CN109945806B - 一种二维光纤光栅倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的一种二维光纤光栅倾角传感器，包括：配重球，监测光纤光栅，补偿光纤光栅，不锈钢短柱，保护壳体，光纤松套管。主体结构由保护壳体，不锈钢短柱和感应结构组成。保护壳体为正方形盒式，两角开小孔用于光纤松套管穿出。不锈钢短柱位于正方形保护壳体四角，截面为圆形，用于支撑保护壳体，感应结构由监测光纤光栅，配重球，补偿光纤光栅构成。本发明一种二维光纤光栅倾角传感器主要是以力的平衡原理为理论基础，监测机理是通过配重球受力平衡时在平面内产生两个方向分力，从而引起光纤光栅的布喇格反射波长随传感器平面外角度的变化而产生改变。此外，利用补偿光纤光栅解决了光纤光栅温度应变交叉敏感问题。本发明二维倾角传感器结构受力明确，响应速度快，测量精度高，稳定性好，具有温度自补偿功能，且易于加工制造，抗电磁干扰，具有较好的工程应用前景。

Description

一种二维光纤光栅倾角传感器

技术领域

本发明基于光纤光栅传感技术，是一种用于监测土体、岩石和建筑物倾斜角度的高精度仪器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

大型土木工程诸如通信铁塔工程、桥梁工程、房屋工程和大型水塔工程等由于地基基础不均匀沉降易发生倾斜现象，不但影响结构的正常使用功能，而且引起附加应力甚至导致结构破坏，造成生命财产损失。因此，贯穿施工与运营期的结构倾斜状态监测很有必要。传统的倾角传感器以电磁效应、电容效应等为基本原理，可达到较高的精度与分辨率，但此类弱电式传感器均存在抗电磁干扰性能差、电缆线路损耗大、传输距离近的缺点，在强电磁场环境、防静电环境如煤矿和油库等难以适用。光纤光栅传感器具有测量灵敏度高、抗强电磁干扰、耐腐蚀的优点，适用于结构实时在线监测。因此，急需研发一种用于长期实时监测土体、岩石和建筑物倾斜角度的光纤光栅倾角传感器。

发明内容

本发明涉及一种结构简单，性能稳定、可靠、灵敏度高、抗强电磁干扰、耐腐蚀，用于长期实时监测土体、岩石和建筑物二维倾斜角度的传感器。

为了实现上述目的，本发明解决技术问题的技术方案是：

一种二维光纤光栅倾角传感器，主要包括配重球，监测光纤光栅，补偿光纤光栅，不锈钢短柱，保护壳体，光纤松套管；所述保护壳体为正方形盒式结构，不锈钢短柱位于正方形保护壳体四角，截面为圆形，用于支撑保护壳体；两角开小孔用于光纤松套管穿出；配重球放置于正方形保护壳体中心位置，然后通过呈十字形的监测光纤光栅拉结；配重球质心位置开小孔供监测光纤光栅穿过，然后灌胶封孔；四根监测光纤光栅端部固定于不锈钢短柱上，承担质量球沿xy平面方向的重力分量，通过其波长漂移量确定倾角及倾角方向；补偿光纤光栅粘贴于保护壳体临近不锈钢短柱的位置；监测光纤光栅的尾纤与补偿光纤光栅的尾纤均穿过保护壳体侧面小孔后，采用光纤松套管套上。

由于采用上述结构，使得本发明具有下列优点和效果：

1.可对构件倾斜角度进行全寿命周期监测。

本发明直接通过光纤光栅获取配重球倾斜产生的受拉监测光纤光栅的应变，监测灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，理论上可实现构件倾斜角度全寿命周期监测。

2.量程大、测量精度可以调节。

由结构设计可知，本倾角传感器量程达到-90°到90°，满足土木工程大型结构倾角量程方面的要求。此外，本发明的原理是配重球受力平衡时在监测光纤光栅上产生轴向分力，引起监测光纤光栅发生轴向应变。因此配重球的质量大小，直接影响着单位角度改变引起的监测光纤光栅轴向应变的大小，通过改变以上因素可改变传感器的监测精度，使其满足不同的精度要求。

3.可测平面内任意方向倾角。

由结构设计可知，本倾角传感器内的监测光纤光栅采用双向对称配置，任意方向发生倾角时，都会引起光纤光栅应变的变化，通过理论计算可得知倾斜方向和角度。

4.监测响应速度快。

本发明是基于配重球受力平衡时在监测光纤光栅上产生轴向分力，通过监测光纤光栅应变从而获取光纤光栅中心波长改变量并反推测点倾角及倾角方向，其原理简单，结构受力清晰简明，无冗杂的机械传导装置，因此传感器响应速度快。

5.布置方式多样。

本发明是密封盒式设计，既可直接布置于所需监测部位，亦可以预埋于预制构件中，可提高传感器在施工监测中的存活率。

6.适用范围广。

本发明体积小且密封，适应环境能力强，不仅应用于土体、岩石和建筑物方面的结构倾斜量的监测，还可以应用该发明对桥梁结构挠度进行实时监测。

本发明二维倾角传感器结构受力合理，响应速度快，测量精度高且可调，稳定性好，具有温度自补偿功能，且易于加工制造，抗电磁干扰，具有较好的工程应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明一种二维光纤光栅倾角传感器内部结构主视图。

图2是本发明一种二维光纤光栅倾角传感器内部结构三维示意图。

图3是本发明一种二维光纤光栅倾角传感器完整三维示意图。

图4是本发明一种二维光纤光栅倾角传感器与水平线角度示意图。

图5是本发明一种二维光纤光栅倾角传感器与倾斜方向示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围不受具体的实施例所限制，以权利要求书为准。另外，以不违背本发明技术方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。

图1，2，3所示本发明的一种二维光纤光栅倾角传感器，包括：配重球，监测光纤光栅，补偿光纤光栅，不锈钢短柱，保护壳体，光纤松套管。主体结构由保护壳体，不锈钢短柱和感应结构组成。保护壳体6为正方形盒式，两角开小孔用于光纤松套管1穿出。不锈钢短柱2位于正方形保护壳体6四角，截面为圆形，用于支撑保护壳体6，感应结构由监测光纤光栅3，配重球4，补偿光纤光栅5构成。其中配重球4通过监测光纤光栅3的拉结放置于正方形保护壳体6中心位置，配重球4质心位置开小孔供监测光纤光栅3穿过后灌胶封孔。四根监测光纤光栅3端部固定于不锈钢短柱上，承担质量球沿xy平面方向的重力分量，通过其波长漂移量确定倾角及倾角方向。补偿光纤光栅5粘贴于保护壳体6临近不锈钢短柱2的位置。监测光纤光栅3与补偿光纤光栅5的尾纤1均穿过保护壳体6侧面小孔并套上光纤松套管。

本发明的一种二维光纤光栅倾角传感器的工作原理如下：

由光纤光栅原理可知，本传感器所测量轴向应变满足关系：

A＝π·r² (2)

式中，Δλ_B为中心波长改变量，k_ε为光纤光栅应变灵敏度系数，A为光纤光栅净截面面积，r光纤光栅截面半径。N为光纤上轴向力，其满足基本方程：

N＝mgcosθ (3)

其中m为配重球质量，ρ为配重球材料密度，V为配重球体积，θ为传感器与水平方向之间的夹角，如图4所示。将(2)(3)(4)带入(1)可得：

进而有

令则有：

θ＝arccosKΔλ_B (7)

式中，K为材料系数。

安置时需要对传感器与水平方向初始角度进行监测即θ_初，从而在以后的监测中可得测点的实际倾斜角度α₁。

α₁＝θ_测-θ_初 (8)

即有α₁＝arccosKΔλ_B测-arccosKΔλ_B初 (9)

由此式可看出通过监测实时中心波长改变量Δλ_B测与安置时中心波长改变量Δλ_B初，从而获得测点当前倾角α₁的结果，且α₁为正说明逆时针倾斜，α₁为负说明顺时针倾斜。此外，还涉及倾斜方向问题，倾斜方向由角α₂确定，如图5所示。

由(10)(11)可得：

由(13)(14)可得被检测物产生的倾斜方向与倾斜角度，α₁可表示倾斜角度，α₂可表示倾斜的水平方向，α₁为正说明逆时针倾斜，α₁为负说明顺时针倾斜，α₂不会超过±45°，因为各个方向受拉光纤方向不同，通过比较各个光纤光栅波长漂移幅度可得受拉的两根光纤光栅，从而确定倾斜方向。

本发明的一种二维光纤光栅倾角传感器具体封装方式为：

先将光纤光栅尽端***不锈钢短柱中部的预留孔内，灌胶固定。将光纤光栅按顺序穿过配重球、对角的不锈钢短柱，并施加一定预应力使光纤光栅保持水平拉紧状态，之后滴取少量氰基丙烯酸乙酯于光纤光栅与对角的不锈钢短柱的接触面处，在正方形保护壳体底部的中心位置做记号标记配重球的位置，当光纤光栅固定之后再将对角不锈钢短柱与配重球的孔道灌胶。采用同样的方式，在正方形保护壳体内壁表面临近监测光纤光栅的位置上粘贴补偿光纤光栅。尾纤表面涂抹少量704胶后，用光纤松套管进行保护。

正方形保护壳体由铝板拼成，并采用螺栓固定，其中一侧铝板上预留两个小孔，用来穿出尾纤。不锈钢短柱采用螺栓固定在保护壳体四角。配重球是由不锈钢制成的均匀球体，重心处留孔使监测光纤光栅穿过配重球重心，配重球通过四根监测光纤光栅拉结在四根不锈钢短柱上，同方向监测光纤光栅串联，一端胶结在不锈钢短柱上，另一端的不锈钢短柱留孔使监测光纤光栅尾纤松套管穿过，所有孔孔内灌胶封孔。

Claims (2)

1.一种二维光纤光栅倾角传感器，其特征在于，主要包括配重球，监测光纤光栅，补偿光纤光栅，不锈钢短柱，保护壳体，光纤松套管；

所述保护壳体为正方形盒式结构，不锈钢短柱位于正方形保护壳体四角，截面为圆形，用于支撑保护壳体；两角开小孔用于光纤松套管穿出；

配重球放置于正方形保护壳体中心位置，然后通过呈十字形的监测光纤光栅拉结；

配重球质心位置开小孔供监测光纤光栅穿过，然后灌胶封孔；四根监测光纤光栅端部固定于不锈钢短柱上，承担质量球沿xy平面方向的重力分量，通过其波长漂移量确定倾角及倾角方向；补偿光纤光栅粘贴于保护壳体临近不锈钢短柱的位置；监测光纤光栅的尾纤与补偿光纤光栅的尾纤均穿过保护壳体侧面小孔后，采用光纤松套管套上;

配重球受力平衡时在光纤上产生轴向分力，引起光纤发生轴向应变，通过监测光纤光栅轴向应变从而获取光纤光栅中心波长改变量并由公式得出测点倾角及倾角方向；

工作原理如下：

由光纤光栅原理可知，本传感器所测量轴向应变满足关系：

A＝π·r² (2)

式中，Δλ_B为中心波长改变量，k_ε为光纤光栅应变灵敏度系数，A为光纤光栅净截面面积，r光纤光栅截面半径；N为光纤上轴向力，其满足基本方程：

N＝mgcosθ (3)

其中m为配重球质量，ρ为配重球材料密度，V为配重球体积，θ为传感器与水平方向之间的夹角；将(2)(3)(4)带入(1)可得：

进而有令/>则有：

θ＝arccosKΔλ_B (7)

式中，K为材料系数；

安置时需要对传感器与水平方向初始角度进行监测即θ_初，从而在以后的监测中可得测点的实际倾斜角度α₁；

α₁＝θ_测-θ_初 (8)

即有α₁＝arccosKΔλ_B测-arccosKΔλ_B初(9)

由此式可看出通过监测实时中心波长改变量Δλ_B测与安置时中心波长改变量Δλ_B初，从而获得测点当前倾角α₁的结果，且α₁为正说明逆时针倾斜，α₁为负说明顺时针倾斜；此外，还涉及倾斜方向问题，倾斜方向由角α₂确定；

由(10)(11)可得：

由(13)(14)可得被检测物产生的倾斜方向与倾斜角度，α₁可表示倾斜角度，α₂可表示倾斜的水平方向，α₁为正说明逆时针倾斜，α₁为负说明顺时针倾斜，α₂不会超过±45°，因为各个方向受拉光纤方向不同，通过比较各个光纤光栅波长漂移幅度可得受拉的两根光纤光栅，从而确定倾斜方向。

2.根据权利要求1所述的一种二维光纤光栅倾角传感器，其特征在于：所述监测光纤光栅为Bragg光栅。