基于光纖光柵的可辨周向測斜傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可辨周向測斜的光纖光柵傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 自20世紀(jì)90年代以來，由于具有不受電磁干擾影響，尺寸小，重量輕，使用壽命長 等優(yōu)點(diǎn)，光纖光柵傳感技術(shù)發(fā)展迅速。傳統(tǒng)的移動(dòng)式、固定式測斜傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于 各種工程中斜度的監(jiān)測中，如F. A. Tavenas提出了在巖土工程中應(yīng)用測斜儀檢測路堤軟土 的側(cè)向變形；王春曉采用三軸正交加速度傳感器測量地球重力矢量和三軸正交磁強(qiáng)傳感器 測量地磁場矢量來測量斜度。但傳統(tǒng)測斜傳感器存在較大的不足，如數(shù)據(jù)采集儀器會(huì)出現(xiàn) 漂移誤差，測斜儀導(dǎo)輪磨損、偏移等會(huì)帶來誤差等。光纖光柵傳感技術(shù)作為傳感技術(shù)的新階 段，它滿足了測量的高精度、遠(yuǎn)距離和長期性要求，為解決上述關(guān)鍵問題提供了良好的技術(shù) 手段。因此光纖光柵測斜傳感器正逐步應(yīng)用于各種工程中。如裴華富通過梁的彎曲理論公 式和差分算法，根據(jù)光纖布拉格光柵波長變化與應(yīng)變之間的線性關(guān)系求得原位測斜儀各測 點(diǎn)的應(yīng)變來求得其斜度的變化。但關(guān)于可辨周向測斜的光纖光柵傳感器的研究和應(yīng)用很少 報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了基于光纖光柵的可辨周向測斜傳感 器，本發(fā)明通過傾斜時(shí)等強(qiáng)度懸臂梁的應(yīng)變與光纖光柵中心波長變化的關(guān)系測得傾斜的角 度，由于傳感器內(nèi)部有兩個(gè)相互垂直但不接觸的等強(qiáng)度懸臂梁，還可以利用空間向量法求 得傾斜的方向。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0005] 基于光纖光柵的可辨周向測斜傳感器，包括傳感器外殼，所述傳感器外殼內(nèi)設(shè)置 有兩對固定件，每對固定件用于固定相應(yīng)的一個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁，兩個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁在空間 上相互垂直但不接觸，每個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁底部粘貼有質(zhì)量塊，兩根光纖尾纖從傳感器外殼 頂端引出，套入空心保護(hù)管后與解調(diào)儀連接；
[0006] 空間上相互垂直的兩個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁，在傳感器傾斜時(shí)產(chǎn)生形變以測得傳感器在 z軸方向的傾斜角度，同時(shí)，通過等強(qiáng)度懸臂梁形變時(shí)映射到xy平面上的位移，測得在xy平 面上的傾斜方向，從而實(shí)現(xiàn)可辨周向的斜度測量。
[0007] 其中一根光纖尾纖與對應(yīng)的敏感光柵相連，敏感光柵與粘貼在傳感器外殼上內(nèi)壁 上的溫度補(bǔ)償光柵相連，另一根光纖尾纖與對應(yīng)的敏感光柵相連，敏感光柵分別粘貼在各 自對應(yīng)的等強(qiáng)度懸臂梁上。
[0008] 所述傳感器外殼為圓柱形，傳感器外殼上端設(shè)置有與其相配合使用的傳感器上 蓋，傳感器外殼下端設(shè)置有與其相配合使用的傳感器底座，傳感器上蓋頂部有螺紋口以實(shí) 現(xiàn)光纖尾纖的引出。
[0009] 所述每對固定件均包括第一固定件及第二固定件，第一固定件及第二固定件為兩 個(gè)大小不相等的長方體塊，第一固定件及第二固定件二者高相等，但第一固定件的寬與第 二固定件的長相等，第一固定件用螺絲固定于傳感器上蓋內(nèi)壁頂部。
[0010] 所述第二固定件用螺絲固定于第一固定件側(cè)面，第一固定件和第二固定件之間夾 有等強(qiáng)度懸臂梁。
[0011] 所述第一固定件中間設(shè)有孔且與傳感器上蓋頂部的螺紋口相通，粘貼于等強(qiáng)度懸 臂梁表面的敏感光柵的光纖尾纖由此孔引出。
[0012] 所述的等強(qiáng)度懸臂梁，選擇碳纖維板作為基體，為保證其受力均勻產(chǎn)生均勻形變， 等強(qiáng)度懸臂梁在有效受力范圍內(nèi)設(shè)置為等腰三角形。
[0013] 所述的質(zhì)量塊，材料選擇為銅，形狀為圓柱形，將其粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁底端，用 于產(chǎn)生作用力。
[0014] 所述的敏感光柵，用α-氰基丙烯酸乙酯將柵區(qū)粘貼于等強(qiáng)度懸臂梁上。
[0015] 所述的溫度補(bǔ)償光柵，用α -氰基丙烯酸乙酯將柵區(qū)粘貼于傳感器外殼內(nèi)壁上， 與敏感光柵串聯(lián)。
[0016] 當(dāng)傳感器向某一方向傾斜使得兩個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁均發(fā)生形變時(shí)，設(shè)Θ為其中一 個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁傾斜的角度，P為另一個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁傾斜的角度，Φ為傳感器在堅(jiān)直方 向的傾斜角度；
[0017]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于光纖光柵的可辨周向測斜傳感器，其特征是，包括傳感器外殼，所述傳感器外殼 內(nèi)設(shè)置有兩對固定件，每對固定件用于固定相應(yīng)的一個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁，兩個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁 在空間上相互垂直但不接觸，每個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁底部粘貼有質(zhì)量塊，兩根光纖尾纖從傳感 器外殼頂端引出，套入空心保護(hù)管后與解調(diào)儀連接； 空間上相互垂直的兩個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁，在傳感器傾斜時(shí)產(chǎn)生形變以測得傳感器在Z軸 方向的傾斜角度，同時(shí)，通過等強(qiáng)度懸臂梁形變時(shí)映射到Xy平面上的位移，測得在Xy平面 上的傾斜方向，從而實(shí)現(xiàn)可辨周向的斜度測量。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的可辨周向測斜傳感器，其特征是，其中一根光 纖尾纖與對應(yīng)的敏感光柵相連，敏感光柵與粘貼在傳感器外殼上內(nèi)壁上的溫度補(bǔ)償光柵相 連，另一根光纖尾纖與對應(yīng)的敏感光柵相連，敏感光柵分別粘貼在各自對應(yīng)的等強(qiáng)度懸臂 梁上。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的可辨周向測斜傳感器，其特征是，所述傳感器 外殼為圓柱形，傳感器外殼上端設(shè)置有與其相配合使用的傳感器上蓋，傳感器外殼下端設(shè) 置有與其相配合使用的傳感器底座，傳感器上蓋頂部有螺紋口以實(shí)現(xiàn)光纖尾纖的引出。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的可辨周向測斜傳感器，其特征是，所述每對固 定件均包括第一固定件及第二固定件，第一固定件及第二固定件為兩個(gè)大小不相等的長方 體塊，第一固定件及第二固定件二者高相等，但第一固定件的寬與第二固定件的長相等，第 一固定件用螺絲固定于傳感器上蓋內(nèi)壁頂部。
5. 如權(quán)利要求4所述的基于光纖光柵的可辨周向測斜傳感器，其特征是，所述第二固 定件用螺絲固定于第一固定件側(cè)面，第一固定件和第二固定件之間夾有等強(qiáng)度懸臂梁； 所述第一固定件中間設(shè)有孔且與傳感器上蓋頂部的螺紋口相通，粘貼于等強(qiáng)度懸臂梁 表面的敏感光柵的光纖尾纖由此孔引出。
6. 如權(quán)利要求1或5所述的基于光纖光柵的可辨周向測斜傳感器，其特征是，所述的等 強(qiáng)度懸臂梁，選擇碳纖維板作為基體，為保證其受力均勻產(chǎn)生均勻形變，等強(qiáng)度懸臂梁在有 效受力范圍內(nèi)設(shè)置為等腰三角形。
7. 如權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的可辨周向測斜傳感器，其特征是，所述的質(zhì)量 塊，材料選擇為銅，形狀為圓柱形，將其粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁底端，用于產(chǎn)生作用力。
8. 如權(quán)利要求2所述的基于光纖光柵的可辨周向測斜傳感器，其特征是，所述敏感光 柵，用α-氰基丙烯酸乙酯將柵區(qū)粘貼于等強(qiáng)度懸臂梁上； 所述溫度補(bǔ)償光柵，用α -氰基丙烯酸乙酯將柵區(qū)粘貼于傳感器外殼內(nèi)壁上，與敏感 光棚串聯(lián)。
9. 如權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的可辨周向測斜傳感器，其特征是，當(dāng)傳感器向 某一方向傾斜使得兩個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁均發(fā)生形變時(shí)，設(shè)Θ為其中一個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁傾斜 的角度，W為另一個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁傾斜的角度，Φ為傳感器在堅(jiān)直方向的傾斜角度；
其中，F(xiàn)為外界作用力，1為懸臂梁的長度；Idci為固定端的寬；h為懸臂梁的厚度；E為懸 臂梁的彈性模量，λ B為光柵波長，Λ λ 光柵波長變化，由上式知，Θ、口可由波長解析得 出。
10.如權(quán)利要求9所述的基于光纖光柵的可辨周向測斜傳感器，其特征是，建立XYZ坐 標(biāo)系，X' Y' Z'為傳感器傾斜之后的坐標(biāo)系； 傳感器傾斜后與Z軸方向夾角，求解時(shí)： 令Z = (0,0,1),傾斜后可求得之' =(cos0 , cos
(67，sinSsin^?),貝1J， 所以，求得傳感器傾斜后與Z軸方向夾角
映射到XY平面上，設(shè)傾斜的方向與X軸正方向夾角為〇，令1 = (1,0,0)， ，=(GOS Θ, cos 爐,0)，則，
所以，求得傳感器的傾斜方向與X軸正方向夾角：
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于光纖光柵的可辨周向測斜傳感器，包括傳感器外殼，所述傳感器外殼內(nèi)設(shè)置有兩對固定件，每對固定件用于固定相應(yīng)的一個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁，兩個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁在空間上相互垂直但不接觸，每個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁底部粘貼有質(zhì)量塊，兩根光纖尾纖從傳感器外殼頂端引出，套入空心保護(hù)管后與解調(diào)儀連接；空間上相互垂直的兩個(gè)等強(qiáng)度懸臂梁，在傳感器傾斜時(shí)產(chǎn)生形變以測得傳感器在z軸方向的傾斜角度，同時(shí)，通過等強(qiáng)度懸臂梁形變時(shí)映射到xy平面上的位移，測得在xy平面上的傾斜方向，從而實(shí)現(xiàn)可辨周向的斜度測量。本發(fā)明測量精確，結(jié)構(gòu)簡單。
【IPC分類】G01C9-00
【公開號】CN104764438
【申請?zhí)枴緾N201510203232
【發(fā)明人】曹玉強(qiáng), 姜明月, 蔣善超, 隋青美, 王靜
【申請人】山東大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月23日