[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于齒輪旋轉(zhuǎn)式光纖Bragg光柵大位移傳感器及其使用方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310667211.6
• 申請(qǐng)日: 2013-12-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103673898A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李川;莊君剛
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01B11/02
• 分類(lèi)號(hào): G01B11/02
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于齒輪旋轉(zhuǎn)式光纖Bragg光柵大位移傳感器及其使用方法，屬于光電子測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來(lái)我國(guó)橋梁垮塌、隧道塌方、沿途滑坡等事故頻發(fā)，及時(shí)準(zhǔn)確掌握土木結(jié)構(gòu)中的裂縫變化、相對(duì)位置滑動(dòng)等狀況使位移量檢測(cè)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(guò)梁（彈片）的形變轉(zhuǎn)換到光柵的應(yīng)變，通過(guò)解調(diào)光柵波長(zhǎng)漂移來(lái)測(cè)量相應(yīng)的位移。這種傳感器具有精度高、抗電磁干擾、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且能滿(mǎn)足分布式測(cè)量，缺點(diǎn)是量程小（一般小于200mm），又難于封裝成適合工程應(yīng)用的傳感器。

與本發(fā)明接近的是一種光纖光柵位移傳感器（參見(jiàn)文獻(xiàn)：李麗君，“一種光纖光柵位移傳感器”，發(fā)明專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)，2010年06月，授權(quán)公告號(hào)：CN?101762247?A）。該技術(shù)采用角位移轉(zhuǎn)換裝置對(duì)外部大位移進(jìn)行測(cè)量。由于角位移轉(zhuǎn)換裝置采用的多級(jí)齒輪，易出現(xiàn)測(cè)量偏差且難于封裝。本發(fā)明采用階梯軸將兩個(gè)半徑不同的齒輪固定在同一軸上，將直線運(yùn)動(dòng)的大位移通過(guò)兩個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)化，最終作用至粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁上的光纖Bragg光柵上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大位移和溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于齒輪旋轉(zhuǎn)式光纖Bragg光柵大位移傳感器及其使用方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)大位移和溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明的傳感器的結(jié)構(gòu)為：包括位移測(cè)量和傳遞裝置、位移大小轉(zhuǎn)換裝置和位移感應(yīng)裝置，且上述裝置均固定在金屬盒17內(nèi)部，位移測(cè)量和傳遞裝置的主體是通過(guò)齒條套管Ⅰ12和齒條套管Ⅱ13固定在金屬盒17內(nèi)部的齒條Ⅰ5，齒條Ⅰ5的上端伸出金屬盒17外部并通過(guò)位移限位套管11固定；位移大小轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)是階梯軸10同軸連接大齒輪3和小齒輪4；位移感應(yīng)裝置的主體是通上端過(guò)齒條套管Ⅲ14套合、下端通過(guò)等強(qiáng)度懸臂梁2固定連接的齒條Ⅱ6，等強(qiáng)度懸臂梁2的上下表面安裝有光纖Bragg光柵1；齒條Ⅰ5與大齒輪3嚙合，齒條Ⅱ6與小齒輪4嚙合。

所述齒條Ⅰ5底端通過(guò)彈簧Ⅰ15安裝在金屬盒17內(nèi)部，齒條Ⅱ6的頂端通過(guò)彈簧Ⅱ固定在金屬盒17內(nèi)。

所述階梯軸10的兩端分別通過(guò)滾動(dòng)軸承Ⅰ8和滾動(dòng)軸承Ⅱ9安裝在金屬盒17內(nèi)部。

所述光纖Bragg光柵1安裝在等強(qiáng)度懸臂梁2的上下表面中心軸線處。

所述光纖Bragg光柵1黏貼在等強(qiáng)度懸臂梁2上。

本發(fā)明傳感器的使用方法是在傳感器內(nèi)部建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)傳感器實(shí)際測(cè)量得到的數(shù)值后轉(zhuǎn)換到光纖Bragg光柵的Bragg波長(zhǎng)移位可以計(jì)算出位移傳感器所測(cè)的位移。具體步驟包括如下：

（1）通過(guò)測(cè)量接觸頭7測(cè)量應(yīng)變位移，齒條Ⅰ5的大位移通過(guò)大齒輪3同軸轉(zhuǎn)換為小齒輪4的小位移，然后再通過(guò)齒條Ⅱ6引起等強(qiáng)度懸臂梁2的形變，等強(qiáng)度懸臂梁的變形引起光纖Bragg光柵的形變，得到應(yīng)變位移和溫度引起的光纖Bragg光柵的波長(zhǎng)移位量???????????????????????????????????????????????為：

式中，是應(yīng)變靈敏系數(shù)，大小為，其中為有效彈-光系數(shù)，其值為=0.22，?是溫度靈敏系數(shù)，是光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)，是光纖Bragg光柵所受應(yīng)變量，是光纖Bragg光柵的溫度變化量；

（2）將等強(qiáng)度懸臂梁2上下表面安裝兩個(gè)初始波長(zhǎng)相同的光纖Bragg光柵波長(zhǎng)移位相減，消除環(huán)境溫度的影響，得到上、下表面兩個(gè)光纖Bragg光柵的波長(zhǎng)移位差值為：

???????????????????????????????????????????????

式中，?，分別為波上、下表面的光纖Bragg光柵波長(zhǎng)移位量；

（3）根據(jù)材料力學(xué)，得到等強(qiáng)度懸臂梁撓度f(wàn)引起等強(qiáng)度懸臂梁中心軸向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

再根據(jù)傳感器中齒輪與齒條的位置關(guān)系，得到光纖Bragg光柵的Bragg波長(zhǎng)移位與外部實(shí)際位移的關(guān)系為：

式中，h為等強(qiáng)度梁的厚度，為等強(qiáng)度梁長(zhǎng)度，f為等強(qiáng)度懸臂梁自由端撓度，S為齒條Ⅰ5的位移（即為外部的實(shí)際位移），為大齒輪3的半徑，為小齒輪4的半徑。

本發(fā)明技術(shù)的數(shù)學(xué)模型如下：

等強(qiáng)度懸臂梁的變形引起光纖Bragg光柵的形變，若測(cè)量過(guò)程中溫度變化了，則應(yīng)變和溫度引起的光纖Bragg光柵的波長(zhǎng)移位量為：

???????????????????????????????????????????????（1）