CN218380884U - 一种平动式光纤光栅倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种平动式光纤光栅倾角传感器，包括安装座、两个传动连杆、质量块、第一固定部和第一光纤光栅。本实用新型通过安装座将整个传感器安装至待测物体上，当待测物体倾斜时，质量块会相对于安装座发生偏移，进而带动第一光纤光栅发生形变，使得第一光纤光栅中的信号发生波长漂移，这样通过第一光纤光栅中信号的变化情况便可以知晓待测物体的倾斜程度。相比于现有技术，本实用新型中通过两个传动连杆构成平行四边形连杆机构，使得光纤安装部发生的运动主要为沿安装座延伸方向的位移，这就保证第一光纤光栅主要发生的形变为沿自身延伸方向的伸缩形变，而弯曲形变较为微小可忽略，进而保证了其疲劳强度不会折损，延长使用寿命。

Description

一种平动式光纤光栅倾角传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种平动式光纤光栅倾角传感器。

背景技术

倾角传感器是测量倾角的重要工具，在隧道工程、桥梁工程、航空航天等领域得到了广泛的应用，通过对结构的倾斜进行监测，能够直观的反映结构的变形情况、有效预知结构的破坏趋势、判断结构的有效性。传统的倾角传感器多为电类传感器，具有较高的测量精度和分辨率，但易受电磁干扰、传输距离有限的缺点使得其存在恶劣环境下的适用性问题。

光纤光栅倾角传感器便是其中一种，其具有抗电磁干扰，稳定性强，易于组网等优点，在结构健康监测领域得到了广泛应用。目前光纤光栅倾角传感器的类型主要包括铰链式、悬臂梁式、摆锤式等。铰链式光纤光栅倾角传感器具有灵敏度高、稳定性好、空间尺寸小等优点。

目前铰链式光纤光栅倾角传感器多使用质量块惯性力带动柔性铰链旋转的方式使光纤光栅变形，但是，质量块的旋转会使光纤光栅发生较大程度的弯曲变形，特别是在光纤光栅的固定点处，其会同时受到拉伸应力和剪切应力，导致光纤光栅的疲劳强度降低，缩短整个传感器的使用寿命。

实用新型内容

有鉴于此，有必要提供一种平动式光纤光栅倾角传感器，用以解决如何减少光纤光栅变形程度的问题。

为达到上述技术目的，本实用新型采取了以下技术方案：

第一方面，本实用新型提供了一种平动式光纤光栅倾角传感器，包括：

安装座；

两个传动连杆，所述传动连杆的一端转动连接于所述安装座；

质量块，包括配重块体和光纤安装部，所述配重块体连接于所述光纤安装部，所述光纤安装部的两端分别转动连接于两个所述传动连杆的另一端，所述光纤安装部、两个所述传动连杆及所述安装座共同组成平行四边形连杆机构；

第一固定部，连接于所述安装座；

第一光纤光栅，所述第一光纤光栅的两端分别连接于所述光纤安装部的一端和所述第一固定部，所述第一光纤光栅的延伸方向和所述光纤安装部两端之间的延伸方向相同。

进一步的，所述配重块体位于两个所述传动连杆之间，所述配重块体朝向所述安装座方向延伸。

进一步的，所述质量块还包括两个连接部，两个所述连接部分别连接于所述光纤安装部的两端，两个所述连接部还分别转动连接于两个所述传动连杆的另一端，所述连接部和所述第一光纤光栅间隔设置。

进一步的，所述第一固定部为柱状结构，所述第一固定部的一端连接于所述安装座，所述第一固定部的另一端向背离所述安装座的方向延伸，所述第一固定部位于一个所述传动连杆沿所述安装座延伸方向上背离另一个所述传动连杆的一侧，所述第一固定部的另一端连接所述第一光纤光栅。

进一步的，还包括第二固定部和第二光纤光栅，所述第二固定部为柱状结构，所述第二固定部的一端连接于所述安装座，所述第二固定部的另一端向背离所述安装座的方向延伸，所述第二固定部和所述第一固定部分别位于两个所述传动连杆沿所述安装座延伸方向上的两侧，所述第二光纤光栅的两端分别连接于所述光纤安装部的另一端和所述第二固定部，所述第二光纤光栅的延伸方向和所述光纤安装部的延伸方向相同。

进一步的，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅串接。

进一步的，所述第一光纤光栅的两端分别通过环氧树脂胶连接于所述光纤安装部和所述第一固定部，所述第二光纤光栅的两端分别通过环氧树脂胶连接于所述光纤安装部和所述第二固定部。

进一步的，所述传动连杆的两端均通过柔性铰链连接所述安装座及所述光纤安装部。

进一步的，所述安装座上开设有螺纹孔。

进一步的，所述安装座背离所述传动连杆的一侧涂覆有结构胶。

本实用新型提供的一种平动式光纤光栅倾角传感器，其通过安装座将整个传感器安装至待测物体上，第一光纤光栅的一端固定于第一固定部上，另一端则固定于质量块中的光纤安装部上，当待测物体倾斜时，质量块会相对于安装座发生偏移，进而带动第一光纤光栅发生形变，使得第一光纤光栅中的信号发生波长漂移，这样通过第一光纤光栅中信号的变化情况便可以知晓待测物体的倾斜程度。相比于现有技术，因本实用新型中光纤安装部和安装座之间，通过两个传动连杆构成平行四边形连杆机构，加之整个传感器本身就较为微小，使得光纤安装部发生的运动主要为沿安装座延伸方向的位移，这就保证第一光纤光栅主要发生的形变为沿自身延伸方向的伸缩形变，而弯曲形变较为微小可忽略，进而保证了其疲劳强度不会折损，延长使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型提供的平动式光纤光栅倾角传感器一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型提供的平动式光纤光栅倾角传感器一实施例的计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本实用新型的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本实用新型通过两个传动连杆、质量块和安装座组成平行四边形连杆机构，将质量块的主要运动限制为沿安装座的平动，进而使得第一光纤光栅的大部分形变为伸缩形变，其弯曲形变较为微小，保证自身的强度及使用寿命。

结合图1所示，本实用新型提供了一种平动式光纤光栅倾角传感器，该传感器包括安装座1、两个传动连杆2、质量块3、第一固定部4和第一光纤光栅5。其中安装座1用于将整个平动式光纤光栅倾角传感器安装于待测物体上，两个所述传动连杆2的一端均转动连接于所述安装座1。

质量块3则包括配重块体31和光纤安装部32，所述配重块体31连接于所述光纤安装部32，所述光纤安装部32和所述安装座1沿相平行的方向延伸，所述光纤安装部32的两端分别转动连接于两个所述传动连杆2的另一端，所述光纤安装部32、两个所述传动连杆2及所述安装座1共同组成平行四边形连杆机构。

第一固定部4连接于所述安装座1，第一光纤光栅5的两端分别连接于所述光纤安装部32的一端和所述第一固定部4，所述第一光纤光栅5的延伸方向和所述光纤安装部32两端之间的延伸方向相同。

本实用新型提供的一种平动式光纤光栅倾角传感器，其通过安装座1将整个传感器安装至待测物体上，第一光纤光栅5的一端固定于第一固定部4上，另一端则固定于质量块3中的光纤安装部32上，当待测物体倾斜时，质量块3会相对于安装座1发生偏移，进而带动第一光纤光栅5发生形变，使得第一光纤光栅5中的信号发生波长漂移，这样通过第一光纤光栅5中信号的变化情况便可以知晓待测物体的倾斜程度。

相比于现有技术，因本实用新型中光纤安装部32和安装座1之间，通过两个传动连杆2构成平行四边形连杆机构，加之整个传感器本身就较为微小，使得光纤安装部32发生的运动主要为沿安装座1延伸方向的位移，这就保证第一光纤光栅5主要发生的形变为沿自身延伸方向的伸缩形变，而弯曲形变较为微小可忽略，进而保证了其疲劳强度不会折损，延长使用寿命。

作为优选的实施例，本实施例中的安装座1呈条状并沿一个方向延伸，其一个侧面用于连接传动连接杆的其他结构。安装座1延伸方向上的两端开设有螺纹孔6，即其通过螺纹孔6连接于待测物体上。

可以理解的是，实际中也可以根据具体需求，选用其他的方式将安装座1连接于待测物体，例如，可以在所述安装座1背离所述传动连杆2的一侧涂覆结构胶，以粘贴在待测结构上，也可以通过焊接等现有方式将其直接焊接与待测物体。

在一个优选的实施例中，所述传动连杆2的两端均通过柔性铰链7连接所述安装座1及所述光纤安装部32。柔性铰链7是一种结构简单、形状较为规则的弹性支承，具有和几何中心轴重合的回转中心，依靠在圆周径向均布的弹性薄片的有限变形进行工作。在扭转载荷下，绕其回转中心在有限角度范围内产生回转运动。与传统的支承比，其具有无空回、无摩擦、无间隙、无噪声、无磨损、空间尺寸小、运动灵敏度高、容易控制、运行稳定等许多优点，是精密机械、精密测量仪表、微纳米器件中的首选元件。

容易理解的是，实际中根据具体情况的不同，传动连杆2的两端也可以采用其他现有的方式实现转动连接。

作为优选的实施例，本实施例中的质量块3中，所述配重块体31位于两个所述传动连杆2之间，所述配重块体31朝向所述安装座1方向延伸。这样可以使得配重块体31能够具备更多的重量。此外，本实施例中的配重块体31和两个传动连杆2之间间隔设置，在不会影响其正常转动的同时，也能够起到限制传动连杆2最大转动角度的作用。

本实施例中的光纤安装部32位于质量块3体背离安装座1的一侧，即可以视为质量块3体的一个侧面，用于固定第一光纤光栅5，光纤安装部32的延伸方向和安装座1的延伸方向平行。

进一步的，作为优选的实施例，本实施例中的所述质量块3还包括两个连接部33，两个所述连接部33分别连接于所述光纤安装部32的两端，两个所述连接部33还分别转动连接于两个所述传动连杆2的另一端，所述连接部33和所述第一光纤光栅5间隔设置。连接部33使得光纤安装部32与传动连杆2之间的连接更加方便，同时能够使质量块3与传动连杆2之间的间隔设置更容易实现。

作为优选的实施例，本实施例中的所述第一固定部4为柱状结构，所述第一固定部4的一端连接于所述安装座1，所述第一固定部4的另一端向背离所述安装座1的方向延伸，所述第一固定部4位于一个所述传动连杆2沿所述安装座1延伸方向上背离另一个所述传动连杆2的一侧，所述第一固定部4的另一端连接所述第一光纤光栅5。

第一固定部4的形状保证了第一光纤光栅5的延伸方向能够与光纤安装部32一致，同时也可以保护住传动连杆2及内侧的其他结构。

进一步的，作为优选的实施例，本实施例中的平动式光纤光栅倾角传感器还包括第二固定部8和第二光纤光栅9，所述第二固定部8为柱状结构，所述第二固定部8的一端连接于所述安装座1，所述第二固定部8的另一端向背离所述安装座1的方向延伸，所述第二固定部8和所述第一固定部4分别位于两个所述传动连杆2沿所述安装座1延伸方向上的两侧，所述第二光纤光栅9的两端分别连接于所述光纤安装部32的另一端和所述第二固定部8，所述第二光纤光栅9的延伸方向和所述光纤安装部32的延伸方向相同。

此外，作为优选的实施例，本实施例中的所述第一光纤光栅5和所述第二光纤光栅9串接。

第二固定部8与第二光纤光栅9本身的作用与前文中第一固定部4及第一光纤光栅5的作用相同，此处不再做过多说明。但是，第一光纤光栅5能够和第二光纤光栅9配合，即当质量块3偏移使，第一光纤光栅5和第二光纤光栅9分别伸长或缩短，二者共同所用使本平动式光纤光栅倾角传感器更加灵敏，具备更高的精度。

作为优选的实施例，本实施例中的所述第一光纤光栅5的两端分别通过环氧树脂胶连接于所述光纤安装部32和所述第一固定部4，所述第二光纤光栅9的两端也分别通过环氧树脂胶连接于所述光纤安装部32和所述第二固定部8。实际中也可以使用其他方式完成第一光纤光栅5及第二光纤光栅9的固定。

第一光纤光栅5及第二光纤光栅9在固定前均需要进行预拉伸，以确保二者均可以准确感知负应变。

需要说明的是，上述各个结构中，除两个光纤光栅外，其他各部分可以为金属材料一体成型，其加工方式优选为线切割加工技术，也可以分别制造然后组装至一起。

本平动式光纤光栅倾角传感器的具体测量原理为：当被测物体发生倾斜等动作时，质量块3受惯性力作用，使得两个传动连杆2的两端，即四个柔性铰链7均发生转动，带动所述光纤安装部32、两个所述传动连杆2及所述安装座1共同组成的平行四边形连杆机构发生歪斜，使得光纤安装部32相对于安装座1发生大幅度的平动，小幅度的纵向浮动，使得两个光纤光栅发生大幅度的伸缩形变，小幅度的弯曲，进而产生波长飘移现象。

结合图2所示，若被测结构沿顺时针方向倾斜，则光纤安装部32向右位移，具体表现为第一光纤光栅5拉伸，第二光纤光栅9收缩。此时通过第一光纤光栅5和第二光纤光栅9的波长变化差值，便可以计算待测物体的倾斜角度。需要说明的是，为了方便理解，附图中的尺寸关系采用了较为夸张的表现形式，并不代表之际中的位移情况，实际中两个光纤光栅的弯折，即沿图中纵向的形变均较为微小，可以忽略该形变对其疲劳强度的影响。

请再参阅图2，本实施例中计算待测物体倾斜角度的具体方式如下：

光纤安装部32、两个所述传动连杆2及所述安装座1共同组成的平行四边形连杆机构，在重力分量的作用下，平行四边形连杆机构中的传动连杆2发生微小转动θ_h，质量块3发生大幅度平动。设传动连杆2与光纤安装部32之间的连接点发生的水平位移为x，垂直位移为y。由几何关系可得：

x²+(L-y)²＝L²

x²≈2Ly

式中L为传动连杆2两端转动点之间的间距，设L＝50mm，当质量块3的水平位移x＝10μm时，垂直位移y仅为1×10^-3μm，可以看出垂直位移的影响极为微小。

由于光纤光栅对应变和温度敏感，故光纤光栅拉伸或收缩时，中心波长会发生漂移，根据第一光纤光栅5和第二光纤光栅9的波长漂移量来解析被测结构的倾斜角度。根据如下计算过程来给出两个光纤光栅的波长漂移量与倾斜角度的对应关系。

设被测倾斜角度为θ，可列如下力矩平衡方程：

mgsinθd₁-4Kθ_h-2k_fΔLd₂＝0

其中，θ_h为传动连杆2的转角，m为质量块3的质量，g为重力加速度，取g＝9.8N/Kg，d₁为质量块3质心和传动连杆2与安装座1之间的转动中心的距离，K为柔性铰链7的转动刚度,k_f为光纤光栅的弹性系数，ΔL为光纤光栅的长度变化量，d₂为光纤光栅和传动连杆2与安装座1之间的转动中心的距离。

则光纤光栅伸长量满足：

由于倾斜角度θ及θ_h较小，可以近似认为：

θ＝sinθ

第一光纤光栅5波长变化量为:

Δλ₁＝K_TΔT+K_εε₁

其中,K_T为传感器温度灵敏度系数，K_ε为传感器应变灵敏度系数，ΔT为温度变化量，ε₁为第一光纤光栅5的轴向应变。

第一光纤光栅5与第二光纤光栅9同处一个温度场，故温度系数一致；且由材料力学可知，二者轴向应变大小一致，方向相反，则第二光纤光栅97波长变化量为:

Δλ₂＝K_TΔT-K_εε₁

则第一光纤光栅5与第二光纤光栅9中心波长变化的差值满足：

Δλ₁-Δλ₂＝2K_εε₁

由应变定义可知：

其中，L为光纤光栅悬置的长度。

则倾斜角度θ与两光纤光栅中心波长变化的差值对应关系如下：

通过上述对应关系便可以根据第一光纤光栅5和第二光纤光栅9的波长变化差值，计算待测物体的倾斜角度。

在上述对应关系中，柔性铰链7的转动刚度为：

其中，E为材料的弹性模量；w为铰链的厚度，s为铰链间的最小厚度，具体为：

s＝r/t

其中，t为铰链间的最小厚度，r为圆弧铰链的半径。

光纤光栅的弹性系数为：

其中，A_f为光纤光栅的截面积，E_f为光纤光栅的弹性模量。

本实用新型提供的一种平动式光纤光栅倾角传感器，其通过安装座1将整个传感器安装至待测物体上，第一光纤光栅5的一端固定于第一固定部4上，另一端则固定于质量块3中的光纤安装部32上，当待测物体倾斜时，质量块3会相对于安装座1发生偏移，进而带动第一光纤光栅5发生形变，使得第一光纤光栅5中的信号发生波长漂移，这样通过第一光纤光栅5中信号的变化情况便可以知晓待测物体的倾斜程度。相比于现有技术，因本实用新型中光纤安装部32和安装座1之间，通过两个传动连杆2构成平行四边形连杆机构，加之整个传感器本身就较为微小，使得光纤安装部32发生的运动主要为沿安装座1延伸方向的位移，这就保证第一光纤光栅5主要发生的形变为沿自身延伸方向的伸缩形变，而弯曲形变较为微小可忽略，进而保证了其疲劳强度不会折损，延长使用寿命。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平动式光纤光栅倾角传感器，其特征在于，包括：

安装座；

两个传动连杆，所述传动连杆的一端转动连接于所述安装座；

质量块，包括配重块体和光纤安装部，所述配重块体连接于所述光纤安装部，所述光纤安装部的两端分别转动连接于两个所述传动连杆的另一端，所述光纤安装部、两个所述传动连杆及所述安装座共同组成平行四边形连杆机构；

第一固定部，连接于所述安装座；

第一光纤光栅，所述第一光纤光栅的两端分别连接于所述光纤安装部的一端和所述第一固定部，所述第一光纤光栅的延伸方向和所述光纤安装部两端之间的延伸方向相同。

2.根据权利要求1所述的平动式光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述配重块体位于两个所述传动连杆之间，所述配重块体朝向所述安装座方向延伸。

3.根据权利要求2所述的平动式光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述质量块还包括两个连接部，两个所述连接部分别连接于所述光纤安装部的两端，两个所述连接部还分别转动连接于两个所述传动连杆的另一端，所述连接部和所述第一光纤光栅间隔设置。

4.根据权利要求1所述的平动式光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述第一固定部为柱状结构，所述第一固定部的一端连接于所述安装座，所述第一固定部的另一端向背离所述安装座的方向延伸，所述第一固定部位于一个所述传动连杆沿所述安装座延伸方向上背离另一个所述传动连杆的一侧，所述第一固定部的另一端连接所述第一光纤光栅。

5.根据权利要求4所述的平动式光纤光栅倾角传感器，其特征在于，还包括第二固定部和第二光纤光栅，所述第二固定部为柱状结构，所述第二固定部的一端连接于所述安装座，所述第二固定部的另一端向背离所述安装座的方向延伸，所述第二固定部和所述第一固定部分别位于两个所述传动连杆沿所述安装座延伸方向上的两侧，所述第二光纤光栅的两端分别连接于所述光纤安装部的另一端和所述第二固定部，所述第二光纤光栅的延伸方向和所述光纤安装部的延伸方向相同。

6.根据权利要求5所述的平动式光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅串接。

7.根据权利要求5所述的平动式光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅的两端分别通过环氧树脂胶连接于所述光纤安装部和所述第一固定部，所述第二光纤光栅的两端分别通过环氧树脂胶连接于所述光纤安装部和所述第二固定部。

8.根据权利要求1所述的平动式光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述传动连杆的两端均通过柔性铰链连接所述安装座及所述光纤安装部。

9.根据权利要求1所述的平动式光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述安装座上开设有螺纹孔。

10.根据权利要求1所述的平动式光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述安装座背离所述传动连杆的一侧涂覆有结构胶。

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