[实用新型]一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅大位移传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅大位移传感器，属于光电子测量技术领域。

背景技术

近年来我国桥梁垮塌、隧道塌方、沿途滑坡等事故频发，及时准确掌握土木结构中的裂缝变化、相对位置滑动等状况使位移量检测显得尤为重要。目前，已有的光纤光栅位移传感器一般是将光纤光栅固定在各种弹性梁上，把位移通过梁（弹片）的形变转换到光栅的应变，通过解调光栅波长漂移来测量相应的位移。这种传感器具有精度高、抗电磁干扰、化学性质稳定且能满足分布式测量，缺点是量程小（一般小于200mm），又难于封装成适合工程应用的传感器。

与本实用新型接近的是一种光纤光栅位移传感器（参见文献：李丽君，“一种光纤光栅位移传感器”，发明专利说明书，2010年06月，授权公告号：CN 101762247 A）。该技术采用角位移转换装置对外部大位移进行测量。由于角位移转换装置采用的多级齿轮，易出现测量偏差且难于封装。本实用新型采用阶梯轴将两个半径不同的齿轮固定在同一轴上，将直线运动的大位移通过两个齿轮的转化，最终作用至粘贴在等强度悬臂梁上的光纤Bragg光栅上，实现了对大位移和温度的实时在线监测。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅大位移传感器，实现对大位移和温度的实时在线监测。

本实用新型的传感器的结构为：包括位移测量和传递装置、位移大小转换装置和位移感应装置，且上述装置均固定在金属盒17内部，位移测量和传递装置的主体是通过齿条套管Ⅰ12和齿条套管Ⅱ13固定在金属盒17内部的齿条Ⅰ5，齿条Ⅰ5的上端伸出金属盒17外部并通过位移限位套管11固定；位移大小转换装置的结构是阶梯轴10同轴连接大齿轮3和小齿轮4；位移感应装置的主体是通上端过齿条套管Ⅲ14套合、下端通过等强度悬臂梁2固定连接的齿条Ⅱ6，等强度悬臂梁2的上下表面安装有光纤Bragg光栅1；齿条Ⅰ5与大齿轮3啮合，齿条Ⅱ6与小齿轮4啮合。

所述齿条Ⅰ5底端通过弹簧Ⅰ15安装在金属盒17内部，齿条Ⅱ6的顶端通过弹簧Ⅱ固定在金属盒17内。

所述阶梯轴10的两端分别通过滚动轴承Ⅰ8和滚动轴承Ⅱ9安装在金属盒17内部。

所述光纤Bragg光栅1安装在等强度悬臂梁2的上下表面中心轴线处。

所述光纤Bragg光栅1黏贴在等强度悬臂梁2上。

本实用新型传感器的使用方法是在传感器内部建立数学模型，通过数学模型对传感器实际测量得到的数值后转换到光纤Bragg光栅的Bragg波长移位可以计算出位移传感器所测的位移。具体步骤包括如下：

（1）通过测量接触头7测量应变位移，齿条Ⅰ5的大位移通过大齿轮3同轴转换为小齿轮4的小位移，然后再通过齿条Ⅱ6引起等强度悬臂梁2的形变，等强度悬臂梁的变形引起光纤Bragg光栅的形变，得到应变位移和温度引起的光纤Bragg光栅的波长移位量 为：

式中，是应变灵敏系数，大小为，其中为有效弹-光系数，其值为=0.22， 是温度灵敏系数，是光纤Bragg光栅中心波长，是光纤Bragg光栅所受应变量，是光纤Bragg光栅的温度变化量；

（2）将等强度悬臂梁2上下表面安装两个初始波长相同的光纤Bragg光栅波长移位相减，消除环境温度的影响，得到上、下表面两个光纤Bragg光栅的波长移位差值为：

式中， ，分别为波上、下表面的光纤Bragg光栅波长移位量；

（3）根据材料力学，得到等强度悬臂梁挠度f引起等强度悬臂梁中心轴向应变为：

再根据传感器中齿轮与齿条的位置关系，得到光纤Bragg光栅的Bragg波长移位与外部实际位移的关系为：

式中，h为等强度梁的厚度，为等强度梁长度，f为等强度悬臂梁自由端挠度，S为齿条Ⅰ5的位移（即为外部的实际位移），为大齿轮3的半径，为小齿轮4的半径。

本实用新型技术的数学模型如下：

等强度悬臂梁的变形引起光纤Bragg光栅的形变，若测量过程中温度变化了，则应变和温度引起的光纤Bragg光栅的波长移位量为：

（1）

式（1）中，是应变灵敏系数，大小为，其中为有效弹-光系数，其值为=0.22， 是温度灵敏系数，是光纤Bragg光栅中心波长，是光纤Bragg光栅所受应变量，是光纤Bragg光栅的温度变化量。

将等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两个初始波长相同的光纤Bragg光栅波长移位相减，消除环境温度的影响：

（2）