[发明专利]一种二维光纤光栅倾角传感器

权利要求书

1.一种二维光纤光栅倾角传感器，其特征在于，主要包括配重球，监测光纤光栅，补偿光纤光栅，不锈钢短柱，保护壳体，光纤松套管；

所述保护壳体为正方形盒式结构，不锈钢短柱位于正方形保护壳体四角，截面为圆形，用于支撑保护壳体；两角开小孔用于光纤松套管穿出；

配重球放置于正方形保护壳体中心位置，然后通过呈十字形的监测光纤光栅拉结；

配重球质心位置开小孔供监测光纤光栅穿过，然后灌胶封孔；四根监测光纤光栅端部固定于不锈钢短柱上，承担质量球沿xy平面方向的重力分量，通过其波长漂移量确定倾角及倾角方向；补偿光纤光栅粘贴于保护壳体临近不锈钢短柱的位置；监测光纤光栅的尾纤与补偿光纤光栅的尾纤均穿过保护壳体侧面小孔后，采用光纤松套管套上;

配重球受力平衡时在光纤上产生轴向分力，引起光纤发生轴向应变，通过监测光纤光栅轴向应变从而获取光纤光栅中心波长改变量并由公式得出测点倾角及倾角方向；

工作原理如下：

由光纤光栅原理可知，本传感器所测量轴向应变满足关系：

A＝π·r² (2)

式中，Δλ_B为中心波长改变量，k_ε为光纤光栅应变灵敏度系数，A为光纤光栅净截面面积，r光纤光栅截面半径；N为光纤上轴向力，其满足基本方程：

N＝mgcosθ (3)

其中m为配重球质量，ρ为配重球材料密度，V为配重球体积，θ为传感器与水平方向之间的夹角；将(2)(3)(4)带入(1)可得：

进而有令则有：

θ＝arccosKΔλ_B (7)

式中，K为材料系数；

安置时需要对传感器与水平方向初始角度进行监测即θ_初，从而在以后的监测中可得测点的实际倾斜角度α₁；

α₁＝θ_测-θ_初 (8)

即有α₁＝arccosKΔλ_B测-arccosKΔλ_B初(9)

由此式可看出通过监测实时中心波长改变量Δλ_B测与安置时中心波长改变量Δλ_B初，从而获得测点当前倾角α₁的结果，且α₁为正说明逆时针倾斜，α₁为负说明顺时针倾斜；此外，还涉及倾斜方向问题，倾斜方向由角α₂确定；

由(10)(11)可得：

由(13)(14)可得被检测物产生的倾斜方向与倾斜角度，α₁可表示倾斜角度，α₂可表示倾斜的水平方向，α₁为正说明逆时针倾斜，α₁为负说明顺时针倾斜，α₂不会超过±45°，因为各个方向受拉光纤方向不同，通过比较各个光纤光栅波长漂移幅度可得受拉的两根光纤光栅，从而确定倾斜方向。

2.根据权利要求1所述的一种二维光纤光栅倾角传感器，其特征在于：所述监测光纤光栅为Bragg光栅。