[發(fā)明專利]新型光纖光柵二維傾斜角度傳感器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910097186.6
• 申請日: 2009-03-26
• 公開（公告）號: CN101603827A
• 公開（公告）日: 2009-12-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 董新永;何少靈;倪凱;沈常宇;王劍鋒;康娟;馬學(xué)條
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計量學(xué)院
• 主分類號: G01C9/14
• 分類號: G01C9/14;G01D5/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及光纖光柵應(yīng)用與傾斜角度測量技術(shù)。

背景技術(shù)

日常生活中，我們經(jīng)常需要測量一些設(shè)備、建筑等在建造或安裝時是否傾斜。當(dāng)傾斜角度比較大時，我們可以簡單地用量角器等現(xiàn)成的工具進(jìn)行較粗略的測量，而當(dāng)傾斜角度很小(如小于5°)時，用這種方法就難以實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的測量。后來人們提出了一些如用電容變化來測量傾斜角度的傳感器，但電信號容易受到電磁干擾，因此其適用范圍受到很大的限制，并且它的測量精度不高，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。

布拉格光纖光柵是20世紀(jì)90年代以來國際上新興的一種在光纖通信、光纖傳感及光信息處理領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景的基礎(chǔ)性光纖器件。在特制光纖上用紫外光刻制光纖光柵，制成點(diǎn)式光纖傳感探頭，應(yīng)變或溫度變化可引起光纖光柵中心反射波長的漂移，通過該漂移量來反推出應(yīng)變和溫度變化。通常采用寬光譜光源和解調(diào)系統(tǒng)實(shí)施對應(yīng)變和溫度的檢測，采用波分、時分和碼分技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量，組成應(yīng)變、溫度傳感網(wǎng)絡(luò)。布拉格光纖光柵傳感器具有適應(yīng)惡劣工作環(huán)境、抗電磁干擾、集傳感與傳輸于一體、構(gòu)造簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行高精度測量、準(zhǔn)分布式測量。國內(nèi)外已將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于大型土木建筑工程、電力工程、石化工業(yè)等安全健康監(jiān)控領(lǐng)域。近年來，國內(nèi)外不少高等院校、研究所和公司開展了光纖光柵傳感技術(shù)的研究和實(shí)施了大量的應(yīng)用工程。也有人提出了基于光纖光柵的傾斜傳感器設(shè)計，利用鐘擺結(jié)構(gòu)將角度變化產(chǎn)生的力通過力矩作用于數(shù)個光纖光柵上，然后測量光纖光柵的波長漂移，通過漂移計算得到傾斜的角度和方向。但是，所提出的方案，需要將光纖光柵貼在懸壁梁表面上或固定在鋼性框架上，傾斜產(chǎn)生的力需要通過中間裝置傳遞到光纖光柵，裝置的機(jī)械接觸、摩擦、轉(zhuǎn)動都會帶來較大的誤差，因此對裝置的剛性連接和穩(wěn)定性要求非常高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種新型光纖光柵二維傾斜角度傳感器，采用光纖光柵應(yīng)變效應(yīng)原理，直接將力作用于光纖光柵上，不需要中間傳遞裝置，因此結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高且價格低，可以測量二維傾斜角度的大小和方向。本發(fā)明中用了三個光纖布拉格光柵，每個光纖光柵一端的尾纖被固定在頂盤上，且三個固定點(diǎn)與頂盤中心的連線互成120°(如附圖1所示)，另外一端的尾纖匯集在一起(中間的長度一致)吊住一個重物。當(dāng)裝置傾斜時，其受力平衡被改變，三個光纖光柵所受的力也因此改變，導(dǎo)致光柵波長的漂移，通過測量三個光柵的波長漂移量，可以計算出傾斜的角度和方向。而且，由于溫度變化引起的三個光纖光柵的波長漂移量是相等的，在分析計算中可以進(jìn)行補(bǔ)償，因此這樣還可以消除溫度變化對測量結(jié)果帶來的影響。具體理論分析如下：

當(dāng)傳感器處于水平時，如附圖2，設(shè)頂盤的半徑為r，光纖的長度為l，我們就可以計算出各光纖光柵與豎直方向的夾角，假設(shè)分別為φ₁，φ₂，φ₃，可知：

φ1=φ2=φ3=arcsin(rl)]]>

根據(jù)受力分析，我們可以得到：

F1=F2=F3=mg3cosφi]]>