[发明专利]一种光纤布拉格光栅角度传感器

说明书

一种光纤布拉格光栅角度传感器，包括刚性转动长端(10)和刚性转动短端(20)；刚性转动长端(10)与刚性转动短端(20)构成转动副机构(50)；刚性转动长端(10)包括刚性构件(11)；刚性构件(11)包括通过接头(13)与刚性转动短端(20)可转动连接的刚性杆以及固定件；光纤布拉格光栅角度传感器还包括至少两个光纤布拉格光栅元件(30)，其中有两个光纤布拉格光栅元件(30)分别设置在刚性杆的两侧；每个光纤布拉格光栅元件(30)的两个线段分别与固定件和刚性转动短端(20)固定连接；光纤布拉格光栅角度传感器还包括用于张紧光纤布拉格光栅元件(30)的预张力施加器(22)。本发明的光纤布拉格光栅角度传感器设计巧妙，实用性强。

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种光纤布拉格光栅角度传感器。

背景技术

倾角传感器适用于长期测量土木工程结构的倾斜、位移等变形量，方便实现土木工程结构测量及检测的自动化。常见的倾角传感器根据传感技术不同可分电类和光学类两种。其中，电类倾角传感器抗电磁干扰能力差，信号易衰减，其性能在一些强电磁干扰或大范围测量与监测案例中不甚理想；而光学类倾角传感器抗电磁干扰能力强，灵敏度高，特别在强电磁干扰或大范围测量与监测案例中优势明显，目前，该类传感器在土木工程结构测量与监测领域已取得广泛应用。

目前，光学类倾角传感器根据原理不同，主要分为光纤光栅重力摆式，光纤光栅柔性体变形式等。其中，Baiou Guan、赵勇、朱永、曹春耕和李宁溪等分别针对不同结构发明了基于重力摆式的光纤光栅倾角传感器，其基本原理为：通过测量重力摆与被测物体相对夹角变化下的光纤光栅波长变化量来反映倾斜角度之变化；朱颖彦发明了基于柔性体变形原理的光纤光栅倾角传感器，其基本原理为：在若干柔性管内布设多条光纤光栅，并将其与刚性管间隔串联，利用该串联机构整体变形来近似被测物体变形，并利用变形时柔性管内光纤光栅波长变化来近似反映柔性管的变形情况。

以上所述光纤光栅重力摆式倾角传感器在对被测物体进行测量时，存在体积大、结构复杂等缺点；所述光纤光栅柔性体变形式倾角传感器通过测量柔性体内离散测点应变值来拟合整体变形情况，存在测量误差大等缺点。

发明内容

本发明针对现有倾角传感器所存在的上述问题，旨在提供一种结构简单、体积小、测量精度高、布设方便，能够长期稳定的广泛应用于土木工程结构的倾斜、位移等变形量测量及监测系统的光纤布拉格光栅角度传感器。

本发明提出了一种光纤布拉格光栅角度传感器，包括刚性转动长端和刚性转动短端；刚性转动长端与刚性转动短端可相对转动连接，以构成转动副机构；刚性转动长端包括刚性构件；刚性构件包括通过接头与刚性转动短端可转动连接的刚性杆以及与刚性杆固定连接的固定件；光纤布拉格光栅角度传感器还包括至少两个光纤布拉格光栅元件，其中有两个光纤布拉格光栅元件分别设置在刚性杆的两侧；每个光纤布拉格光栅元件的两个线段分别与固定件和刚性转动短端固定连接；光纤布拉格光栅角度传感器还包括用于张紧光纤布拉格光栅元件的预张力施加器。

本发明上述的光纤布拉格光栅角度传感器中，分别设置在刚性杆的两侧的光纤布拉格光栅元件用于在刚性转动长端与刚性转动短端发生相对转动时产生用于计算刚性转动长端与刚性转动短端之间相对转动角度的波长漂移量。

本发明上述的光纤布拉格光栅角度传感器中，当刚性转动短端与刚性转动长端发生相对转动时，分别设置在刚性杆的两侧的光纤布拉格光栅元件，其中一侧的光纤布拉格光栅元件产生拉伸变形，从而使得该拉伸变形的光纤布拉格光栅元件波长值增大，其中另一侧的光纤布拉格光栅元件产生收缩变形，从而使得该收缩变形的光纤布拉格光栅元件波长值减小。

本发明上述的光纤布拉格光栅角度传感器中，固定件上分别设置有与至少两个光纤布拉格光栅元件一一对应的至少两个第一通孔，刚性转动短端上分别设置有与至少两个光纤布拉格光栅元件一一对应的至少两个第二通孔；每个光纤布拉格光栅元件分别穿设于对应第一通孔和对应第二通孔中；每个光纤布拉格光栅元件分别与对应第一通孔和对应第二通孔通过环氧树脂固定。