[發明專利]一種基于齒輪旋轉式光纖Bragg光柵位移傳感器及其使用方法

有效

• 申請號: 201310600168.1
• 申請日: 2013-11-25
• 公開（公告）號: CN103644847A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 李川;莊君剛
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于齒輪旋轉式光纖Bragg光柵位移傳感器及其使用方法，屬于光電子測量技術領域。

背景技術

近年來我國橋梁垮塌、隧道塌方、沿途滑坡等事故頻發，及時準確掌握土木結構中的裂縫變化、相對位置滑動等狀況使位移量檢測顯得尤為重要。目前，已有的光纖光柵位移傳感器一般是將光纖光柵固定在各種彈性梁上，把位移通過梁（彈片）的形變轉換到光柵的應變，通過解調光柵波長漂移來測量相應的位移。這種傳感器具有精度高、抗電磁干擾、化學性質穩定且能滿足分布式測量，缺點是量程小（一般小于200mm），又難于封裝成適合工程應用的傳感器。與本發明接近的是一種光纖光柵位移傳感器（參見專利，授權公告號：CN?101762247?A）。該技術采用角位移轉換裝置對外部位移進行測量。由于角位移轉換裝置采用的多級齒輪，易出現測量偏差且難于封裝。

本發明采用階梯軸將兩個半徑不同的齒輪固定在同一軸上，將直線運動的位移通過兩個齒輪的轉化，最終作用至粘貼在懸臂梁上的光纖Bragg光柵上，實現了對位移的實時在線監測。

發明內容

本發明提供了一種基于齒輪旋轉式光纖Bragg光柵位移傳感器及其使用方法，以用于解決對位移的在線監測及易受電磁干擾的影響、準確度不高的問題。

本發明的技術方案是：一種基于齒輪旋轉式光纖Bragg光柵位移傳感器，包括光纖Bragg光柵1、懸臂梁2、齒輪Ⅰ3、齒輪Ⅱ4、齒條Ⅰ5、齒條Ⅱ6、測量接觸頭7、滾動軸承Ⅰ8、滾動軸承Ⅱ9、階梯軸10、位移限位套管11、齒條套管Ⅰ12、齒條套管Ⅱ13、齒條套管Ⅲ14、彈簧Ⅰ15、彈簧Ⅱ16、金屬盒17、外接光纖18、滾動軸承Ⅰ底座和滾動軸承Ⅱ底座；其中光纖Bragg光柵1、懸臂梁2、齒輪Ⅰ3、齒輪Ⅱ4、齒條Ⅰ5、齒條Ⅱ6、滾動軸承Ⅰ8、滾動軸承Ⅱ9、階梯軸10、齒條套管Ⅰ12、齒條套管Ⅱ13、齒條套管Ⅲ14、彈簧Ⅰ15、彈簧Ⅱ16、滾動軸承Ⅰ底座和滾動軸承Ⅱ底座被封裝在金屬盒17的內部，光纖Bragg光柵1粘貼于懸臂梁2上、下表面中心軸上并引出矩形金屬盒17外，齒輪Ⅰ3與齒輪Ⅱ4通過階梯軸10同軸的串在一起，齒條Ⅰ5頂部與測量接觸頭7連接，齒條Ⅰ5中部與齒輪Ⅰ3吻合，齒條Ⅰ5底部與彈簧Ⅰ15相連，齒條Ⅱ6中部與齒輪Ⅱ4吻合，齒條Ⅱ6上部接有彈簧Ⅱ16，齒條Ⅱ6底部與懸臂梁2自由端相連，階梯軸10固定在滾動軸承Ⅰ8和滾動軸承Ⅱ9上，滾動軸承Ⅰ底座和滾動軸承Ⅱ底座將滾動軸承Ⅰ8、滾動軸承Ⅱ9固定在矩形金屬盒17內部，位移限位套管11與測量接觸頭7為一體，位移限位套管11的下端與齒條Ⅰ5連接并固定在金屬盒17的上端，齒條套管Ⅰ12、齒條套管Ⅱ13的一端焊接在金屬盒17的內壁上，齒條套管Ⅰ12、齒條套管Ⅱ13的另一端通過槽口與齒條Ⅰ5連接，齒條套管Ⅲ14的一端焊接在金屬盒17的內壁上，齒條套管Ⅲ14的另一端通過槽口與齒條Ⅱ6連接，光纖Bragg光柵1通過光纖引出孔引出外接光纖18。

一種基于齒輪旋轉式光纖Bragg光柵位移傳感器的使用方法，所述方法的具體步驟如下：

A、測量接觸頭7傳遞的位移被齒條Ⅰ5接受并作用至齒輪Ⅰ3，齒輪Ⅰ3旋轉將位移轉換成小角度；通過齒輪Ⅰ3與齒輪Ⅱ4的同軸旋轉，得到齒輪Ⅱ4與齒輪Ⅰ3旋轉角度相同，同時齒輪Ⅱ4與齒條Ⅱ6結合又將小角度轉換成小位移，齒條Ⅱ6最終將小位移作用至懸臂梁2的自由端，從而使粘貼于懸臂梁2上、下表面中心軸線上的光纖Bragg光柵1波長發生移位；

B、根據懸臂梁2上、下表面的光纖Bragg光柵1的波長移位差值???????????????????????????????????????????????與外部實際位移S的關系式計算外部實際位移；式中：為光纖Bragg光柵1的中心波長，P_e為有效彈-光系數，l為等截面梁長度，x為光纖Bragg光柵1的粘帖位置，h為等截面梁的厚度，R₁為齒輪Ⅰ3的半徑，R₂為齒輪Ⅱ4的半徑。

本發明的工作原理是：