CN108801216A - 一种光纤布拉格光栅倾角仪 - Google Patents

一种光纤布拉格光栅倾角仪 Download PDF

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梁敏富
陈宁宁
卢海洋
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Abstract

本发明公开了一种光纤布拉格光栅倾角仪，属于光纤传感技术领域。包括壳体、通孔螺栓、底座、螺栓、等强度梁、连接杆、质量球、光纤光栅、光纤、光纤耦合器、尾纤保护套和尾纤；壳体外观是长方体，内部是一空腔，壳体一端开设一定大小的内螺纹通孔，与通孔螺栓螺纹连接，另一端与底座通过螺栓连接，底座可拆卸。壳体内部腔壁固定有等强度梁，等强度梁另一端与连接杆相连，连接杆连接一质量球，质量球与腔壁四周接触，可以来回滑动。等强度梁上下底面对称粘贴光纤光栅，两个光纤光栅通过光纤耦合器耦合到一根光纤上，再连接尾纤穿过通孔螺栓。

Description

一种光纤布拉格光栅倾角仪
技术领域
本发明涉及一种光纤布拉格光栅倾角仪，尤其是一种用于实时在线监测物体倾角的光纤布拉格光栅倾角仪。属于光纤传感技术领域。
背景技术
土木工程，桥梁工程，煤矿、石油领域，航空航天工程、机械工程等众多领域都离不开倾角的测量，例如，将传感器安装在桥梁或者路面用于测量桥梁的挠度或地基沉降；安装在机械摇臂上，监测摇臂运行姿态，比如将倾角传感器应用于飞机的登机梯子，或者将倾角传感器应用于采煤机摇臂上。传统的倾角传感器基本基于电磁传感原理，能够实现倾角精确监测的要求，但是该类传感器在强电、磁环境下,如煤矿中的采煤工作面内工作状况变差，不利于远距离传输和分布式测量等。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于，针对上述传统电磁类倾角传感器存在的问题，提出一种光纤布拉格光栅倾角仪，用于实时在线监测物体的倾角。
技术方案：本发明的一种光纤布拉格光栅倾角仪，包括壳体，壳体的前端设有通孔螺栓，壳体的后端设有底座，所述的通孔螺栓的通孔内设有伸出通孔螺栓端口外的尾纤，所述壳体的内部前方设有等强度梁，壳体的内部后方设有质量球，等强度梁上设有顶靠在质量球上的连接杆，等强度梁前后底面的中心线上对称粘贴有两个光纤光栅，两个光纤光栅经光纤耦合器与光纤耦合在一起，并与尾纤相连。
所述的壳体为长方体，内部为一空腔，壳体的前端开有与通孔螺栓相配合的内螺纹通孔。
所述的质量球与壳体腔壁四周接触，为动配合，可来回滑动。
所述的壳体内部腔壁打磨光滑，涂覆润滑剂。
所述的质量球为铅球。
所述的光纤光栅初始中心波长相等。
所述的尾纤在通孔螺栓内部设有尾纤保护套。
所述的底座由螺栓固定在壳体上。
有益效果：由于光纤布拉格光栅倾角传感器不受电磁干扰，能灵敏地反映出物体运动姿态改变后倾角的变化与光纤光栅中心波长变化之间的线性关系，根据波分复用技术，可以实现光纤布拉格光栅传感器的分布式多点测量和远距离传输，适用范围广，且适用于煤矿中。本发明采用的光纤光栅传感器能够实现长期实时在线监测，易于组成测量网络，与传统传感器相比，具有如下优点：(1)灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀，适合应用于恶劣环境；(2)便于组网布控，采用波分复用、时分复用、空分复用或者联合使用，可以实现大面积的多点测量；(3)体积小、质量轻，易于埋入结构内部，监测结构内部应力应变变化；(4)便于数据信息采集，方便传输等。可用于精确测量物体倾角，灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀，适合应用于恶劣环境，与已有技术相比，主要优点有：
(1)结构简单，安装方便，灵敏度高，抗电磁干扰能力强、耐腐蚀，适合应用于恶劣环境；
(2)利用先进的光纤光栅传感技术，便于远距离和24小时在线监测，方便数据采集与存储；
(3)消除温度误差的影响。
附图说明
图1为本发明装置的内部结构示意图；
图2为本发明装置的左视图；
图3为本发明装置的右视图；
图4为本发明装置中光纤光栅粘贴位置示意图。
图中标号：1、壳体；2、通孔螺栓；3、底座；4、螺栓；5、等强度梁；6、连接杆；7、质量球；8、光纤光栅；9、光纤；10、光纤耦合器；11、尾纤保护套；12、尾纤
具体实施方式
下面结合附图中实施例的对本发明作进一步的描述：
如图1、2和3所示，本发明的光纤布拉格光栅倾角仪，主要由壳体1、通孔螺栓2、底座3、螺栓4、等强度梁5、连接杆6、质量球7、光纤光栅8、光纤9、光纤耦合器10、尾纤保护套11和尾纤12构成。所述的壳体1为长方体，内部为一空腔，壳体1的前端开有与通孔螺栓2相配合的内螺纹通孔。所述壳体1的前端设有通孔螺栓2，壳体1的后端设有底座3，底座3由螺栓4固定在壳体1上，可拆卸。所述的通孔螺栓2的通孔内设有伸出通孔螺栓端口外的尾纤12，尾纤12在通孔螺栓2内部设有尾纤保护套11。所述壳体1的内部前方设有等强度梁5，壳体1的内部后方设有质量球7，质量球7为铅球。质量球7与壳体腔壁四周接触，为动配合，可来回滑动。壳体1内部腔壁打磨光滑，涂覆润滑剂。等强度梁5上设有连接在质量球7上的连接杆6，质量7球可以协同滑动，通过连接杆6带动等强度梁弯曲；等强度梁5前后底面的中心线上对称粘贴有两个光纤光栅8，即光纤光栅8粘贴在等强度梁5中心对称轴线上，光纤光栅8初始中心波长相等。两个光纤光栅8分别经光纤9连接光纤耦合器10，光纤耦合器10与光纤9耦合在一起，并与尾纤12相连，尾纤12穿过通孔螺栓2。
工作时，将尾纤12接入光纤解调仪通道，解调出两个光纤光栅8的中心波长，将本光纤布拉格光栅倾角仪置于被测物体上，当壳体1发生倾斜，壳体1相对于水平位置产生一个倾角Δθ，两个光纤光栅8的中心波长偏移，计算中心波长偏移量之和，代入公式(1)，即可得到仪器倾斜角度，从而消除温度误差的影响。具体过程如下：
当壳体1向左下方或右上方发生倾斜，壳体1相对于水平位置存在一个倾角Δθ，此时，等强度梁6向左弯曲，左侧光纤光栅受压力作用，中心波长减小，解调仪中显示波峰向左偏移，中心波长偏移量为ΔλB1，右侧光纤光栅受拉力作用，中心波长增大，解调仪中显示波峰向右偏移，中心波长偏移量为ΔλB2，
当壳体1向左上方或右下方发生倾斜，此时，等强度梁6向右弯曲，左侧光纤光栅受拉力作用，中心波长增大，解调仪中显示波峰向右偏移，中心波长偏移量为Δλ'B1，右侧光纤光栅受压力作用，中心波长减小，解调仪中显示波峰向左偏移，中心波长偏移量为Δλ'B2。
两中心波长偏移量之和ΔλB1+ΔλB2(或者Δλ'B1+Δλ'B2)与倾角Δθ存在如下关系：
式中：L-等强度梁的长度，b-等强度梁在固定端的宽度，h-等强度梁的厚度和材料，E-等强度梁的弹性模量；λB为光纤光栅初始波长；Pe为光纤的弹光系数；m为质量球的质量。

Claims (8)

1.一种光纤布拉格光栅倾角仪，其特征在于：它包括壳体（1），壳体（1）的前端设有通孔螺栓（2），壳体（1）的后端设有底座（3），所述的通孔螺栓（2）的通孔内设有伸出通孔螺栓端口外的尾纤（12），所述壳体（1）的内部前方设有等强度梁（5），壳体（1）的内部后方设有质量球（7），等强度梁（5）上设有顶靠在质量球（7）上的连接杆（6），等强度梁（5）前后底面的中心线上对称粘贴有两个光纤光栅（8），两个光纤光栅（8）经光纤耦合器（10）与光纤（9）耦合在一起，并与尾纤（12）相连。
2.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅倾角仪，其特征在于：所述的壳体（1）为长方体，内部为一空腔，壳体（1）的前端开有与通孔螺栓（2）相配合的内螺纹通孔。
3.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅倾角仪，其特征在于：所述的质量球（7）与壳体（1）腔壁四周接触，为动配合，可来回滑动。
4.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅倾角仪，其特征在于：所述的壳体（1）内部腔壁打磨光滑，涂覆润滑剂。
5.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅倾角仪，其特征在于：所述的质量球（7）为铅球。
6.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅倾角仪，其特征在于：所述的光纤光栅（8）初始中心波长相等。
7.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅倾角仪，其特征在于：所述的尾纤（12）在通孔螺栓（2）内部设有尾纤保护套（11）。
8.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅倾角仪，其特征在于：所述的底座（3）由螺栓（4）固定在壳体（1）上。
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