專利名稱：一種光纖光柵傾角傳感器及標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種光纖光柵傾角傳感器及標(biāo)定方法，屬于壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外資料的查閱發(fā)現(xiàn)，到目前為止，有關(guān)光纖光柵傾角傳感器方面的研究很少，還處于探索階段。2000年，F(xiàn)erdinand等人利用光纖光柵研制出第一個(gè)光纖光柵傾角傳感器，兩根光纖布拉格光柵對(duì)稱的張拉在固定端與轉(zhuǎn)動(dòng)端之間，當(dāng)結(jié)構(gòu)物旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)光柵的波長(zhǎng)向相反的方向變化，但是受溫度的影響是一致的。因而實(shí)現(xiàn)了溫度自補(bǔ)償。2003年，Guan等人利用支架、擺錘、光柵，擺錘懸掛在支架上，能夠自由的擺動(dòng)，光纖光柵以能阻止擺錘擺動(dòng)的方式連接擺錘和支架，一側(cè)連接錘擺，另一側(cè)連接支架，且光柵處于拉伸狀態(tài)，從而使對(duì)稱布置的光柵發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變，測(cè)量從光柵反射回來(lái)的波長(zhǎng)的變化來(lái)計(jì)算傾斜角度。2004年，Zhao等人把兩根光纖光柵對(duì)稱的貼于帶了擺錘的等強(qiáng)度梁上，通過(guò)測(cè)量梁的應(yīng)變來(lái)計(jì)算傾斜角度。2005年，Dong等人將三根光纖光柵貼于三片按120°布置的應(yīng)變梁上，應(yīng)變梁通過(guò)鋼弦與擺錘上方的圓盤相連，此種方法不但同時(shí)測(cè)量角度的大小還可以測(cè)量角度方向， 但精度較低。2006年，Toshimitsu等人應(yīng)用一根光纖光柵與擺錘相連制作的傾角傳感器溫度影響較大?，F(xiàn)有的光纖光柵傾角傳感器由于測(cè)量精度低、壽命短、體積大等缺點(diǎn)難以應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)，為此設(shè)計(jì)制作新型的光纖光柵傾角傳感器，對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光纖光柵傾角傳感器及標(biāo)定方法，使其能方便的用于土木工程結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中。本發(fā)明一種光纖光柵傾角傳感器，包括擺、轉(zhuǎn)軸、工作光纖光柵、溫度補(bǔ)償光纖光柵、保護(hù)盒；所述擺的一端通過(guò)所述轉(zhuǎn)軸鉸裝在所述保護(hù)盒內(nèi)，另一端自由懸置在所述保護(hù)盒中；所述工作光纖光柵通過(guò)引線從保護(hù)盒內(nèi)引出且一端固定在所述保護(hù)盒內(nèi)，另一端連接在所述擺的自由懸置端；所述的溫度補(bǔ)償光纖光柵安裝在所述保護(hù)盒中，并通過(guò)引線從保護(hù)盒內(nèi)引出。本發(fā)明中，所述擺由不銹鋼材料制成。本發(fā)明中，所述保護(hù)盒由鋁合金材料制成。本發(fā)明中，所述工作光纖光柵與溫度補(bǔ)償光纖光柵，采用相位掩模法在摻鍺光敏光纖中寫入。
本發(fā)明一種光纖光柵傾角傳感器的標(biāo)定方法，包括下述步驟第一步準(zhǔn)備一工字型簡(jiǎn)支梁、一光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀、一千分表、一水平尺； 所述簡(jiǎn)支梁的一端鉸裝在鉸軸上，另一端由一千斤頂支撐；第二步用水平尺將工字型簡(jiǎn)支梁軸線調(diào)整至水平，然后，將光纖光柵傾角傳感器粘貼在梁表面，使光纖光柵傾角傳感器的軸線與梁的軸線垂直；此時(shí)，光纖光柵傾角傳感器中的光纖光柵處于無(wú)應(yīng)變狀態(tài)；將光纖光柵傾角傳感器與光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀電連接；第三步調(diào)整千斤頂活塞的形程，使所述簡(jiǎn)支梁繞其鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)，按步長(zhǎng)Δ θ = 0.2°逐步改變簡(jiǎn)支梁的傾角，同時(shí)用千分表實(shí)時(shí)測(cè)量所述簡(jiǎn)支梁的傾角θ i;達(dá)到測(cè)量上限后靜置5分鐘，再平穩(wěn)下降至測(cè)量下限，以傾角逆時(shí)針增大為正行程，正行程和反行程， 往反一次為1個(gè)循環(huán)；首先，記錄θ =0°時(shí)，光纖光柵傾角傳感器中光纖光柵的中心波長(zhǎng)值Α°Ε、；然后，按設(shè)定步長(zhǎng)進(jìn)行正行程、反行程的測(cè)量，在每個(gè)傾角點(diǎn)Qi靜置2分鐘， 待光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄光纖光柵傾角傳感器中的兩根光纖光柵在相應(yīng)傾角處的中心波長(zhǎng)值Α正、4正，I、4反，i = 1.2…m;最后，記錄反行程結(jié)束時(shí)，θ =0°的光纖光柵傾角傳感器中光纖光柵的中心波長(zhǎng)值<&、；第四步以傾角θ為橫坐標(biāo)、中心波長(zhǎng)變化之差Δ λ為縱坐標(biāo)設(shè)置笛卡爾直角坐標(biāo)系，其中，Δλ為光纖光柵傾角傳感器在相應(yīng)轉(zhuǎn)角處實(shí)時(shí)測(cè)量的光纖光柵中心波長(zhǎng)值變化Δ々正與正或與之差，即Δ々正-Δ4正或AA1^ - ΑΛ;&，其中 Δ々正=乂正一<正，AA^ =^-^,Δ義反二《反]20反；根據(jù)第三步所得的Θρ^^、數(shù)據(jù)，得到中心波長(zhǎng)變化之差Δ λ數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散分布圖，根據(jù)離散分布圖中△ λ數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布形狀，采用一次多項(xiàng)式對(duì)離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合， 確定一次多項(xiàng)式為<約)=嵙…+義=Δ々-AA^，式中Φ ( θ j)是以傾角θ j為自變量的函數(shù)， 其中θ j為實(shí)際工程中所需測(cè)量的傾角，Δ々-Δ《為實(shí)際工程中所測(cè)量的光纖光柵傾角傳感器中光纖光柵中心波長(zhǎng)值變化Δ々與Δ《之差；
2 第五步根據(jù)最小二乘法原理，有
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵傾角傳感器，包括擺、轉(zhuǎn)軸、工作光纖光柵、溫度補(bǔ)償光纖光柵、保護(hù)盒；所述擺的一端通過(guò)所述轉(zhuǎn)軸鉸裝在所述保護(hù)盒內(nèi)，另一端自由懸置在所述保護(hù)盒中； 所述工作光纖光柵通過(guò)引線從保護(hù)盒內(nèi)引出且一端固定在所述保護(hù)盒內(nèi)，另一端連接在所述擺的自由懸置端；所述的溫度補(bǔ)償光纖光柵安裝在所述保護(hù)盒中，并通過(guò)引線從保護(hù)盒內(nèi)引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵傾角傳感器，其特征在于所述擺由不銹鋼材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵傾角傳感器，其特征在于所述保護(hù)盒由鋁合金材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵傾角傳感器，其特征在于所述工作光纖光柵與溫度補(bǔ)償光纖光柵，采用相位掩模法在摻鍺光敏光纖中寫入。
5.一種光纖光柵傾角傳感器的標(biāo)定方法，包括下述步驟第一步準(zhǔn)備一工字型簡(jiǎn)支梁、一光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀、一千分表、一水平尺；所述簡(jiǎn)支梁的一端鉸裝在鉸軸上，另一端由一千斤頂支撐；第二步用水平尺將工字型簡(jiǎn)支梁軸線調(diào)整至水平，然后，將光纖光柵傾角傳感器粘貼在梁表面，使光纖光柵傾角傳感器的軸線與梁的軸線垂直；此時(shí)，光纖光柵傾角傳感器中的光纖光柵處于無(wú)應(yīng)變狀態(tài)；將光纖光柵傾角傳感器與光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀電連接；第三步調(diào)整千斤頂活塞的形程，使所述簡(jiǎn)支梁繞其鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)，按步長(zhǎng)Δ θ =0.2° 逐步改變簡(jiǎn)支梁的傾角，同時(shí)用千分表實(shí)時(shí)測(cè)量所述簡(jiǎn)支梁的傾角θ i ；達(dá)到測(cè)量上限后靜置5分鐘，再平穩(wěn)下降至測(cè)量下限，以傾角逆時(shí)針增大為正行程，正行程和反行程，往反一次為1個(gè)循環(huán)；首先，記錄θ =0°時(shí)，光纖光柵傾角傳感器中光纖光柵的中心波長(zhǎng)值 Λ°ιε> 然后，按設(shè)定步長(zhǎng)進(jìn)行正行程、反行程的測(cè)量，在每個(gè)傾角點(diǎn)Qi靜置2分鐘，待光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄光纖光柵傾角傳感器中的兩根光纖光柵在相應(yīng)傾角處的中心波長(zhǎng)值A(chǔ)1正、4正，Α反、4反，i = 1.2…m;最后，記錄反行程結(jié)束時(shí)，θ = 0°的光纖光柵傾角傳感器中光纖光柵的中心波長(zhǎng)值<&、A0r;第四步以傾角θ為橫坐標(biāo)、中心波長(zhǎng)變化之差Δ λ為縱坐標(biāo)設(shè)置笛卡爾直角坐標(biāo)系，其中，Δλ為光纖光柵傾角傳感器在相應(yīng)轉(zhuǎn)角處實(shí)時(shí)測(cè)量的光纖光柵中心波長(zhǎng)值變化Δ々正與或與ΔΑ;反之差，即Δ々正-A^1或- ΑΛ;&，其中 Δ々正=氺正_<正，Δ《正=4正_々。正，Δ/l；反=A反反，ΔΑ;反=義反-/L20反；根據(jù)第三步所得的θρ/ ^、4&數(shù)據(jù)，得到中心波長(zhǎng)變化之差Δ λ數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散分布圖，根據(jù)離散分布圖中△ λ數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布形狀，采用一次多項(xiàng)式對(duì)離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合， 確定一次多項(xiàng)式為￠(0) =+義=Δ々-A^，式中Φ ( θ ρ是以傾角θ j為自變量的函數(shù)， 其中θ j為實(shí)際工程中所需測(cè)量的傾角，為實(shí)際工程中所測(cè)量的光纖光柵傾角傳感器中光纖光柵中心波長(zhǎng)值變化Δ/l；與Δ《之差； mΔ第五步根據(jù)最小二乘法原理，有—ρ Σ「Mt - AA正+ Al - AA反，ΦΙ61； GΦ .^L\ ζ」2Φ為一次多項(xiàng)式集合；取j = i，
全文摘要
一種光纖光柵傾角傳感器，包括擺、轉(zhuǎn)軸、工作光纖光柵、溫度補(bǔ)償光纖光柵、保護(hù)盒；所述擺的一端鉸裝在所述保護(hù)盒內(nèi)，另一端自由懸置；工作光纖光柵一端固定在保護(hù)盒內(nèi)，另一端連接在擺的自由懸置端；溫度補(bǔ)償光纖光柵安裝在所述保護(hù)盒中；其標(biāo)定方法是，使光纖光柵傾角傳感器軸線與梁的軸線垂直并粘貼在梁表面；按設(shè)計(jì)步長(zhǎng)改變梁的傾角；記錄每個(gè)傾角點(diǎn)θi時(shí)所述傳感器的中心波長(zhǎng)值λi，i＝1.2...m；以傾角θ為橫坐標(biāo)、相應(yīng)轉(zhuǎn)角處實(shí)時(shí)測(cè)量的傳感器中心波長(zhǎng)變化之差Δλ為縱坐標(biāo)設(shè)置笛卡爾直角坐標(biāo)系；根據(jù)所得的θi、λi數(shù)據(jù)，得到Δλ數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散分布圖，根據(jù)離散分布圖中Δλ數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布形狀，確定采用對(duì)離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，根據(jù)最小二乘法原理、求多元極值的必要條件及θi、λi數(shù)據(jù)，計(jì)算得β1、λ，得到擬合的實(shí)現(xiàn)擺錘-等截面梁光纖光柵傾角傳感器的標(biāo)定，即本發(fā)明測(cè)量精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，適于工業(yè)化生產(chǎn)，特別適用于土木工程結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01B11/26GK102175185SQ20111002291
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者任偉新, 伍賢智 申請(qǐng)人:中南大學(xué)