[发明专利]一种二维光纤光栅倾角传感器

说明书

本发明的一种二维光纤光栅倾角传感器，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。主体结构由保护壳体，不锈钢短柱和感应结构组成。保护壳体为正方形盒式，两角开小孔用于光纤松套管穿出。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，感应结构由监测光纤光栅，配重球，补偿光纤光栅构成。本发明一种二维光纤光栅倾角传感器主要是以力的平衡原理为理论基础，监测机理是通过配重球受力平衡时在平面内产生两个方向分力，从而引起光纤光栅的布喇格反射波长随传感器平面外角度的变化而产生改变。此外，利用补偿光纤光栅解决了光纤光栅温度应变交叉敏感问题。本发明二维倾角传感器结构受力明确，响应速度快，测量精度高，稳定性好，具有温度自补偿功能，且易于加工制造，抗电磁干扰，具有较好的工程应用前景。

技术领域

本发明基于光纤光栅传感技术，是一种用于监测土体、岩石和建筑物倾斜角度的高精度仪器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

大型土木工程诸如通信铁塔工程、桥梁工程、房屋工程和大型水塔工程等由于地基基础不均匀沉降易发生倾斜现象，不但影响结构的正常使用功能，而且引起附加应力甚至导致结构破坏，造成生命财产损失。因此，贯穿施工与运营期的结构倾斜状态监测很有必要。传统的倾角传感器以电磁效应、电容效应等为基本原理，可达到较高的精度与分辨率，但此类弱电式传感器均存在抗电磁干扰性能差、电缆线路损耗大、传输距离近的缺点，在强电磁场环境、防静电环境如煤矿和油库等难以适用。光纤光栅传感器具有测量灵敏度高、抗强电磁干扰、耐腐蚀的优点，适用于结构实时在线监测。因此，急需研发一种用于长期实时监测土体、岩石和建筑物倾斜角度的光纤光栅倾角传感器。

发明内容

本发明涉及一种结构简单，性能稳定、可靠、灵敏度高、抗强电磁干扰、耐腐蚀，用于长期实时监测土体、岩石和建筑物二维倾斜角度的传感器。

为了实现上述目的，本发明解决技术问题的技术方案是：

一种二维光纤光栅倾角传感器，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。

由于采用上述结构，使得本发明具有下列优点和效果：

1.可对构件倾斜角度进行全寿命周期监测。

本发明直接通过光纤光栅获取配重球倾斜产生的受拉监测光纤光栅的应变，监测灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，理论上可实现构件倾斜角度全寿命周期监测。

2.量程大、测量精度可以调节。

由结构设计可知，本倾角传感器量程达到-90°到90°，满足土木工程大型结构倾角量程方面的要求。此外，本发明的原理是配重球受力平衡时在监测光纤光栅上产生轴向分力，引起监测光纤光栅发生轴向应变。因此配重球的质量大小，直接影响着单位角度改变引起的监测光纤光栅轴向应变的大小，通过改变以上因素可改变传感器的监测精度，使其满足不同的精度要求。

3.可测平面内任意方向倾角。

由结构设计可知，本倾角传感器内的监测光纤光栅采用双向对称配置，任意方向发生倾角时，都会引起光纤光栅应变的变化，通过理论计算可得知倾斜方向和角度。

4.监测响应速度快。