一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器，它包括光纤光栅、弹簧以及矩形的外壳体，外壳体内侧壁的适配位置固连有支架板，支架板的自由端中部设有凹槽，且凹槽顶端设有套装转轴的套筒，齿轮的偏心点穿过转轴中部并相连为一体，所述的齿轮下端与固定在外壳体下部支杆上的齿条相啮合，齿条的一端与测量杆固连，测量杆穿过并探出相邻的外壳体侧壁与被测结构接触，该齿条的另一端通过平行固连的弹簧与另一端的外壳体侧壁相连，两个光纤光栅对称设于支架板的上、下表面。本发明解决了现有光纤光栅位移传感器测量量程小，不能改变量程和精度问题，且操作简单，性能稳定、可靠、精度高，是各种工程结构的健康监测的首选。
【专利说明】
一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器
技术领域
[0001]本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器，属于光纤传感技术领域。
【背景技术】
[0002]以光纤光栅为基本测试单元的传感器具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰等诸多优点，目前已被广泛应用于工程结构的健康监测中。其中，在应变和温度两个方面对光纤光栅传感技术的应用和研究是最多的，而对于位移监测方面的研究和应用相对较少。大部分光纤光栅位移传感器都是基于悬臂梁结构设计的，该结构是将光纤光栅粘贴在悬臂梁表面，当悬臂梁自由端受力产生位移时，粘贴在悬臂梁表面的光纤光栅发生应变，从而引起光纤光栅反射波长的漂移。通过波长漂移量的大小可以计算出悬臂梁悬臂端位移的大小，从而实现位移的测量。光纤光栅主要由石英组成，材料特性决定其所能承受的最大应变范围一般为3000至5000微应变，这就限制了由位移直接转化成应变的光纤光栅位移传感器的量程。因此直接利用悬臂梁结构的光纤光栅位移传感器的测量范围是有限的。此外，由于粘贴后的光纤光栅位置难以改变，所以通过改变光纤光栅的粘贴位置来改变传感器的量程和精度在实际操作中也很难实现。
【发明内容】
[0003]本发明就是针对上述问题提出来的，目的就是提供一种解决现有光纤光栅位移传感器测量量程小，不能改变量程和精度问题的可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器，且达到结构简单，性能稳定、可靠、精度高，适合各种工程结构健康监测的目的。
[0004]为了实现上述目的，本发明解决技术问题的技术方案是:
[0005]—种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器，包括:光纤光栅、齿轮、齿条以及矩形的外壳体，在其外壳体内侧壁的适配位置固连有支架板，该支架板的自由端中部设有凹槽，且凹槽顶端设有套装转轴的套筒，齿轮的偏心点穿过转轴中部并相连为一体，所述的齿轮下端与固定在外壳体下部支杆上的齿条相啮合，该齿条的一端与测量杆固连，测量杆穿过并探出相邻的外壳体侧壁与被测结构接触，该齿条的另一端通过平行固连的弹簧与另一端的外壳体侧壁相连，两个光纤光栅对称设于支架板的上、下表面。
[0006]所述的齿条宽度大于齿轮宽度。
[0007]所述的齿条的截面大于测量杆的截面。
[0008]所述的测量杆外径要小于与其穿过并探出的相邻外壳体侧壁孔的外径2?5_。
[0009]所述的外壳体由不锈钢板制成。
[0010]由于采用上述结构，使得本发明具有下列优点和效果:
[0011]本发明位移传感器主要通过偏心齿轮将待测位移转化成悬臂梁悬臂端的挠度，进而引起悬臂梁上的应变变化，悬臂梁的应变变化引起粘贴于梁上的光纤光栅波长的漂移，通过光纤光栅波长漂移值可得出所测位移大小。通过偏心齿轮将位移缩小可实现大量程光纤光栅位移传感器的目的。齿轮沿着径向设有不同的偏心点，可根据具体的量程和精度要求调节偏心距从而实现量程和精度的切换，实现可调量程和精度的光纤光纤位移传感器的目的。本发明有效地解决了现有光纤光栅位移传感器测量量程小，不能改变量程和精度问题，且操作简单，性能稳定、可靠、精度高，是各种工程结构的健康监测的首选。
[0012]本发明支架板相当于是悬臂梁，在支架板的悬臂端连接一个可以绕轴自由转动的偏心齿轮，偏心齿轮与测量杆端部固连的齿条咬合。当被测结构位移发生变化时测量杆开始运动并带动偏心齿轮转动。由于齿轮是偏心轮，所以齿轮在转动过程中会带动支架板的悬臂端发生运动，从而使悬臂梁上的光纤光栅产生应变，通过光纤光栅的波长漂移量可计算出测量杆的位移，即所测位移值。光纤光栅对应变和温度变化同时敏感，支架板上下表面的两个光纤光栅处于同一环境温度场中，因此由温度变化所引起的两个光纤光栅波长的变化是相等的。无论支架板是向上还是向下弯曲，两个光纤光栅总是一个感受正应变，另一个感受负应变，且两者的绝对值相等，通过运算可以消除温度对光纤光栅波长漂移的影响，使得位移测量更加精确。
【附图说明】
[0013]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0014]图1是本发明一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器主视结构示意图；
[0015]图2是本发明图1的1-1剖视结构示意图；
[0016]图3是本发明一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器的原理示意图。
[0017]图中:外壳体I，光纤光栅2，支架板3，齿轮4，被测结构5，测量杆6，齿条7，支杆8，弹簧9，转轴10，悬臂梁自由端挠度Ah 11，齿轮偏心距r 12，齿轮转动角度α(0-3?)13，齿轮转动的弧长S 14，支架板的长度L 15，光栅栅区与固定端的距离X 16。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围不受具体的实施例所限制，以权利要求书为准。另外，以不违背本发明技术方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。
[0019]实施例1
[0020]图1、2所示一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器，包括:光纤光栅、齿轮、齿条以及矩形的外壳体，其不锈钢板制成的外壳体I内侧壁的适配位置固连有支架板3，该支架板3的自由端中部设有凹槽，且凹槽顶端设有套装转轴10的套筒，齿轮4的偏心点A穿过转轴10中部并相连为一体，所述的齿轮4下端与固定在外壳体I下部支杆8上的齿条7相嗤合，齿条7宽度大于齿轮4宽度，该齿条7的一端与测量杆6固连，齿条7的截面大于测量杆6的截面，测量杆穿过并探出相邻的外壳体I侧壁孔，测量杆(6)外径小于外壳体⑴侧壁孔的外径2?5mm并与被测物体5接触，该齿条7的另一端通过平行固连的弹簧9与另一端的外壳体I侧壁通过螺栓相连，两个光纤光栅2对称设于支架板3的上、下表面。
[0021]实施例2
[0022]图1、2所示一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器，包括:光纤光栅、弹簧以及矩形的外壳体，其外壳体I内侧壁的适配位置固连有支架板3，该支架板3的自由端中部设有凹槽，且凹槽顶端设有套装转轴10的套筒，齿轮4的偏心点穿过转轴10中部并相连为一体，所述的齿轮4下端与固定在外壳体I下部支杆8上的齿条7相嗤合，该齿条7的一端与测量杆6固连，测量杆穿过并探出相邻的外壳体I侧壁与被测物体5接触，该齿条7的另一端通过平行固连的弹簧9与另一端的外壳体I侧壁相连，两个光纤光栅(2)对称设于支架板3的上、下表面。
[0023]本发明的一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器的工作原理如下:
[0024]如图3所示，悬臂梁自由端挠度Ah11，齿轮偏心距r 12，齿轮转动角度Ct(O-Ji) 13，齿轮转动的弧长S 14，支架板的长度L15，光栅栅区与固定端的距离X 16。
[0025]设光纤光栅粘贴部位离支架板固定端的距离为X，支架板面为矩形，有效长度为L，宽度为b，厚度为h。支架板悬臂端在偏心齿轮的带动下支架板的挠度为Ah，光纤光栅波长漂移量为ΑλΒ。
[0026]根据材料力学公式:(Μ—弯矩，F—力，ω一烧度，I一截面惯性矩，E—弹性模量)
[0027]M(X)=-F(L-X) (I)
[0028]EIco"=-M(x)+FL_Fx (2)
[0029]EI ω ’ =FLx_1/2Fx2+Ci (3)
[0030]EI ω =1/2FLx2-1/6Fx3+Cix+C2 (4)
[0031]由支架板的边界条件可得:
[0032]在χ= ο处，ω =0，C2 = 0
[0033]在χ= ο处，ω =0 = O，Ci = O
[0034]ω =FLx2/2EI_FL3/6EI2 (5)
[0035]在自由端时，烧度有最大值:
[0036]gpx = L时，
[0037]comax=FL3/3EI (6)
[0038]comax=Ah (7)
[0039]M=F(L-X) =3EII Ah(L_x)/L3 (8)
[0040]贝IJx处的应变^与11的关系为:(σ—应力，W—弯曲截面系数)
[0041 ] εχ=σ/Ε (9)
[0042]o=M/ff (10)
[0043]￡x=3hAh(L-x)/2L3 (11)
[0044]当应变为^时，光纤光栅的波长漂移量为:
[0045]ΔλΒ/Κε = εχ (12)
[0046]ΔλΒ = Κεεχ (13)
[0047]AAB = 3KehAh(L-x)/2L3 (14)
[0048](Κε—光纤光栅应变灵敏度系数)
[0049]当测量杆发生Al的位移为时，齿轮与齿条咬合，在齿条的带动下转动，齿轮转动的弧长也为△ I。设齿轮转动的角度为α，齿轮直径为D，半径为R，齿轮轴心偏心距为r。则有:
[0050]Δ l=aD = 2aR (15)[0051 ] α = Δ 1/2R (16)
[0052]Δ h = rsina = rrsin( Δ 1/2R) (17)
[0053]AAB = 3Kehr(L-x)sin( Δ 1/2R)/2L3 (18)
[0054]式(18)即为光纤光栅波长漂移量ΔλΒ与实际测量杆所测位移Al之间的关系。偏心齿轮的作用是将待测位移值缩小后转化成悬臂梁悬臂端的位移，从而实现大量程光纤光栅位移传感器的目的。通过调节齿轮的偏心距r的大小可以很方便的实现测量量程和精度的扩大和缩小。
[0055]本发明的一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器具体使用时:
[0056]在位移测量开始前，连接齿条的弹簧9处于自由状态，测量杆6全部探出不锈钢板制成的外壳体I的圆形开孔外侧。齿轮4的偏心点A处于最低点，支架板3处于水平无应变状态，光纤光栅2的波长无漂移。
[0057]当进行位移测量时，测量杆6的端部与被测结构5接触，然后将整个本发明传感器固定于不受被测结构5位移影响的物体上。被测结构5位移变化引起测量杆6沿轴线方向挤压弹簧9并带动与其紧密咬合的齿轮4 一起运动，测量杆6的直线运动转化成齿轮4的圆周运动。由于齿轮4是绕偏心点A做顺时转动，随着齿轮4的转动，支架板3自由端也随着A点有向上的运动并产生一定的挠度A h。由于支架板3是悬臂梁结构，自由端的挠度会引起梁上应变的变化，进而引起粘贴在其上、下表面的光纤光栅2波长的漂移。支架板3向上弯曲，下侧受拉，上侧受压，下侧光纤光栅感受正应变，上侧光纤光栅感受负应变，且两者的绝对值相等，感受正应变的光纤光栅波长变化值与感受负应变的光纤光栅波长变化值之差即为排除温度影响后的光纤光栅波长变化值的两倍。进而可以得到精确的位移变化引起的光纤光栅波长漂移值A λΒ。通过波长漂移值Δ λΒ与位移Δ I的关系式Δ AB = 3Kehr(L-x)sin( Δ 1/2R)/2L3可得出所测位移值△ I，实现光纤光栅位移传感器的测量目的。
[0058]测量结束后，测量杆在弹簧的弹力作用下恢复初始位置。
[0059]齿轮4沿着径向设有不同的偏心点，可根据具体的精度和量程要求调节偏心距r(更换偏心点A的位置，即转轴10的位置)，实现精度和量程的切换，且操作简单。
【主权项】
1.一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器，包括:光纤光栅、齿轮、齿条以及矩形的外壳体，其特征在于外壳体(I)内侧壁的适配位置固连有支架板(3)，该支架板(3)的自由端中部设有凹槽，且凹槽顶端设有套装转轴(10)的套筒，齿轮(4)的偏心点穿过转轴(10)中部并相连为一体，所述的齿轮(4)下端与固定在外壳体(I)下部支杆(8)上的齿条(7)相啮合，该齿条(7)的一端与测量杆(6)固连，测量杆穿过并探出相邻的外壳体(I)侧壁与被测结构(5)接触，该齿条(7)的另一端通过平行固连的弹簧(9)与另一端的外壳体(I)侧壁相连，两个光纤光栅(2)对称设于支架板(3)的上、下表面。2.根据权利要求1所述的一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器，其特征在于所述的齿条(7)宽度大于齿轮(4)宽度。3.根据权利要求1或2所述的一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器，其特征在于所述的齿条(7)的截面大于测量杆(6)的截面。4.根据权利要求1所述的一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器，其特征在于所述的测量杆(6)外径要小于与其穿过并探出的相邻外壳体(I)侧壁孔的外径2?5_。5.根据权利要求1所述的一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器，其特征在于所述的外壳体(I)由不锈钢板制成。
【文档编号】G01B11/02GK105841619SQ201610159291
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】孙丽, 夏阳, 刘海成, 康奎久
【申请人】沈阳建筑大学, 沈阳优易施建筑科技开发有限公司