一种光纤倾角传感器及其波分复用方法与流程

本发明属于大型工程结构倾角测量及光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤倾角传感器及其波分复用方法。

背景技术：

各种地面上的大型结构如高层建筑、桥梁、大坝、大型装备都要经常监测它们相对于铅垂线的倾斜角度。目前，倾角测量传感器从工作原理上可分为气体摆式、液体摆式、固体摆式三种。气体摆式有较强的抗振动或冲击能力，但气体运动控制比较复杂，且测量精度不高。液体摆式倾角传感器系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，但测量范围较小，对测量环境要求较高。固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，而在实用中产品类型较多为电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，但易受电磁干扰，复用性差，组网困难，难以满足工程大规模监测要求。

由于上述传统的倾角测量技术存在着种种弊端，近年来有人提出将光纤光栅传感技术应用于倾角测量。基于光纤光栅传感技术开发的倾角传感器具有如下优点：一是可靠性好，能够实现绝对测量；二是抗电磁干扰，电绝缘，能于易燃易爆环境下工作；三是复用性好，多个光纤传感器可以很容易地串接在同一光纤上，便于组成测量网络。到目前为止，虽然该项研究工作取得了一些重要成果，但对于工程应用还需要解决一些问题。例如，专利ZL200310113187.8提供的倾角测量传感器包括支架、摆锤、光栅，摆锤悬挂在支架上，能够自由地摆动，光纤光栅以能够阻止摆锤摆动的方式连接摆锤和支架，当被测物发生倾斜时，由于重力的作用，摆锤有发生摆动的趋势，从而使对称布置的光栅波长移动互为相反，通过测量光栅反射光的波长移动量来计算倾斜角度。专利ZL201110023193.9将摆锤与等强度梁连接，被测物发生倾斜时，摆锤的重力惯性作用传递到等强度梁上，使对称粘贴于等强度梁正反面的光栅光谱移动方向互为相反，通过测量光谱的移动来计算倾斜的角度。上述发明均采用光纤光栅作为传感元件，因而具有抗电磁干扰性好、复用性强、组网方便、温度自补偿等优点，但都有测量范围大时测量精度难以满足测量要求的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种光纤倾角传感器及其波分复用方法，结构简单、测量精度高、长期稳定性好。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种光纤倾角传感器，其特征在于：它包括外壳、转轴、摆臂和摆锤，其中转轴设置在外壳内的上部，摆锤通过摆臂连接在转轴上构成只能在唯一平面内摆动的单摆系统，所述的摆臂上设有中心孔，中心孔上设有滤光片，滤光片的两侧分别设有光的输入端和输出端，滤光片与输入端之间、滤光片与输出端之间均设有准直器，滤光片与准直器同轴。

按上述方案，它还包括安装底座，所述的外壳固定在安装底座上。

按上述方案，所述的准直器通过架体固定在安装底座上。

按上述方案，所述的架体为U形架，U形架由2个固定臂和底部的安装臂构成，2个准直器分别固定在2个固定臂上，安装臂固定在所述的安装底座上，所述的摆臂和摆锤位于2个固定臂之间。

一种波分复用的光纤倾角采集系统，其特征在于：它包括若干个所述的光纤倾角传感器、2个1×n分路器、1个宽带光源和1个波长解调仪，其中1个1×n分路器将宽带光源的光分为n路，分别经过若干个光纤倾角传感器后，由另1个1×n分路器汇为一路光信号传输给波长解调仪。

按上述系统，若干个所述的光纤倾角传感器的透射光波长λ₁,λ₂...λ_n的间距满足|λ_i-λ_i-1|>1nm，其中λ_i为第i个光纤倾角传感器的透射光波长，i的范围为2≤i≤n，n为光纤倾角传感器的总个数，与1×n分路器的分路数相同。

按上述系统，若干个所述的光纤倾角传感器的滤光片透射光的波长均在所述的宽带光源的波长带宽范围内。

一种波分复用的光纤倾角采集系统的波分复用方法，其特征在于：宽带光源发出的光经过1个1×n分路器被分成n路宽带光，分别进入n个光纤倾角传感器，透射光波长分别为λ₁,λ₂...λ_n，再经过另1个1×n分路器合成1路光信号后由波长解调器解调。

本发明的有益效果为：

1、当被测结构产生倾斜时，安装在结构上的光纤倾角传感器也同时发生倾斜，摆锤由于重力惯性作用，保持竖直方向不变，此时准直器入射光线与滤光片表面夹角发生了变化，夹角变化量与结构倾斜角度相同，实际使得入射光通过滤波片的光程发生变化，因干涉而透过滤波片的光波波长也相应地发生变化，且透射光波长的变化与倾斜角度变化成近似线性关系，因而通过测量透射光的波长移动，就可以测量结构的倾斜角度。本发明采用滤光片作为倾角传感器的传感元件，不仅传感原理简单，而且测量精度高、长期稳定性好，转轴的使用使得摆锤只能在唯一平面内摆动，避免测量时滤波片跑偏。

2、采用1对分路器将多个光纤倾角传感器复用到一根光纤上，提高了传感网络的容量，降低了测量成本。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为本发明一实施例的方法原理示意图。

图3为本发明一实施例的传感器标定曲线图。

图中：1-安装底座，2-外壳，3-转轴，4-摆臂，5-摆锤，6-滤光片，7-U形架，8-输入端，9-准直器，10-输出端。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种光纤倾角传感器，如图1所示，包括外壳2、转轴3、摆臂4和摆锤5，其中转轴3设置在外壳2内的上部，摆锤5通过摆臂4连接在转轴3上构成只能在唯一平面内摆动的单摆系统，所述的摆臂4上设有中心孔，中心孔上设有滤光片6，滤光片6的两侧分别设有光的输入端8和输出端10，滤光片6与输入端之间、滤光片6与输出端之间均设有准直器9，滤光片6与准直器9同轴。

进一步的，它还包括安装底座1，所述的外壳2固定在安装底座1上。

进一步的，所述的准直器9通过架体固定在安装底座1上。本实施例中，所述的架体为U形架7，U形架7由2个固定臂和底部的安装臂构成，2个准直器9分别固定在2个固定臂上，安装臂固定在所述的安装底座1上，所述的摆臂4和摆锤5位于2个固定臂之间。

当一束宽带光通过准直器9射向滤光片6时，其透射光波长与滤光片6的倾角成近似线性关系，通过测量透射光的波长，即可计算出倾角数据。

如上所述的光纤倾角传感器，其中，滤光片6是传感元件，透射光的波长决定于滤光片6的厚度、材料折射率和倾角(滤光片6表面与竖直线的夹角)，初始倾角通常设计不为零，根据倾角传感器的测量量程而定，其原则是在测量区间内，倾角与波长的线性度越高越好。

一种波分复用的光纤倾角采集系统，如图2所示，它包括若干个所述的光纤倾角传感器(即图中的S1-Sn)、2个1×n分路器、1个宽带光源和1个波长解调仪，其中1个1×n分路器将宽带光源的光分为n路，分别经过若干个光纤倾角传感器后，由另1个1×n分路器汇为一路光信号传输给波长解调仪。

为了能够更好的解调波长，若干个所述的光纤倾角传感器的透射光波长λ₁,λ₂...λ_n的间距满足|λ_i-λ_i-1|>1nm，其中λ_i为第i个光纤倾角传感器的透射光波长，i的范围为2≤i≤n，n为光纤倾角传感器的总个数，与1×n分路器的分路数相同。

光片与宽带光源要匹配，即保证所有倾角传感器在工作过程中，若干个所述的光纤倾角传感器的滤光片透射光的波长均在所述的宽带光源的波长带宽范围内。

一种波分复用的光纤倾角采集系统的波分复用方法，宽带光源发出的光经过1个1×n分路器被分成n路宽带光，分别进入n个光纤倾角传感器，透射光波长分别为λ₁,λ₂...λ_n，再经过另1个1×n分路器合成1路光信号后由波长解调器解调。

本实施例中，设计一款倾角测量范围为±3°的光纤倾角传感器，对其传感性能进行测试，并采用波分复用方法组成传感网络。对本实施例说明要点如下：

1)光纤倾角传感器的初始倾角均为8°；

2)4个光纤倾角传感器透射光初始波长分别为1294.25nm、1300.15nm、1307.20nm和1314.08nm；

3)采用1对1×4分路器对4个光纤倾角传感器进行波分复用，即n＝4；

4)波长解调系统采用的光源带宽为40nm(1284nm～1324nm)

实验测得4个光纤倾角传感器的灵敏度及线性度如图3所示。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。