雙工字梁式二維光纖光柵傾角傳感器及其傾角測量方法

本發明涉及一種傾角傳感器及其傾角測量方法，尤其涉及一種雙工字梁式二維光纖光柵傾角傳感器及其傾角測量方法。

背景技術：

1、大型土木工程比如高聳房屋工程、橋梁工程、風機塔筒結構和水塔工程等由于長期遭受復雜風場、地震環境和荷載作用下極易發生傾斜現象，而過分的傾倒變形會影響結構的正常使用功能，嚴重時引起的結構破壞會造成人員生命財產損失。

2、傳統的傾角傳感器主要是以壓電/電磁效應為原理的，抗電磁干擾較差、傳輸距離較近，不適宜用于強電磁或靜電環境下工作。其次，大部分傾角傳感器主要是單向測量，而復雜環境和荷載作用下的工程結構傾倒狀態一般是未知的或多向的，因此需要布設多個傳感器來實現結構傾斜狀態感知，成本高，效率低。

3、因此，為了解決上述技術問題，亟需提出一種新的技術手段。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發明的目的是提供一種雙工字梁式二維光纖光柵傾角傳感器及其傾角測量方法，能夠對被測目標的傾斜角度進行準確測量，并且能夠感知任意方向的傾角，而且抗電磁干擾能力強，有效降低環境對測量結果的干擾，從而具有較強的環境適應能力，并且能夠實現高靈敏度調節，從而能夠適應于多種工況。

2、本發明提供的一種雙工字梁式二維光纖光柵傾角傳感器，包括殼體和傳感組件，其中，傳感器組件包括第一質量塊、第二質量塊、第三質量塊、配重塊、第一光纖光柵、第二光纖光柵、板形結構的第一連接件和板形結構的第二連接件；

3、所述第一質量塊固定設置于殼體內，所述第一質量塊的下端面通過第一連接件與第二質量塊的上端面固定連接并形成工字梁結構，所述第二質量塊的下端面通過第二連接件與第三質量塊的上端面固定連接形成工字梁結構，所述第三質量塊固定嵌入于配重塊內，所述配重塊和第三質量塊的下端為自由端；第一連接件和第二連接件的板面垂直；

4、第一光纖光柵和第二光纖光柵分別固定設置于第一質量塊、第二質量塊以及第三質量塊兩側的表面并在第三質量塊下端形成u形結構。

5、進一步，所述配重塊設置有嵌入孔，所述第三質量塊固定嵌入于嵌入孔內，所述嵌入孔的側壁設置有條形槽，所述條形槽的長度延伸方向與嵌入孔的長度延伸方向一致且條形槽用于光纖光柵通過。

6、進一步，所述殼體設置有限位桿和限位孔，所述限位桿通過限位孔穿過所述殼體。

7、進一步，所述殼體為圓柱形結構，所述殼體的上端設置有與殼體固定配合的端蓋，所述第一質量塊的上端與端蓋的內側固定連接，所述端蓋設置有光纖光柵引導孔。

8、進一步，所述光纖光柵為預拉伸光纖光柵。

9、相應地，本發明還提供了一種基于上述傾角傳感器的傾角測量方法，包括以下步驟：

10、s1.將所述傾角傳感器固定設置于被測目標，并確定傾角傳感器的初始結構參數；

11、s2.由激光器產生測試光信號從光纖光柵一端輸入，并在另一端接收光信號；

12、s3.在被測目標傾斜時確定光纖光柵的拉伸側和壓縮側，從經過光纖光柵的光信號中獲取光信號的波長變化量；

13、s4.以重力方向為縱坐標，建立oxyz坐標系，并基于光信號波長變化量確定傾角傳感器zox平面內的偏轉角θ1以及在zoy平面內的偏轉角θ2；

14、s5.基于偏轉角θ1和偏轉角θ2確定傾角傳感器繞z軸的傾角和繞x軸的方位角：

15、

16、其中：β為傾角傳感器繞z軸的傾角，α為傾角傳感器繞x軸的方位角。

17、進一步，通過如下方法確定偏轉角θ1：

18、

19、其中：δλ1為第一根和第二根光纖光柵下端拉伸側的光信號波長變化量，δλ1'為第一根和第二根光纖光柵下端壓縮側的光信號波長變化量，λ1為第一根和第二根光纖光柵下端測點輸入的光信號的波長，l1為第二連接件的長度，ef為光纖光柵的彈性模量，a為光纖光柵的截面積，d1為第一根和第二根光纖光柵下端測點到第二連接件長度方向中心線的垂直距離，a1為配重塊與第三質量塊的重心到第三質量塊下端端面之間的距離，m1為第三質量塊與配重塊的質量和，e1為第二連接件的彈性模量，b1和h1為第二連接件的寬度和厚度。

20、進一步，通過如下方法確定偏轉角θ2：

21、

22、其中：δλ2為第一根和第二根光纖光柵上端拉伸側的光信號波長變化量，δλ2'為第一根和第二根光纖光柵上端壓縮側的光信號波長變化量，λ2為第一根和第二根光纖光柵上端測點輸入的光信號的波長，l1為第二連接件的長度，l2為第一連接件的長度，ef為光纖光柵的彈性模量，a為光纖光柵的截面積，d2為第一根和第二根光纖光柵上端測點到第一連接件長度方向中心線的垂直距離，a2為第二質量塊的長度，m2為第二質量塊的質量，m1為第三質量塊與配重塊的質量和，e2為第一連接件的彈性模量，b2和h2為第一連接件的寬度和厚度。

23、本發明的有益效果：通過本發明，能夠對被測目標的傾斜角度進行準確測量，并且能夠感知任意方向的傾角，而且抗電磁干擾能力強，有效降低環境對測量結果的干擾，從而具有較強的環境適應能力，并且能夠實現高靈敏度調節，從而能夠適應于多種工況。

技術特征：

1.一種雙工字梁式二維光纖光柵傾角傳感器，其特征在于：包括殼體和傳感組件，其中，傳感器組件包括第一質量塊、第二質量塊、第三質量塊、配重塊、第一光纖光柵、第二光纖光柵、板形結構的第一連接件和板形結構的第二連接件；

2.根據權利要求1所述雙工字梁式二維光纖光柵傾角傳感器，其特征在于：所述配重塊設置有嵌入孔，所述第三質量塊固定嵌入于嵌入孔內，所述嵌入孔的側壁設置有條形槽，所述條形槽的長度延伸方向與嵌入孔的長度延伸方向一致且條形槽用于光纖光柵通過。

3.根據權利要求1所述雙工字梁式二維光纖光柵傾角傳感器，其特征在于：所述殼體設置有限位桿和限位孔，所述限位桿通過限位孔穿過所述殼體。

4.根據權利要求1所述雙工字梁式二維光纖光柵傾角傳感器，其特征在于：所述殼體為圓柱形結構，所述殼體的上端設置有與殼體固定配合的端蓋，所述第一質量塊的上端與端蓋的內側固定連接，所述端蓋設置有光纖光柵引導孔。

5.根據權利要求1所述雙工字梁式二維光纖光柵傾角傳感器，其特征在于：所述光纖光柵為預拉伸光纖光柵。

6.一種基于權利要求1所述的傾角傳感器的傾角測量方法，其特征在于：包括以下步驟：

7.根據權利要求6所述基于權利要求1所述的傾角傳感器的傾角測量方法，其特征在于：通過如下方法確定偏轉角θ1：

8.根據權利要求根據權利要求6所述基于權利要求1所述的傾角傳感器的傾角測量方法，其特征在于：通過如下方法確定偏轉角θ2：

技術總結
本發明提供的一種雙工字梁式二維光纖光柵傾角傳感器，包括殼體和傳感組件，其中，傳感器組件包括第一質量塊、第二質量塊、第三質量塊、配重塊、第一光纖光柵、第二光纖光柵、板形結構的第一連接件和板形結構的第二連接件；所述第一質量塊固定設置于殼體內，所述第一質量塊的下端面通過第一連接件與第二質量塊的上端面固定連接形成工字梁結構，所述第二質量塊的下端面通過第二連接件與第三質量塊的上端面固定連接形成工字梁結構，所述第三質量塊固定嵌入于配重塊內，所述配重塊和第三質量塊的下端為自由端；第一連接件和第二連接件的板面垂直；第一光纖光柵和第二光纖光柵分別固定設置于第一質量塊、第二質量塊以及第三質量塊兩側的表面并在第三質量塊下端形成U形結構。

技術研發人員：鄭勇,劉磊,余潔,文清陽,周澤林,程文
受保護的技術使用者：重慶交通大學
技術研發日：
技術公布日：2025/3/13