專利名稱：溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位移測量裝置，尤其是對土木工程結(jié)構(gòu)模型試驗和長期使用過程中 的位移進(jìn)行測量的傳感器。
背景技術(shù)：
目前，普通電式、振弦式位移傳感器安裝在結(jié)構(gòu)上，可以短期或者長期測量結(jié)構(gòu)在 各種荷載下的位移，以分析結(jié)構(gòu)的受力狀況。但此類位移傳感器在工程應(yīng)用中尚有一定 的局限性，如電式位移傳感器容易受到電磁干擾、測量信號不穩(wěn)定，振弦式位移傳感器 長期使用時會產(chǎn)生徐變、長期穩(wěn)定性差等。
為了開發(fā)性能更為優(yōu)良的位移傳感器用于結(jié)構(gòu)的狀態(tài)測量，選用新型的測量原理并 進(jìn)行合理的傳感器設(shè)計是有效途徑之一。光纖布拉格光柵傳感(Fiber Bragg Grating, FBG)是一種新型的傳感原理，它以光波為信號載體，并采用波長調(diào)制，不受光強(qiáng)的影 響，信號穩(wěn)定，在土木工程結(jié)構(gòu)的各種場合都具有良好的傳感性能。利用光纖光柵原理 制作的位移傳感器能有效的測量結(jié)構(gòu)的位移，且制作出的傳感器具有體積小、測量精度 高、抗電磁干擾、耐腐蝕、可靠性和穩(wěn)定性好、耐久性好等優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種光纖光柵位移傳感器，它能對工程結(jié)構(gòu)的位移 反應(yīng)進(jìn)行實時準(zhǔn)確的測量；同時，在測量的過程中能自動對溫度變化引起的干擾進(jìn)行補(bǔ) 償并且獲得測量點的溫度值。
技術(shù)方案本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
本發(fā)明的溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器，該溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器的外 殼由金屬盒和金屬盒蓋組成，還包括探頭、隔板、連接桿、限位板、左光纖光柵傳感裝 置和右光纖光柵傳感裝置；其中隔板橫向設(shè)置在金屬盒的內(nèi)部、左右兩端及底部與金屬 盒內(nèi)壁固定，將金屬盒分割成上下兩個空腔，隔板中部開設(shè)有長孔；探頭布置在金屬盒 的上部空腔內(nèi)，兩端分別從金屬盒的左右兩側(cè)壁穿出；連接桿的一端穿過長孔與探頭相 連，連接桿在位于隔板的上下兩側(cè)分別設(shè)置限位板，以防止連接桿發(fā)生上下滑動；左光纖光柵傳感裝置和右光纖光柵傳感裝置結(jié)構(gòu)相同，在金屬盒的下部空腔內(nèi)相互對稱放 置，分別通過彈簧與連接桿的另一端連接；
所述左光纖光柵傳感裝置從左至右依次設(shè)置左金屬連接塊、第一光纖光柵傳感器、 右金屬連接塊與左彈簧；其中左金屬連接塊的左端與金屬盒的內(nèi)壁固定連接，第一光纖 光柵傳感器的左右兩端分別連接左金屬連接塊的右端和右金屬連接塊的左端，右金屬連 接塊的右端與左彈簧的一端連接，左彈簧的另一端與連接桿的另一端連接；
所述右光纖光柵傳感裝置與左光纖光柵傳感裝置結(jié)構(gòu)對稱，從左至右依次包括右彈 簧、第一金屬連接塊、第二光纖光柵傳感器、第二金屬連接塊，右彈簧的左端與連接桿 的另一端連接，右彈簧的右端與第一金屬連接塊的左端連接，第二光纖光柵傳感器的左 右兩端分別與第一金屬連接塊的右端、第二金屬連接塊的左端連接，第二金屬連接塊的 右端與金屬盒的右側(cè)壁固定；
第一光纖光柵傳感器的光纖導(dǎo)線的一端依次穿過左金屬連接塊、金屬盒的內(nèi)壁后伸 出金屬盒的外部形成第一尾纖，另一端穿過右金屬連接塊后形成第二尾纖；第二光纖光 柵傳感器的光纖導(dǎo)線的一端穿過第一金屬連接塊后形成第三尾纖，另一端依次穿過第二 金屬連接塊和金屬盒的右側(cè)壁后形成第四尾纖；第一光纖光柵傳感器與第二光纖光柵傳 感器通過第二尾纖與第三尾纖焊接連接；
本發(fā)明的溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器，左光纖光柵傳感裝置和右光纖光柵傳感 裝置與金屬盒底板的接觸面以及限位板與隔板之間的接觸面設(shè)置潤滑材料。
本發(fā)明的溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器，所述第一光纖光柵傳感器包括毛細(xì)金屬 管、環(huán)氧樹脂、裸光纖光柵，其中裸光纖光柵被環(huán)氧樹脂封裝在毛細(xì)金屬管中，裸光纖 光柵的兩端分別穿出毛細(xì)金屬管的兩端在管腔外形成第一尾纖和第二尾纖；所述第二光 纖光柵傳感器與第一光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)相同。
有益效果
本發(fā)明的溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器，在利用光纖光柵位移傳感器測量位移的 同時還能得到結(jié)構(gòu)的溫度變化，具有溫度自補(bǔ)償功能，不需要額外的溫度測量裝置。而 且其具有長期穩(wěn)定性好、測量精度高、量程大及性能穩(wěn)定等優(yōu)點。另外，本發(fā)明是將探
頭通過彈簧與光纖光柵相連并安裝于外殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)較為簡單。


圖1是本發(fā)明的內(nèi)部構(gòu)造示意圖2是圖1中沿A-A方向的剖面構(gòu)造示意3是圖1中沿B-B方向的剖面構(gòu)造示意圖；圖4金屬盒2的左視圖；圖5金屬盒2的右視圖；圖6是第一光纖光柵傳感器25構(gòu)造示意圖7是右光纖光柵傳感裝置構(gòu)造示意圖；圖8是隔板3的俯視圖9是左金屬連接塊15的剖視圖；圖10是右金屬連接塊18的剖視圖。
圖中有探頭l;金屬盒2;隔板3;連接桿4;限位板5;第一尾纖6;左彈簧7;第二尾纖8;第三尾纖9;右彈簧10;第四尾纖ll;金屬盒蓋12;導(dǎo)桿孔13;第一小孔14;左金屬連接塊15;毛細(xì)金屬管16;環(huán)氧樹脂17;右金屬連接塊18;裸光纖光柵19;第一金屬連接塊20;第二金屬連接塊21;隔板長孔22;第二小孔23;第三小孔24;第一光纖光柵傳感器25;第二光纖光柵傳感器26。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明
如圖1 圖IO所示，本發(fā)明溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器包括探頭1、金屬盒2、隔板3、連接桿4、限位板5、第一尾纖6、左彈簧7、第二尾纖8、第三尾纖9、右彈簧IO、第四尾纖ll、金屬盒蓋12、導(dǎo)桿孔13、第一小孔14、左金屬連接塊15、毛細(xì)金屬管16、環(huán)氧樹脂17、右金屬連接塊18、裸光纖光柵19、隔板長孔22、第二小孔23，第三小孔24、第一光纖光柵傳感器25、第二光纖光柵傳感器26;其中，隔板3橫向設(shè)置在金屬盒2的內(nèi)部、左右兩端及底部與金屬盒2內(nèi)壁固定，將金屬盒2分割成上下兩個空腔，隔板3上開長孔22;探頭1布置在金屬盒2的上部空腔內(nèi)，通過金屬盒2的左右兩側(cè)壁導(dǎo)桿孔13穿出，連接桿4通過隔板3的長孔22和探頭1相連，連接桿4在隔板3上下兩側(cè)分別設(shè)置限位板5，以防止連接桿4發(fā)生上下的滑動，產(chǎn)生位移偏差；將毛細(xì)金屬管16采用酒精洗凈烘干后固定于實驗臺座，裸光纖光柵19的光柵段去除涂敷層并用脫脂棉球蘸酒精擦凈后穿過毛細(xì)金屬管16，調(diào)整實驗臺座使裸光纖光柵19具有一定的預(yù)拉應(yīng)變并保持平直且位于毛細(xì)金屬管16的中心，在毛細(xì)金屬管16中灌入環(huán)氧樹脂17，加熱使環(huán)氧樹脂17凝固，從而形成第一光纖光柵傳感器25;在金屬盒2的下部空腔內(nèi)，將第一光纖光柵傳感器25左端與左金屬連接塊15粘接，右端與右金屬連接塊18粘接；并將光纖導(dǎo)線一端依次穿過左金屬連接塊12的第二小孔23、金屬外殼2的第一小孔14后形成第一尾纖6，另一端穿過右金屬連接塊18的第三小孔24后形成第二尾纖8;左金屬連接塊15和金屬盒2的左側(cè)壁固定，右金屬連接塊18和左彈簧7左端相連，左彈簧7右端與連接桿4固定，左光纖光柵傳感裝置就制作完成，右光纖光柵傳感裝置與左光纖光柵傳感裝置結(jié)構(gòu)對稱放置于金屬盒2的下部空腔內(nèi)，從左至右依次包括右彈簧IO、第一金屬連接塊20、第二光纖光柵傳感器26、第二金屬連接塊21，右彈簧10的左端與連接桿4固定，右端與第一金屬連接塊20的左端連接，第二光纖光柵傳感器26的左右兩端分別與第一金屬連接塊20的右端、第二金屬連接塊21的左端連接，第二金屬連接塊21的右端與金屬盒2的右側(cè)壁固定；第二光纖光柵傳感器26的光纖導(dǎo)線的一端穿過第一金屬連接塊20后形成第三尾纖9，另一端依次穿過第二金屬連接塊21和金屬盒2的右側(cè)壁后形成第四尾纖11;第三尾纖9與第二尾纖8焊接連接；傳感器探頭1與傳感器外殼2發(fā)生相對位移時，通過連接桿4與探頭1相連的左彈簧7和右彈簧10帶動第一光纖光柵傳感器25和第二光纖光柵傳感器26伸長或縮短，從而使光柵反射波長產(chǎn)生漂移。
左光纖光柵傳感裝置和右光纖光柵傳感裝置與金屬盒底板的接觸面以及限位板5與
隔板3之間的接觸面設(shè)置潤滑材料。圖2中金屬盒蓋12與金屬盒2粘接形成傳感器外殼。下面對本發(fā)明的工作原理做進(jìn)一步詳細(xì)的說明
金屬盒和金屬盒蓋組成傳感器的外部結(jié)構(gòu)，主要起保護(hù)傳感器和幫助固定傳感器于待測點的作用；兩個光纖光柵傳感裝置和兩個與之相連的彈簧以及一個探頭形成傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)傳感器功能的主體。彈簧的剛度可以根據(jù)光纖光柵傳感裝置剛度和結(jié)構(gòu)測量的實際需要進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)傳感器探頭所在點與傳感器外殼固定點發(fā)生相對位移時，與探頭通過連接桿相連的彈簧帶動光纖光柵伸長或者縮短，從而產(chǎn)生光柵反射波長的漂移，光纖光柵解調(diào)儀通過檢測波長的漂移，并經(jīng)過一定的計算公式得出探頭所在點的位移。由于連接桿處在兩個光纖光柵的中間，在探頭與傳感器外殼相對運(yùn)動的過程中，總是會有其中一只光纖光柵伸長，另外一只光纖光柵壓縮，造成兩只光纖光柵波長漂移
方向相反，綜合利用兩只光纖光柵的波長漂移量可以消除光纖光柵傳感裝置由于溫度變化引起的波長漂移的影響并獲得測量點的位移變化和溫度變化，因而溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器具有溫度自補(bǔ)償功能，不需要額外的溫度測量裝置。
具體計算公式如下
根據(jù)模耦合理論，F(xiàn)BG中心波長與光纖光柵柵距的關(guān)系為-
AB = 2w-A (1)
其中，^是光纖光柵的反射波長；w是光纖光柵纖芯的有效折射率；A是光纖光柵的柵距。反射光信號的中心波長&跟光柵周期A和纖芯的有效折射率w有關(guān)，所以當(dāng)外界的被測量引起光纖光柵溫度、應(yīng)力改變都會導(dǎo)致反射光的中心波長發(fā)生變化。光纖光柵的中心波長漂移與溫度變化AT和應(yīng)變變化As的關(guān)系為
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，"=1，為光纖的熱膨脹系數(shù)，《=1宇為光纖材料的熱光系數(shù)，I，
為光纖材料的彈光系數(shù)。
設(shè)光纖光柵傳感裝置的位移變化為AI ，左光纖光柵傳感裝置的標(biāo)距長度為a ，右光纖光柵傳感裝置的標(biāo)距長度為丄2 ，則左右兩光纖光柵由于位移引起的應(yīng)變?yōu)?
<formula>formula see original document page 8</formula>
綜合公式(3)、 (4)得:
<formula>formula see original document page 8</formula> (5)采用同一批光纖光柵封裝，左右兩光纖光柵傳感裝置的熱膨脹系數(shù)"r熱光系數(shù)
《、彈光系數(shù)《相同。將(2)式代入(5)式得
<formula>formula see original document page 8</formula>
左右兩光纖光柵傳感裝置的初始波長;131和;^2已知，通過檢測光纖光柵的波長漂移a;^和a;iS2 ，則光纖光柵傳感裝置的位移變化可得。
設(shè)光纖光柵傳感裝置的等效剛度為&，彈簧的剛度為〖2，則結(jié)構(gòu)的位移丄與光纖
光柵傳感裝置的位移為M之間的關(guān)系為
<formula>formula see original document page 8</formula>利用(2)式可得結(jié)構(gòu)的溫度變化為
△r = ^^[,-(1-，] (8)
在利用光纖光柵位移傳感器測量位移的同時還能得到結(jié)構(gòu)的溫度變化，而且其具有長期穩(wěn)定性好、測量精度高、量程大及性能穩(wěn)定等優(yōu)點。另外，本發(fā)明是將探頭通過彈簧與光纖光柵相連并安裝于外殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)較為簡單。
權(quán)利要求
1、一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器，該溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器的外殼由金屬盒(2)和金屬盒蓋(12)組成，其特征在于還包括探頭(1)、隔板(3)、連接桿(4)、限位板(5)、左光纖光柵傳感裝置和右光纖光柵傳感裝置；其中隔板(3)橫向設(shè)置在金屬盒(2)的內(nèi)部、左右兩端及底部與金屬盒(2)內(nèi)壁固定，將金屬盒(2)分割成上下兩個空腔，隔板(3)中部開設(shè)有長孔(22)；探頭(1)布置在金屬盒(2)的上部空腔內(nèi)，兩端分別從金屬盒(2)的左右兩側(cè)壁穿出；連接桿(4)的一端穿過長孔(22)與探頭(1)相連，連接桿(4)在位于隔板(3)的上下兩側(cè)分別設(shè)置限位板(5)，以防止連接桿(4)發(fā)生上下滑動；左光纖光柵傳感裝置和右光纖光柵傳感裝置結(jié)構(gòu)相同，在金屬盒(2)的下部空腔內(nèi)相互對稱放置，分別通過彈簧與連接桿(4)的另一端連接；所述左光纖光柵傳感裝置從左至右依次設(shè)置左金屬連接塊(15)、第一光纖光柵傳感器(23)、右金屬連接塊(18)與左彈簧(7)；其中左金屬連接塊(15)的左端與金屬盒(2)的內(nèi)壁固定連接，第一光纖光柵傳感器(25)的左右兩端分別連接左金屬連接塊(15)的右端和右金屬連接塊(18)的左端，右金屬連接塊(18)的右端與左彈簧(7)的一端連接，左彈簧(7)的另一端與連接桿(4)的另一端連接；所述右光纖光柵傳感裝置與左光纖光柵傳感裝置結(jié)構(gòu)對稱，從左至右依次包括右彈簧(10)、第一金屬連接塊(20)、第二光纖光柵傳感器(26)、第二金屬連接塊(21)，右彈簧(10)的左端與連接桿(4)的另一端連接，右彈簧(10)的右端與第一金屬連接塊(20)的左端連接，第二光纖光柵傳感器(26)的左右兩端分別與第一金屬連接塊(20)的右端、第二金屬連接塊(21)的左端連接，第二金屬連接塊(21)的右端與金屬盒(2)的右側(cè)壁固定；第一光纖光柵傳感器(25)的光纖導(dǎo)線的一端依次穿過左金屬連接塊(15)、金屬盒(2)的內(nèi)壁后伸出金屬盒(2)的外部形成第一尾纖(6)，另一端穿過右金屬連接塊(18)后形成第二尾纖(8)；第二光纖光柵傳感器(26)的光纖導(dǎo)線的一端穿過第一金屬連接塊(20)后形成第三尾纖(9)，另一端依次穿過第二金屬連接塊(21)和金屬盒(2)的右側(cè)壁后形成第四尾纖(11)；第一光纖光柵傳感器(25)與第二光纖光柵傳感器(26)通過第二尾纖(8)與第三尾纖(9)焊接連接。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器，其特征在于左光纖 光柵傳感裝置和右光纖光柵傳感裝置與金屬盒(2)底板的接觸面以及限位板(5)與隔板(3)之間的接觸面設(shè)置潤滑材料。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器，其特征在于所述第一光纖光柵傳感器(25)包括毛細(xì)金屬管(16)、環(huán)氧樹脂(17)、裸光纖光柵(19)， 其中裸光纖光柵(19)被環(huán)氧樹脂(17)封裝在毛細(xì)金屬管(16)中，裸光纖光柵(19) 的兩端分別穿出毛細(xì)金屬管(16)的兩端在管腔外形成第一尾纖(6)和第二尾纖(8); 所述第二光纖光柵傳感器(26)與第一光纖光柵傳感器(25)的結(jié)構(gòu)相同。
全文摘要
本發(fā)明提供一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵位移傳感器，它是利用毛細(xì)金屬管封裝的兩只裸光纖光柵通過金屬連接塊、彈簧和連接桿與探頭相連，形成位移傳感器實施其功能的主體，再將此主體安裝于金屬盒內(nèi)，最后將毛細(xì)金屬管的端部通過金屬連接塊與金屬盒固定，光纖從金屬連接塊和金屬盒側(cè)壁上的小孔穿出，探頭通過金屬盒的導(dǎo)桿孔可以自由伸縮。當(dāng)位移傳感器安裝于結(jié)構(gòu)上，在結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移時，探頭和金屬盒發(fā)生相對運(yùn)動，這使得光纖光柵伸長或者縮短，從而產(chǎn)生光纖光柵工作波長的漂移，利用位移傳感器的溫度補(bǔ)償理論和位移計算公式可以測試結(jié)構(gòu)的位移和溫度。
文檔編號G01B11/02GK101526339SQ20091002638
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者丁幼亮, 周廣東, 李愛群 申請人:東南大學(xué)