CN102878937A

CN102878937A - 光纤光栅位移转角一体化传感器

Info

Publication number: CN102878937A
Application number: CN2012103757902A
Authority: CN
Inventors: 刘炎
Original assignee: Wuxi Municipal Design Institute Co Ltd
Current assignee: Wuxi Municipal Design Institute Co Ltd
Priority date: 2012-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明涉及一种光纤光栅位移转角一体化传感器，具体地说是用于检测土木工程中结构健康情况的，属于传感技术领域。其包括圆轴、轴承、销轴、螺旋轴、第一拉线、壳体、支杆、等强度梁、第一光纤光栅、弹簧、垫块、保护管、第一尾纤、连接杆、第二光纤光栅、第二尾纤和第二拉线，支杆与螺旋轴侧面接触。等强度梁上下表面分别对称粘贴第一光纤光栅、第二光纤光栅。螺旋轴一侧固定圆轴。本发明结构简单、紧凑，合理；克服了光纤光栅易损坏，受温度影响的缺点；可以实现较大范围的测量；利用了螺旋轴结构可测量±180o以内的任何角位移。

Description

光纤光栅位移转角一体化传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅位移转角一体化传感器，具体地说是用于检测土木工程中结构健康情况的，属于传感技术领域。

背景技术

在土木工程中，结构健康监测(SHM)对保证土木结构的长期安全运行具有重要的意义。而位移和转角检测是结构健康监测中最基本的测量项目，位移检测可采用位移传感器，转角检测可采用倾角仪或角位移传感器。传统的位移传感器、倾角仪或角位移传感器是基于电类测量传感技术，如电阻应变片、钢弦计等，由于它们耐久性差，无法满足土木结构的长期监测。

光纤光栅传感器是一种新型智能传感器，其抗潮、抗腐、耐久性强，能在恶劣环境下工作，可靠性好、抗干扰性强，而且容易构成传感网络。光纤光栅传感器因为具有这些优点，得到了世界的广泛关注。目前世界上已将光纤光栅传感器应用于温度、应变、压力、位移、加速度、流量等多种物理量的测量中。

现有的光纤光栅位移传感器存在量程小，易损坏或未考虑温度影响等缺点。如专利号为200510047350.4的“一种光纤光栅位移传感器”是利用弹簧的拉伸使钢管封装的光纤光栅应变传感器变形来测定位移变化。该发明结构简单，但未考虑到温度因素的影响。又如专利号为200810201667.2的“一种拉线式光纤光栅位移传感器”是通过轮毂、齿轮将应力作用在测量光栅上实现位移的测量。该发明考虑到温度因素的影响，自带有温度补偿，但由于光纤光栅没有附着基体而直接受力，在较大的外力作用下容易发生光纤断裂而破坏。再如专利号为201010127525.3的“超精密光纤光栅位移传感器”是将光纤光栅布设在测杆两端，传感器测头发生位移时，光纤光栅将被拉伸，其中心波长发生相应变化，通过测试波长变化量得到位移，该发明具有很高的分辨率和位移精度，但是量程较小，为50um，且未考虑温度因素的影响。

现有的可用于测量转角的光纤光栅倾角传感器存在测量范围小、容易损坏等缺点。如专利号为200410009719.8的“一种光纤光栅倾斜角度传感器”利用重力摆的重力使粘贴于等截面梁上的两只光栅发生变形，用于测定倾斜变化，但量程较小，仅为2-8°。又如专利号为200310113187.8 的“光纤光栅倾角传感器”和专利号为200910097186.6的“新型光纤光栅二维倾斜角度传感器”发明由于光纤光栅没有附着基体直接受力，在较大的外力作用下容易发生光纤断裂而破坏。

而对于将光纤光栅位移和转角一体化的传感器目前尚未见到。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种耐久性能良好、测量精确度高、测量范围大、不受温度影响，且结构简单、不受电磁场干扰的光纤光栅位移转角一体化传感器，利用光纤光栅进行位移和转角检测。

按照本发明提供的技术方案，光纤光栅位移转角一体化传感器包括圆轴、轴承、销轴、螺旋轴、第一拉线、壳体、支杆、等强度梁、第一光纤光栅、弹簧、垫块、保护管、第一尾纤、连接杆、第二光纤光栅、第二尾纤和第二拉线，其特征是：壳体一侧固定销轴，销轴上套装轴承，轴承上套装螺旋轴。壳体内固定垫块，等强度梁一端通过螺钉固定在垫块上，另一端固定支杆。所述支杆与螺旋轴侧面接触。所述等强度梁上下表面分别对称粘贴第一光纤光栅、第二光纤光栅。第一尾纤、第二尾纤分别粘贴在等强度梁的上下表面。所述第一尾纤与第一光纤光栅连接，第二尾纤与第二光纤光栅连接。所述螺旋轴一侧固定圆轴，圆轴侧面固定连接杆。壳体内固定保护管，保护管内安装弹簧。所述弹簧的一端连接第一拉线，第一拉线一头紧密缠绕在圆轴上。弹簧的另一端连接第二拉线。

所述螺旋轴的外轮廓曲线为阿基米德螺旋线。

所述销轴与支杆垂直。所述支杆与等强度梁垂直。所述第二拉线穿出壳体。所述第一尾纤穿出壳体。所述第二尾纤穿出壳体。所述圆轴与螺旋轴同轴。所述连接杆穿出壳体。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

本发明结构简单、紧凑，合理；将光纤光栅对称粘贴在等强度梁的上下表面上，克服了光纤光栅易损坏，受温度影响的缺点；并且增加了弹簧，可以实现较大范围的测量；利用了螺旋轴结构可测量±180o以内的任何角位移。

附图说明

图1为本发明主视图。

图2为本发明俯视图。

附图标记说明：1-圆轴、2-轴承、3-销轴、4-螺旋轴、5-第一拉线、6-壳体、7-支杆、8-等强度梁、9-第一光纤光栅、10-弹簧、11-垫块、12-保护管、13-第一尾纤、14-连接杆、15-第二光纤光栅、16-第二尾纤、17-第二拉线。

具体实施方式

下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：

如图1~2所示，本发明主要包括圆轴1、轴承2、销轴3、螺旋轴4、5-第一拉线5、壳体6、支杆7、等强度梁8、第一光纤光栅9、弹簧10、垫块11、保护管12、第一尾纤13、连接杆14、第二光纤光栅15、第二尾纤16和第二拉线17。

壳体6一侧固定销轴3，销轴3上套装轴承2，轴承2上套装螺旋轴4。壳体6内固定垫块11。所述等强度梁8一端通过螺钉固定在垫块11上，另一端固定支杆7。所述支杆7与螺旋轴4侧面接触。所述等强度梁8上下表面分别对称粘贴第一光纤光栅9、第二光纤光栅15。第一尾纤13、第二尾纤16分别粘贴在等强度梁8的上下表面。所述第一尾纤13与第一光纤光栅9连接，第二尾纤16与第二光纤光栅15连接。所述第一尾纤13和第二尾纤16穿出壳体6。

所述螺旋轴4一侧固定圆轴1，圆轴1与螺旋轴4同轴。圆轴1侧面固定连接杆14。所述连接杆14穿出壳体6。所述螺旋轴4的外轮廓曲线为阿基米德螺旋线。

壳体1内固定保护管12，保护管12内安装弹簧10。所述弹簧10的一端连接第一拉线5，第一拉线5一头紧密缠绕在圆轴1上。弹簧10的另一端连接第二拉线17，第二拉线17穿出壳体1。

所述销轴3与支杆7垂直。所述支杆7与等强度梁8垂直。

本发明的工作原理是：安装时，将第一尾纤13和第二尾纤16与采集仪器连接，连接杆14与外部结构连接。当伸出壳体6的第二拉线17发生位移时，弹簧10发生拉伸带动圆轴1和螺旋轴4旋转。螺旋轴4的旋转推动支杆7使等强度梁8弯曲变形，这样对称粘贴在等强度梁8的上下表面的第一光纤光栅9和第二光纤光栅15就会和等强度梁8的表面产生协同变形，使得第一光纤光栅9和第二光纤光栅15的中心波长由于应变而产生一定的偏移，通过分析可以得出第一光纤光栅9和第二光纤光栅15的中心波长与第二拉线17位移之间的关系，从而实现位移的检测。

当与连接杆14连接的外部结构发生旋转角度时，圆轴1和螺旋轴4发生相应旋转，螺旋轴4的旋转推动支杆7使等强度梁8弯曲变形，这样对称粘贴在等强度梁8的上下表面的第一光纤光栅9和第二光纤光栅15就会和等强度梁8的表面产生协同变形，使得第一光纤光栅9和第二光纤光栅15的中心波长由于应变而产生一定的偏移，通过分析可以得出第一光纤光栅9和第二光纤光栅15的中心波长与外部结构旋转角度之间的关系，从而实现旋转角度的检测。

本发明的优点在于利用光纤光栅进行位移和转角检测，光纤光栅是一种性能优良的应变传感元件，其抗干扰能力强，不受电磁场干扰，也不影响外界电磁场，电绝缘性能好，耐久性好，测量灵敏度高、测量精度高，可实现点测量和分布式测量；第一光纤光栅9和第二光纤光栅15对称粘贴在等强度梁的上下表面上，可以提高测试精度，且有效地消除了由温度变化带来的测量误差。转角测量范围大，可测量±180o以内的任何角位移。此外，本发明结构简单、防爆性良好，不受电磁场干扰，可广泛应用于土木工程、石油化工等恶劣工作环境的位移和转角检测中。

Claims

1.一种光纤光栅位移转角一体化传感器，包括圆轴（1）、轴承（2）、销轴（3）、螺旋轴(4)、第一拉线(5)、壳体(6)、支杆(7)、等强度梁(8)、第一光纤光栅(9)、弹簧（10）、垫块（11）、保护管（12）、第一尾纤（13）、连接杆（14）、第二光纤光栅（15）、第二尾纤（16）和第二拉线（17），其特征是：壳体(6)一侧固定销轴(3)，销轴(3)上套装轴承(2)，轴承(2)上套装螺旋轴(4)；壳体（6）内固定垫块（11），等强度梁（8）一端通过螺钉固定在垫块（11）上，另一端固定支杆（7）；所述支杆（7）与螺旋轴（4）侧面接触；所述等强度梁（8）上下表面分别对称粘贴第一光纤光栅（9）、第二光纤光栅（15）；第一尾纤（13）、第二尾纤（16）分别粘贴在等强度梁（8）的上下表面；所述第一尾纤（13）与第一光纤光栅（9）连接，第二尾纤（16）与第二光纤光栅（15）连接；所述螺旋轴(4)一侧固定圆轴(1)，圆轴(1)侧面固定连接杆（14）；壳体（1）内固定保护管（12），保护管（12）内安装弹簧(10)；所述弹簧（10）的一端连接第一拉线（5），第一拉线（5）一头紧密缠绕在圆轴（1）上；弹簧（10）的另一端连接第二拉线（17）。

2.如权利要求1所述的光纤光栅位移转角一体化传感器，其特征是：所述螺旋轴（4）的外轮廓曲线为阿基米德螺旋线。

3.如权利要求1所述的光纤光栅位移转角一体化传感器，其特征是：所述销轴（3）与支杆（7）垂直。

4.如权利要求1所述的光纤光栅位移转角一体化传感器，其特征是：所述支杆（7）与等强度梁（8）垂直。

5.如权利要求1所述的光纤光栅位移转角一体化传感器，其特征是：所述第二拉线（17）穿出壳体（1）。

6.如权利要求1所述的光纤光栅位移转角一体化传感器，其特征是：所述第一尾纤（13）穿出壳体（6）。

7.如权利要求1所述的光纤光栅位移转角一体化传感器，其特征是：所述第二尾纤（16）穿出壳体（6）。

8.如权利要求1所述的光纤光栅位移转角一体化传感器，其特征是：所述圆轴(1)与螺旋轴(4)同轴。

9.如权利要求1所述的光纤光栅位移转角一体化传感器，其特征是：所述连接杆（14）穿出壳体（6）。