基于光纤光栅的可辨周向测斜传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种可辨周向测斜的光纤光栅传感器。
【背景技术】
[0002] 自20世纪90年代以来，由于具有不受电磁干扰影响，尺寸小，重量轻，使用寿命长 等优点，光纤光栅传感技术发展迅速。传统的移动式、固定式测斜传感器已经广泛应用于 各种工程中斜度的监测中，如F. A. Tavenas提出了在岩土工程中应用测斜仪检测路堤软土 的侧向变形；王春晓采用三轴正交加速度传感器测量地球重力矢量和三轴正交磁强传感器 测量地磁场矢量来测量斜度。但传统测斜传感器存在较大的不足，如数据采集仪器会出现 漂移误差，测斜仪导轮磨损、偏移等会带来误差等。光纤光栅传感技术作为传感技术的新阶 段，它满足了测量的高精度、远距离和长期性要求，为解决上述关键问题提供了良好的技术 手段。因此光纤光栅测斜传感器正逐步应用于各种工程中。如裴华富通过梁的弯曲理论公 式和差分算法，根据光纤布拉格光栅波长变化与应变之间的线性关系求得原位测斜仪各测 点的应变来求得其斜度的变化。但关于可辨周向测斜的光纤光栅传感器的研究和应用很少 报道。
【发明内容】
[0003] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了基于光纤光栅的可辨周向测斜传感 器，本发明通过倾斜时等强度悬臂梁的应变与光纤光栅中心波长变化的关系测得倾斜的角 度，由于传感器内部有两个相互垂直但不接触的等强度悬臂梁，还可以利用空间向量法求 得倾斜的方向。
[0004] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0005] 基于光纤光栅的可辨周向测斜传感器，包括传感器外壳，所述传感器外壳内设置 有两对固定件，每对固定件用于固定相应的一个等强度悬臂梁，两个等强度悬臂梁在空间 上相互垂直但不接触，每个等强度悬臂梁底部粘贴有质量块，两根光纤尾纤从传感器外壳 顶端引出，套入空心保护管后与解调仪连接；
[0006] 空间上相互垂直的两个等强度悬臂梁，在传感器倾斜时产生形变以测得传感器在 z轴方向的倾斜角度，同时，通过等强度悬臂梁形变时映射到xy平面上的位移，测得在xy平 面上的倾斜方向，从而实现可辨周向的斜度测量。
[0007] 其中一根光纤尾纤与对应的敏感光栅相连，敏感光栅与粘贴在传感器外壳上内壁 上的温度补偿光栅相连，另一根光纤尾纤与对应的敏感光栅相连，敏感光栅分别粘贴在各 自对应的等强度悬臂梁上。
[0008] 所述传感器外壳为圆柱形，传感器外壳上端设置有与其相配合使用的传感器上 盖，传感器外壳下端设置有与其相配合使用的传感器底座，传感器上盖顶部有螺纹口以实 现光纤尾纤的引出。
[0009] 所述每对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为两 个大小不相等的长方体块，第一固定件及第二固定件二者高相等，但第一固定件的宽与第 二固定件的长相等，第一固定件用螺丝固定于传感器上盖内壁顶部。
[0010] 所述第二固定件用螺丝固定于第一固定件侧面，第一固定件和第二固定件之间夹 有等强度悬臂梁。
[0011] 所述第一固定件中间设有孔且与传感器上盖顶部的螺纹口相通，粘贴于等强度悬 臂梁表面的敏感光栅的光纤尾纤由此孔引出。
[0012] 所述的等强度悬臂梁，选择碳纤维板作为基体，为保证其受力均匀产生均匀形变， 等强度悬臂梁在有效受力范围内设置为等腰三角形。
[0013] 所述的质量块，材料选择为铜，形状为圆柱形，将其粘贴在等强度悬臂梁底端，用 于产生作用力。
[0014] 所述的敏感光栅，用α-氰基丙烯酸乙酯将栅区粘贴于等强度悬臂梁上。
[0015] 所述的温度补偿光栅，用α -氰基丙烯酸乙酯将栅区粘贴于传感器外壳内壁上， 与敏感光栅串联。
[0016] 当传感器向某一方向倾斜使得两个等强度悬臂梁均发生形变时，设Θ为其中一 个等强度悬臂梁倾斜的角度，P为另一个等强度悬臂梁倾斜的角度，Φ为传感器在坚直方 向的倾斜角度；
[0017]
【主权项】
1. 基于光纤光栅的可辨周向测斜传感器，其特征是，包括传感器外壳，所述传感器外壳 内设置有两对固定件，每对固定件用于固定相应的一个等强度悬臂梁，两个等强度悬臂梁 在空间上相互垂直但不接触，每个等强度悬臂梁底部粘贴有质量块，两根光纤尾纤从传感 器外壳顶端引出，套入空心保护管后与解调仪连接； 空间上相互垂直的两个等强度悬臂梁，在传感器倾斜时产生形变以测得传感器在Z轴 方向的倾斜角度，同时，通过等强度悬臂梁形变时映射到Xy平面上的位移，测得在Xy平面 上的倾斜方向，从而实现可辨周向的斜度测量。
2. 如权利要求1所述的基于光纤光栅的可辨周向测斜传感器，其特征是，其中一根光 纤尾纤与对应的敏感光栅相连，敏感光栅与粘贴在传感器外壳上内壁上的温度补偿光栅相 连，另一根光纤尾纤与对应的敏感光栅相连，敏感光栅分别粘贴在各自对应的等强度悬臂 梁上。
3. 如权利要求1所述的基于光纤光栅的可辨周向测斜传感器，其特征是，所述传感器 外壳为圆柱形，传感器外壳上端设置有与其相配合使用的传感器上盖，传感器外壳下端设 置有与其相配合使用的传感器底座，传感器上盖顶部有螺纹口以实现光纤尾纤的引出。
4. 如权利要求1所述的基于光纤光栅的可辨周向测斜传感器，其特征是，所述每对固 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为两个大小不相等的长方 体块，第一固定件及第二固定件二者高相等，但第一固定件的宽与第二固定件的长相等，第 一固定件用螺丝固定于传感器上盖内壁顶部。
5. 如权利要求4所述的基于光纤光栅的可辨周向测斜传感器，其特征是，所述第二固 定件用螺丝固定于第一固定件侧面，第一固定件和第二固定件之间夹有等强度悬臂梁； 所述第一固定件中间设有孔且与传感器上盖顶部的螺纹口相通，粘贴于等强度悬臂梁 表面的敏感光栅的光纤尾纤由此孔引出。
6. 如权利要求1或5所述的基于光纤光栅的可辨周向测斜传感器，其特征是，所述的等 强度悬臂梁，选择碳纤维板作为基体，为保证其受力均匀产生均匀形变，等强度悬臂梁在有 效受力范围内设置为等腰三角形。
7. 如权利要求1所述的基于光纤光栅的可辨周向测斜传感器，其特征是，所述的质量 块，材料选择为铜，形状为圆柱形，将其粘贴在等强度悬臂梁底端，用于产生作用力。
8. 如权利要求2所述的基于光纤光栅的可辨周向测斜传感器，其特征是，所述敏感光 栅，用α-氰基丙烯酸乙酯将栅区粘贴于等强度悬臂梁上； 所述温度补偿光栅，用α -氰基丙烯酸乙酯将栅区粘贴于传感器外壳内壁上，与敏感 光棚串联。
9. 如权利要求1所述的基于光纤光栅的可辨周向测斜传感器，其特征是，当传感器向 某一方向倾斜使得两个等强度悬臂梁均发生形变时，设Θ为其中一个等强度悬臂梁倾斜 的角度，W为另一个等强度悬臂梁倾斜的角度，Φ为传感器在坚直方向的倾斜角度；
其中，F为外界作用力，1为悬臂梁的长度；Idci为固定端的宽；h为悬臂梁的厚度；E为悬 臂梁的弹性模量，λ B为光栅波长，Λ λ 光栅波长变化，由上式知，Θ、口可由波长解析得 出。
10.如权利要求9所述的基于光纤光栅的可辨周向测斜传感器，其特征是，建立XYZ坐 标系，X' Y' Z'为传感器倾斜之后的坐标系； 传感器倾斜后与Z轴方向夹角，求解时： 令Z = (0,0,1),倾斜后可求得之' =(cos0 , cos
(67，sinSsin^?),贝1J， 所以，求得传感器倾斜后与Z轴方向夹角
映射到XY平面上，设倾斜的方向与X轴正方向夹角为〇，令1 = (1,0,0)， ，=(GOS Θ, cos 炉,0)，则，
所以，求得传感器的倾斜方向与X轴正方向夹角：
【专利摘要】本发明公开了基于光纤光栅的可辨周向测斜传感器，包括传感器外壳，所述传感器外壳内设置有两对固定件，每对固定件用于固定相应的一个等强度悬臂梁，两个等强度悬臂梁在空间上相互垂直但不接触，每个等强度悬臂梁底部粘贴有质量块，两根光纤尾纤从传感器外壳顶端引出，套入空心保护管后与解调仪连接；空间上相互垂直的两个等强度悬臂梁，在传感器倾斜时产生形变以测得传感器在z轴方向的倾斜角度，同时，通过等强度悬臂梁形变时映射到xy平面上的位移，测得在xy平面上的倾斜方向，从而实现可辨周向的斜度测量。本发明测量精确，结构简单。
【IPC分类】G01C9-00
【公开号】CN104764438
【申请号】CN201510203232
【发明人】曹玉强, 姜明月, 蒋善超, 隋青美, 王静
【申请人】山东大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月23日