本發(fā)明涉及光纖傳感技術領域，尤其涉及一種光纖光柵微位移傳感器及帶有該傳感器的機床立柱。

背景技術：

在科學研究與工程實踐中，位移測量技術的應用非常廣泛，現有的可進行連續(xù)監(jiān)測的位移測量技術主要包括電容式或電感式等電類位移測量技術、激光位移傳感器和激光干涉儀等激光位移測量技術，這些傳感器的位移測量精度都可以達到微米級，在科學研究與工程實踐中發(fā)揮著重要作用。但是電類位移測量技術的環(huán)境適應性較差，特別是在強電磁輻射環(huán)境中，其測試精度和信噪比會大大降低。激光位移測量傳感器價格昂貴，且對環(huán)境的潔凈度要求高，無法在粉塵等環(huán)境中實現位移的高精度測量。

光纖光柵是一種新型光纖傳感無源器件，具有體積小、重量輕、精度高、耐腐蝕、防爆、對電絕緣、抗電磁干擾、環(huán)境適應性好等優(yōu)點，且可實現多點多參數的分布式測量和長期遠程狀態(tài)監(jiān)測，因此在許多工程技術領域得到越來越廣泛的應用。目前，有大量的科研工作人員和工程技術人員研發(fā)出了不同形式的光纖光柵位移傳感器。英國Smart Fiber公司研發(fā)的SmartBridge光纖光柵位移傳感器的位移測量精度僅為0.05mm(https://www.smartfibres.com/FBG-sensors)；美國MOI(Micron optics)公司研發(fā)的OS5100型光纖光柵位移傳感器的位移測量精度為0.03mm(http://www.micronoptics.com/)；在光纖光柵解調儀的解調精度為±1pm的前提下，Changyu Shen等人研發(fā)了兩種懸臂梁型光纖光柵位移傳感器，測量精度分別為±20微米和±4微米(文獻“Novel temperature-insensitive fiber Bragg grating sensor for displacement measurement”，源自期刊“Sensors and Actuators A：Physical”第170卷，2011年；文獻“A Displacement Sensor Based on a Temperature-Insensitive Double Trapezoidal Structure With Fiber Bragg Grating”，源自期刊“IEEE sensors journal”第12卷第5期，2012年)；Sitong Tao等人則設計了一種薄壁環(huán)形光纖光柵溫度傳感器，測量精度達到±2微米(文獻“Temperature-insensitive fiber Bragg grating displacement sensor based on a thin-wall ring”，源自期刊“Optics Communications”第372卷，2016年)。

專利號為ZL200910026385.8的發(fā)明專利，公布了一種溫度自補償光纖光柵位移傳感器，通過彈簧拉伸或壓縮兩只光纖光柵(細金屬管封裝)，采用了中間彈性體，其靈敏度和測試精度被降低；專利號為ZL201010127525.3的發(fā)明專利，公布了一種超精密光纖光柵位移傳感器，是以平行片簧為導軌的筒狀光纖光柵位移傳感器，可以實現微米級以及納米級位移的測量，但是無溫度補償措施，且結構復雜，長期可靠性存在問題。因此，設計一種結構簡單，工作可靠，溫度自補償的高精度光纖光柵微位移傳感器，以滿足惡劣工程應用環(huán)境中微小位移的長期可靠監(jiān)測是亟待解決的。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種結構簡單，工作可靠，能滿足惡劣的工程應用環(huán)境，且易于進行系列化大批量生產的光纖光柵微位移傳感器及帶有該傳感器的機床立柱。

本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下：一種光纖光柵微位移傳感器，包括底板、兩個側板、光纖固定臺、插銷、環(huán)體、單模光纖、光纖光柵和頂針；

兩個側板分別固定設置在底板的兩側，且與底板垂直設置，底板的一端伸出側板外，并連接光纖固定臺，光纖固定臺與底板的一端垂直連接；

插銷垂直且轉動連接在底板上，插銷與底板轉動連接，插銷的一端固定設有環(huán)體，環(huán)體上靠近光纖固定臺的一端設有連桿，連桿與底板平行設置，連桿的一端與環(huán)體固定連接，連桿的另一端向光纖固定臺延伸，且設有頂針，頂針的一端與連桿的另一端垂直固定連接，另一端向側板方向延伸，并伸出側板外；

單模光纖的中部環(huán)繞環(huán)體遠離光纖固定臺的一側設置，并與環(huán)體固定連接，其兩端向光纖固定臺延伸，并與光纖固定臺固定連接，單模光纖的兩側分別設有光纖光柵，單模光纖與底板平行設置。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的一種光纖光柵微位移傳感器，結構簡單，工作可靠，能滿足惡劣的工程應用環(huán)境，且易于進行系列化大批量生產，且能測量微米級和納米級位移，并能連續(xù)長期監(jiān)測，具有較好的溫度補償效果。

進一步：兩個光纖光柵以環(huán)體為中心對稱設置。

上述進一步方案的有益效果是：檢測準確。

進一步：底板為長方形，插銷設置在底板長度方向的中心線上。

上述進一步方案的有益效果是：傳感器測量精密。

進一步：連桿靠近光纖固定臺一端的兩側分別設有彈簧，彈簧與底板平行設置，彈簧的一端與連桿固定連接，另一端與對應的側板固定連接。

上述進一步方案的有益效果是：兩個彈簧的拉伸或者壓縮形變相同，檢測準確。

進一步：單模光纖的兩端通過粘接劑與光纖固定臺固定連接；單模光纖的中部通過粘接劑與環(huán)體固定連接。

上述進一步方案的有益效果是：結構簡單，連接穩(wěn)定。

進一步：底板上設有方便安裝傳感器的螺栓孔。

上述進一步方案的有益效果是：方便安裝傳感器。

進一步：頂針的另一端設有硬質測頭。

上述進一步方案的有益效果是：檢測可靠。

進一步：一種帶有該傳感器的機床立柱，包括機床立柱本體、光纖光柵微位移傳感器和碳纖維管；機床立柱本體豎直設置，光纖光柵微位移傳感器固定設置在機床立柱本體側面的上端，且光纖光柵微位移傳感器中的頂針豎直朝下設置，機床立柱本體的側面下端設有豎直向上設置的碳纖維管，碳纖維管的下端與機床立柱本體固定連接，上端與頂針固定連接。

上述進一步方案的有益效果是：用于在線測量機床立柱本體在內外熱源作用下的微小熱伸長量，對機床在豎直方向上的熱誤差進行實時補償，提高機床的加工精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的傳感器的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的傳感器爆炸圖的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明的機床立柱的結構示意圖。

附圖中，各標號所代表的部件列表如下：

1、底板，2、側板，3、光纖固定臺，4、插銷，5、環(huán)體，6、單模光纖，7、頂針，8、連桿，9、光纖光柵，10、彈簧，11、粘接劑，12、硬質測頭，13、機床立柱本體，14、碳纖維管。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

如圖1至圖3所示，一種光纖光柵微位移傳感器，包括底板1、兩個側板2、光纖固定臺3、插銷4、環(huán)體5、單模光纖6、光纖光柵9和頂針7；

兩個側板2分別固定設置在底板1的兩側，且與底板1垂直設置，底板1的一端伸出側板2外，并連接光纖固定臺3，光纖固定臺3與底板1的一端垂直連接；

插銷4垂直且轉動連接在底板1上，插銷4的上端固定設有環(huán)體5，環(huán)體5上靠近光纖固定臺3的一端設有連桿8，連桿8與底板1平行設置，連桿8的一端與環(huán)體5固定連接，連桿8的另一端向光纖固定臺3延伸，且設有頂針7，頂針7的一端與連桿8的另一端垂直固定連接，另一端向側板2方向延伸，并伸出側板2外；

單模光纖6的中部環(huán)繞環(huán)體5遠離光纖固定臺3的一側設置，并與環(huán)體5固定連接，其兩端向光纖固定臺3延伸，并與光纖固定臺3固定連接，單模光纖6的兩側分別設有光纖光柵9，單模光纖6與底板1平行設置。

本發(fā)明的一種光纖光柵微位移傳感器，結構簡單，工作可靠，能滿足惡劣的工程應用環(huán)境，且易于進行系列化大批量生產，且能測量微米級和納米級位移，并能連續(xù)長期監(jiān)測，具有較好的溫度補償效果。

兩個光纖光柵9以環(huán)體5為中心對稱設置；檢測準確。

底板1為長方形，插銷4設置在底板1長度方向的中心線上；傳感器測量精密。

連桿8靠近光纖固定臺3一端的兩側分別設有彈簧10，彈簧10與底板1平行設置，彈簧10的一端與連桿8固定連接，另一端與對應的側板2固定連接；兩個彈簧10的拉伸或者壓縮形變相同，檢測準確。

單模光纖6的兩端通過粘接劑11與光纖固定臺3固定連接；單模光纖6的中部通過粘接劑11與環(huán)體5固定連接；結構簡單，連接穩(wěn)定。

底板1上設有方便安裝傳感器的螺栓孔；方便安裝傳感器。

頂針7的另一端設有硬質測頭12；檢測可靠。

一種帶有該傳感器的機床立柱，包括機床立柱本體13、光纖光柵微位移傳感器和碳纖維管14；機床立柱本體13豎直設置，光纖光柵微位移傳感器固定設置在機床立柱本體13側面的上端，且光纖光柵微位移傳感器中的頂針7豎直朝下設置，機床立柱本體13的側面下端設有豎直向上設置的碳纖維管14，碳纖維管14的下端與機床立柱本體13固定連接，上端與頂針7固定連接；用于在線測量機床立柱本體13在內外熱源作用下的微小熱伸長量，對機床在豎直方向上的熱誤差進行實時補償，提高加床的加工精度。

本發(fā)明的原理為，連桿8和環(huán)體5組成杠桿機構，環(huán)體5的半徑為r，連桿8形成的有效旋轉半徑為R，兩個光纖光柵9各自的兩端固定距離均為L,當頂針7產生微位移d時，則其中一個光纖光柵9產生應變ε₁＝rd/RL，另一個光纖光柵9產生大小相同，正負相反的壓縮應變ε₂＝-rd/RL。若環(huán)境溫度的變化量為ΔT,則所示的其中一個光纖光柵9和另一個光纖光柵9的中心波長漂移Δλ₁和Δλ₂分別可以表示為：

上式中,λ₁和λ₂分別為其中一個光纖光柵9和另一個光纖光柵9的中心波長初始值，α_f、ξ_f和P_e分別代表單模光纖6的熱膨脹系數、熱光系數和有效弾光系數，一般取值分別為0.5x10-6/℃、7.5x10-6/℃和0.22。將ε₁＝rd/RL和ε₂＝-rd/RL分別代入上式，則可以得到：

因此，通過差分求解可排除環(huán)境溫度變化ΔT的影響，獲得微位移量d的準確大小。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。