[发明专利]基于光纤布拉格光栅的倾角传感器及其倾角测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅的倾角传感器及其倾角测量方法，属于结构倾角测量及光纤传感技术领域。 

背景技术

目前，倾角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，对测量环境要求也较高。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，在工程中应用也较为广泛，但易受电磁干扰，且在连续性、实时性和测量灵敏度等方面也越来越难以满足现今的监测要求。 

华中科技大学的研究学者[伍贤智，仁伟新，“一种新型光纤光栅倾角传感器的研制”，华中科技大学学报，25(4)，332-334(2008)]提出了一种用于土木工程监测的光纤光栅倾角测量方法，和传统的机械式、电磁式等测量方法相比，设计成本和结构复杂度有一定的改善，但该种方法依然存在以下技术问题和缺陷：①由于摆锤直接套在轴上，通过绕轴的偏转实现倾角测量，而实际倾角测量时，特别是测量精度要求很高的场合下，摆锤与轴之间的摩擦力以及摆锤与应变梁的固定方式均会给测量带来很大的不确定性误差，从而限制了传感器的实际应用；②由于测量灵敏度的限制，该传感器仅适用于小角度测量，不能根据实际工程需要扩大量程检测范围。 

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足和缺陷，提出一种测量精度高且具有温度自补偿的基于光纤布拉格光栅的倾角传感器及其测量方法。且该传感器可根据工程实际需要通过更换不同尺寸的薄壁式等截面金属梁来改变传感器的检测灵敏度。 

一种基于光纤布拉格光栅的倾角传感器，包括固定底板、固定于固定底板上 的固定压块、薄壁式等截面金属梁，该薄壁式等截面金属梁上端通过一活动压块及螺钉与上述固定压块配合安装于固定底板上，薄壁式等截面金属梁下端另一螺钉和另一活动压块与质量块固定在一起；上述薄壁式等截面金属梁上两侧的相对位置分别贴有两根参数相同的光纤布拉格光栅。 

一种基于光纤布拉格光栅倾角传感器的倾角测量方法，包括以下过程： 

(a)、预测被测结构倾斜运动平面； 

(b)、将光纤布拉格光栅倾角传感器竖直地固定于被测结构上，且该传感器的固定底板与上述倾斜运动平面平行； 

(c)、当被测结构偏离竖直平面产生倾角时，薄壁式等截面金属梁的上端由于被固定在固定底板上而保持相对位置不变，而紧密连接在一起的质量块和薄壁式等截面金属梁下端会由于重力的作用而克服薄壁式等截面金属梁上端拉力保持竖直向下，这样薄壁式等截面金属梁就会因不同倾角导致不同形变； 

(d)、粘贴在薄壁式等截面金属梁表面的第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅会因为薄壁式等截面金属梁的不同形变产生不同的轴向伸缩，从而导致的布拉格光栅中心波长的漂移，根据中心波长的变化与倾角的对应关系即可检测出倾角的大小和方向；具体公式如下： 

Δλ=(1-Pe)λB·12mg·L2Eab2θ]]>

其中，Δλ为两个光纤布拉格光栅的中心波长偏移之差，λB为光纤布拉格光栅的中心波长，Pe为光纤的有效弹光系数，m为质量块的质量，g为重力加速度，L2为光纤布拉格光栅的中心位置到薄壁式等截面金属梁下端小孔的距离，E为薄壁式等截面金属梁材料的弹性模量，a为薄壁式等截面金属梁材料的宽度，b为薄壁式等截面金属梁材料的厚度，θ为被测结构偏离竖直面的倾斜角度。 

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：