分布式帶溫度補償的高精度光纖光柵位移傳感器及方法與流程

本發明涉及分布式高精度位移檢測技術領域，具體涉及一種分布式帶溫度補償的高精度光纖光柵位移傳感器及方法。

背景技術：

位移檢測廣泛應用于許多領域，例如作為評估結構健康狀態的重要指標應用于民用工程橋梁等民用建筑；同樣也可以作為反饋控制和補償的重要物理量，如在微納控制，精密定位以及高精密加工等領域。而目前應用最多的為電類位移傳感，主要以電容、電渦流和電感式等位移傳感技術為代表。但這類電類位移傳感器存在易受電磁干擾等其他惡劣工況的影響，零漂嚴重，且不易實現分布式多點的位移檢測等不足。

而與傳統的電測傳感器相比，光纖光柵(fbg)傳感器具有尺寸小、抗電磁干擾、耐腐蝕性，易于實現動態分布式檢測和遠距離信號傳輸等優點。為此，目前也有許多基于光纖光柵傳感技術設計的位移傳感器，大多數將光纖光柵對稱粘貼于懸臂梁上下表面實現位移的檢測和溫度補償，而粘貼的光纖光柵易受懸臂梁表面的應變分布不均產生啁啾失效。為此，這種類型的光纖光柵位移傳感器性能受限于懸臂梁結構以及光纖光柵的粘貼工藝。同時，該類型的位移傳感器大多數存在封裝過程繁瑣，尺寸大和靈敏度較低等缺點，不適用于高精度位移的檢測。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：提供一種分布式帶溫度補償的高精度光纖光柵位移傳感器及方法，靈敏度高，且易于封裝。

本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：一種分布式帶溫度補償的高精度光纖光柵位移傳感器，包括基座和位于基座內帶光柵的光纖，其特征在于：所述的光纖包括第一光纖和第二光纖，第一光纖上設有第一光柵，第二光纖上設有第二光柵，第一光柵的兩端分別通過第一固定點和第二固定點與所述的基座固定，第二光柵的兩端分別通過第三固定點和第四固定點與所述的基座固定，第一至第四固定點使得第一光纖和第二光纖以傾斜錯位平行方式布置于同一平面內的基座上；在所述的平面內，以所檢測的位移方向為x方向，與x方向相垂直的方向為y方向，第一固定點與第二固定點的距離在x方向上的投影長度、第三固定點與第四固定點的距離在x方向上的投影長度均為l，第一固定點與第二固定點的距離在y方向上的投影長度、第三固定點與第四固定點的距離在y方向上的投影長度均為h；

第一光纖和第二光纖之間設有y方向上的光纖雙側加載塊，使得第一光柵和第二光柵分別位于光纖雙側加載塊的兩邊，光纖雙側加載塊的一端與第二固定點與第一光柵之間的第一光纖接觸，且光纖雙側加載塊與第一光纖的接觸點與第二固定點的距離在y方向的投影長度為h0；光纖雙側加載塊的另一端與第四固定點與第二光柵之間的第二光纖接觸，且光纖雙側加載塊與第二光纖的接觸點與第四固定點的距離在y方向的投影長度為h0；初始狀態下，所述的第二固定點到光纖雙側加載塊的距離，和第四固定點到光纖雙側加載塊的距離，均為t；

光纖雙側加載塊連接有x方向的位移加載桿，位移加載桿的一端引出，另一端通過初始狀態有一定壓縮量的復位彈簧與基座連接。

按上述方案，第一光纖和第二光纖在x方向上相錯的間距為l/2。

按上述方案，所述的基座上設有導向孔，所述的位移加載桿的一端從導向孔中引出。

按上述方案，所述的基座上設有底座安裝孔，底座安裝孔中設有彈簧底座，彈簧底座內設有柱狀凸起，所述的復位彈簧嵌套在所述的柱狀凸起中。

按上述方案，所述的光纖雙側加載塊通過連接螺桿與所述的位移加載桿連接。

利用所述的分布式帶溫度補償的高精度光纖光柵位移傳感器實現的位移測量方法，其特征在于：將所述的分布式帶溫度補償的高精度光纖光柵位移傳感器安裝在被測物體上，使得被測物體的位移方向與位移加載桿的方向相同；利用以下公式測得光纖光柵波長漂移與被測物體位移和溫度的關系：

式中，δλ1為第一光纖光柵波長漂移量，λ1為第一光纖光柵的中心波長，δλ2為第二光纖光柵波長漂移量，λ2為第二光纖光柵的中心波長，ρe為光纖有效光彈效應，k為與傳感器結構配置參數決定的常系數，δx為位移加載桿在x方向上的位移量，即被測物體位移，b為光纖雙側加載塊與光纖接觸區域的寬度，αf為光纖的熱膨脹系數，ξf為光纖的熱光系數，δt為被測物體環境溫度變化量。

本發明的有益效果為：

1、利用傾斜錯位平行方式布置于同一平面內的基座上的兩根光纖，與光纖雙側加載塊和位移加載桿的聯動，無需結構彈性體的轉換機構，直接利用光纖的橫向特性，有效的提高了傳感器的靈敏度和減小了傳感器的尺寸。

2、通過調節兩根光纖的傾斜角度和光纖雙側加載塊的兩側長度可實現對傳感器靈敏度的調整，進而匹配不同位移檢測對象的需求。

3、本發明的位移傳感器結構簡單，安裝方便，測量精度高，具有溫度自補償功能，易于實現產品化和具有良好的市場經濟效益。

附圖說明

圖1是本發明一實施例的原理圖。

圖2是本發明一實施例的軸視圖。

圖3是本發明一實施例的后視圖。

圖4是本發明一實施例的底座軸視圖。

圖5是光纖雙側加載塊和位移加載桿裝配三維圖。

圖6是位移加載桿和復位彈簧連接結構的剖視圖。

圖中：1－第一光纖，2－第一固定點，3－第一光柵，4－光纖雙側加載塊，5－第二固定點，6－復位彈簧，7－彈簧底座，8－第二光纖，9－第三固定點，10－第二光柵，11－第四固定點，12－基座，12.1－導向孔，12.2－底座安裝孔，13－位移加載桿，14－連接螺桿。

具體實施方式

下面結合具體實例和附圖對本發明做進一步說明。

本發明提供一種分布式帶溫度補償的高精度光纖光柵位移傳感器，如圖1至圖6所示，包括基座12和位于基座12內帶光柵的光纖，光纖包括第一光纖1和第二光纖8，第一光纖1上設有第一光柵3，第二光纖8上設有第二光柵10，第一光柵3的兩端分別通過第一固定點2和第二固定點5與所述的基座12固定，第二光柵10的兩端分別通過第三固定點9和第四固定點11與所述的基座12固定，第一至第四固定點2、5、9、11使得第一光纖1和第二光纖8以傾斜錯位平行方式布置于同一平面內的基座12上；在所述的平面內，以所檢測的位移方向為x方向，與x方向相垂直的方向為y方向，第一固定點2與第二固定點5的距離在x方向上的投影長度、第三固定點9與第四固定點11的距離在x方向上的投影長度均為l，第一固定點2與第二固定點5的距離在y方向上的投影長度、第三固定點9與第四固定點11的距離在y方向上的投影長度均為h；第一光纖1和第二光纖8之間設有y方向上的光纖雙側加載塊4，使得第一光柵3和第二光柵10分別位于光纖雙側加載塊4的兩邊，光纖雙側加載塊4的一端與第二固定點5與第一光柵3之間的第一光纖1接觸，且光纖雙側加載塊4與第一光纖1的接觸點與第二固定點5的距離在y方向的投影長度為h0；光纖雙側加載塊4的另一端與第四固定點11與第二光柵10之間的第二光纖8接觸，且光纖雙側加載塊4與第二光纖8的接觸點與第四固定點11的距離在y方向的投影長度為h0；初始狀態下，所述的第二固定點5到光纖雙側加載塊4的距離，和第四固定點11到光纖雙側加載塊4的距離，均為t，此處，t不包括光纖雙側加載塊4的厚度，僅僅是第二固定點5到光纖雙側加載塊4的邊緣的距離；光纖雙側加載塊4連接有x方向的位移加載桿13，位移加載桿13的一端引出，另一端通過初始狀態有一定壓縮量的復位彈簧6與基座12連接，復位彈簧6初始狀態時的壓縮量用于保證位移加載桿13與基座12貼在一起。所述的初始狀態為傳感器為自然狀態下，即位移為0時的狀態。

本實施例中，第一光纖1和第二光纖8在x方向上相錯的間距為l/2。第一至第四固定點2、5、9、11均采用粘膠粘貼固定。

進一步的，所述的基座12上設有導向孔12.1，所述的位移加載桿13的一端從導向孔12.1中引出。所述的基座上設有底座安裝孔12.2，底座安裝孔12.2中設有彈簧底座7，彈簧底座7內設有柱狀凸起，所述的復位彈簧6嵌套在所述的柱狀凸起中。

所述的光纖雙側加載塊4通過連接螺桿14與所述的位移加載桿13連接。

所述第一光纖1和第二光纖8處于微彎繃緊狀態，分別始終與光纖雙側加載塊4兩側保持接觸，光纖雙側加載塊4使光纖連接區域相對固定點預設相等一定的橫向偏移量，位移加載桿13始終緊密沿著導向孔12.1和底座安裝孔12.2滑動。

本發明的工作原理：將該分布式帶溫度補償的高精度滑弦式光纖光柵位移傳感器的位移加載桿與被測物體固定，當被測物體移動時，帶動位移加載桿13產生相一致的引動，進而拉動光纖雙側加載塊4運動，分別使第一光纖1和第二光纖8張緊和松弛兩種相對的狀態，進而第一光柵3和第二光柵10的中心波長產生等值反向的漂移，最后通過將第一光柵3和第二光柵10的中心波長漂移值差分即可實現位移的溫度解耦檢測，若求和即可獲得對應的環境溫度。兩根光纖的尾纖可以與多個該類型的位移傳感器相連實現分布式位移檢測。

利用所述的分布式帶溫度補償的高精度光纖光柵位移傳感器實現的位移測量方法，將所述的分布式帶溫度補償的高精度光纖光柵位移傳感器安裝在被測物體上，使得被測物體的位移方向與位移加載桿13的方向相同；由于光纖的橫向剛度遠小于軸向剛度，為此，光纖的橫向變形可簡化為弦，在布置了光纖雙側加載塊4狀態下的兩根光纖相對未布置光纖雙側加載塊4時的應變增量ε1和ε2分別可表示為：

其中，l為第一固定點2與第二固定點5的距離在x方向上的投影長度，或第三固定點9與第四固定點11的距離在x方向上的投影長度；h為第一固定點2與第二固定點5的距離在y方向上的投影長度、第三固定點9與第四固定點11的距離在x方向上的投影長度，h0為光纖雙側加載塊4與第一光纖1的接觸點與第二固定點5的距離在y方向的投影長度；t為第二固定點5到光纖雙側加載塊4的距離，或第四固定點11到光纖雙側加載塊4的距離；b為光纖雙側加載塊4與光纖接觸區域的寬度。

當位移加載桿13在被測物體的帶動下運動δx，光纖雙側加載塊4同樣沿著x方向移動δx，此時第一光纖1和第二光纖8的應變增量δε1和δε2分別描述為：

對式(2)進行泰勒級數展開，當被測物體移動位移較小時，此時二階以上展開項可忽略，此時式(2)重新整理為：

其中，k為與傳感器結構配置參數決定的常系數。結合光纖bragg光柵的工作原理，當傳感器在檢測位移時為此可知第一光柵3和第二光柵10中心波長漂移量與應變增量的關系如下：

其中，δλ1為第一光纖光柵波長漂移量，λ1為第一光纖光柵的中心波長，δλ2為第一光纖光柵波長漂移量，λ2為第一光纖光柵的中心波長，ρe為光纖有效光彈效應，αf為光纖的熱膨脹系數，ξf為光纖的熱光系數，δt為被測物體環境溫度變化量。對式(4)中的兩等式差分和求和處理整理可得光纖光柵波長漂移與被測體位移和溫度的關系：

為此根據式(5)可知可通過第一光柵3和第二光柵10的中心波長漂移的差分處理實現對被測體位移的實時檢測；同時通過第一光柵3和第二光柵10的中心波長漂移的求和處理得到對應的被測體環境溫度。

本發明提供了一種分布式帶溫度補償的高精度光纖光柵位移傳感器，在實際實施中，本發明中各構件的形狀和布局方式均可調整兩根光纖的傾斜姿態實現傳感性能的改善，但該檢測原理不局限于位移的檢測，若在本發明的啟示下，其他人員也可以做出與本發明相似的設計或對本發明做出修改以及某個構件的等同替換也可實現力和振動等物理量的檢測。特別需要指出的是，只要不脫離本發明的設計宗旨和該配置下的光纖光柵檢測方式，所有顯而易見的改變以及具有等同替換的相似設計，均包含在本發明的保護范圍之內。

以上實施例僅用于說明本發明的設計思想和特點，其目的在于使本領域內的技術人員能夠了解本發明的內容并據以實施，本發明的保護范圍不限于上述實施例。所以，凡依據本發明所揭示的原理、設計思路所作的等同變化或修飾，均在本發明的保護范圍之內。