配合基座91与旋转件93分别与待测物和壳体1进行连接，避免旋转组件9在重力作用下的偏转阻力过大而影响该倾角传感器测量精度的情况发生。

优选的，壳体1和端盖6均为金属制件，且壳体1和端盖6的外壁均设置有玻璃粉涂层，壳体1与端盖6之间设置有密封圈10，通过玻璃粉涂层对壳体1和端盖6的外壁进行防护，避免空气中的水分或杂质对该倾角传感器造成氧化或腐蚀的情况发生，再通过壳体1与端盖6之间的密封圈10对壳体1与端盖6之间的缝隙进行填充，避免空气中水分或温度进入壳体1内部而影响该倾角传感器测量精度的情况发生。

在使用时，通过将基座91固定在待测物上，初始状态时，即旋转件93、弹片2、配重块3处于竖直状态，弹片2无形变；当待测物发生倾斜时，壳体1在重力作用下带动旋转件93跟随待测物一同倾斜，且配重块3在重力作用下带动弹片2发生形变，由于光纤光栅5感知其表面应变力并实现不同光纤光栅波长的传输，所以将光纤光栅波长漂移量的差值作为传感器的输出信号，经过标定实验，测得倾斜角度与输出信号之间的函数关系，再次进行倾角测量时，可根据此函数关系得到被测对象的倾角变化，进而对待测物的偏转角度进行精准测量，同时通过温度补偿器4对其表面的光纤光栅5进行温度补偿，并通过壳体1与端盖6之间为真空环境，进一步避免外界环境温度对光纤光栅5造成影响而导致该倾角传感器测量精度低等情况发生，最后通过导向部7上第一限位段71或第二限位段72的对配重块3的左右方向偏转进行限位及导向，避免配重块3由于急剧外力作用导致弹片2发生非薄壁厚度方向上的非弹性形变偏转而造成损坏影响该倾角传感器测量精度的情况发生，达到简单方便高精度测量及防护的效果。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种新型光纤光栅倾角传感器，包括壳体(1)，其特征在于：还包括弹片(2)，弹片(2)设置于壳体(1)内，弹片(2)的下端设置有配重块(3)，壳体(1)内且位于弹片(2)的侧方设置有温度补偿器(4)，壳体(1)的顶部设置有光纤光栅(5)，光纤光栅(5)贯穿至壳体(1)内依次与弹片(2)和温度补偿器(4)贴合设置并延伸至壳体(1)外，温度补偿器(4)用于对光纤光栅(5)进行固定并提供温度补偿，壳体(1)上可拆卸式设置有用于抽真空的端盖(6)，端盖(6)上且位于配重块(3)的两侧对称设置有导向部(7)。

2.根据权利要求1所述的一种新型光纤光栅倾角传感器，其特征在于：弹片(2)为前后、左右均对称的工字型弹性玻璃制件，且弹片(2)位于原位时其对称中心轴与铅垂线重合。

3.根据权利要求2所述的一种新型光纤光栅倾角传感器，其特征在于：配重块(3)为锥形体，配重块(3)远离弹片(2)的一端为尖端，且配重块(3)位于原位时其中心轴与弹片(2)的对称中心轴重合。

4.根据权利要求3所述的一种新型光纤光栅倾角传感器，其特征在于：导向部(7)包括第一限位段(71)和第二限位段(72)，第一限位段(71)可拆卸设置于端盖(6)上，第二限位段(72)设置于第一限位段(71)上并与壳体(1)相抵持，且配重块(3)偏转运动中其锥面与第一限位段(71)或第二限位段(72)的外壁相切。

5.根据权利要求4所述的一种新型光纤光栅倾角传感器，其特征在于：第一限位段(71)和第二限位段(72)均为圆柱体，且第一限位段(71)和第二限位段(72)与配重块(3)偏转方向之间的夹角互补，第一限位段(71)与配重块(3)偏转方向之间的夹角等于配重块(3)母线最大夹角的二分之一。

6.根据权利要求5所述的一种新型光纤光栅倾角传感器，其特征在于：第一限位段(71)包括插接部(711)和限位凹槽(712)，插接部(711)的一端通过螺钉与端盖(6)连接，另一端与第二限位段(72)固定连接，插接部(711)上开设有与端盖(6)卡接的限位凹槽(712)。

7.根据权利要求1所述的一种新型光纤光栅倾角传感器，其特征在于：还包括调节杆(8)，调节杆(8)用于限定配重块(3)的偏转幅度，壳体(1)和端盖(6)上且位于配重块(3)前侧和后侧均设置上有调节杆(8)。

8.根据权利要求1所述的一种新型光纤光栅倾角传感器，其特征在于：还包括旋转组件(9)，旋转组件(9)的活动端与壳体(1)固定连接，且壳体(1)的重心相对于旋转组件(9)的旋转轴心线偏心设置，旋转组件(9)的固定端用于与待测物固定连接，旋转组件(9)位于原位时其旋转轴心线与铅垂线重合。

9.根据权利要求8所述的一种新型光纤光栅倾角传感器，其特征在于：旋转组件(9)包括基座(91)、轴承(92)和旋转件(93)，旋转件(93)的一端设置于壳体(1)上，轴承(92)设置于旋转件(93)上并与旋转件(93)的旋转轴心线重合，基座(91)设置于轴承(92)上并用于与待测物固定连接。

10.根据权利要求1所述的一种新型光纤光栅倾角传感器，其特征在于：壳体(1)和端盖(6)均为金属制件，且壳体(1)和端盖(6)的外壁均设置有玻璃粉涂层，壳体(1)与端盖(6)之间设置有密封圈(10)。

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