專利名稱：光纖光柵位移傳感器及傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位移的測量，特別涉及光纖光柵位移傳感器及傳感方法。
背景技術(shù)：
光纖在微小拉伸時，光纖布拉格光柵(以下簡稱光柵)的波長與拉伸的微小位移量呈線性關(guān)系。光纖光柵裂縫計即是通過一定的裝置，線性放大該微小位移，實現(xiàn)對外部較大位移的測量。圖I示意性地給出了現(xiàn)有技術(shù)中裂縫計的原理圖，如圖I所示，當外界具有位移時，裂縫計的拉桿抽拉動作時，與拉桿連接斜面則會引起觸桿的上頂，觸桿上頂又會引起光柵應變梁撓度的變化，該撓度的變化則會傳遞至光柵，使光柵發(fā)生測量的波長變化。光柵應變梁彈性范圍內(nèi)小的撓度變化可近似線性，該結(jié)構(gòu)的裂縫計即通過斜面-撓度的線性變 換，實現(xiàn)拉桿大位移的測量。量程為斜面的水平長度，靈敏度為觸桿處在斜面底部、頂部時光柵波長差與量程的比值。由于光纖本身材質(zhì)的原因，在彈性范圍內(nèi)，光柵的拉伸量很小(即波長變化量很小)。實際應用中，為了保護光柵不受損壞，裂縫計中光柵的波長變化一般控制在4nm左右。目前，光纖行業(yè)中的裂縫計全部采用單光柵進行位移測量，存在諸多不足，如I、裂縫計的量程一定時，靈敏度最大為4nm/量程，無法再提高；2、保持最大的靈敏度時，無法提高量程；3、每一個量程區(qū)間內(nèi)，靈敏度恒定，不存在多段靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)方案中的不足，本發(fā)明提供了一種量程大、靈敏度高的光纖光柵位移傳感器以及方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的光纖光柵位移傳感器，所述位移傳感器包括至少兩個光纖光柵，所述光纖光柵的一端固定，另一端分別安裝在不同的應變梁上；至少兩個應變梁，所述應變梁的一端固定，應變梁上具有與斜面接觸的接觸件；斜面；在不同時刻，至少兩個應變梁上的接觸件在斜面上的位置信息的組合具有不同；當外界具有位移時，所述接觸件在所述斜面上具有相對移動，發(fā)生應變的所述應變梁使得所述光纖光柵產(chǎn)生應變；探頭，所述探頭與所述斜面連接；分析模塊，所述分析模塊根據(jù)所述光纖光柵的應變的組合而得到外界位移。根據(jù)上述的位移傳感器，可選地，所述斜面為一個，所述至少兩個應變梁的接觸件分時間地處于所述斜面上，或者分別處于所述斜面的不同高度上。根據(jù)上述的位移傳感器，可選地，所述斜面為兩個或兩個以上，所述至少兩個應變梁的接觸件分別能夠在一個或一個以上斜面上相對移動。根據(jù)上述的位移傳感器，可選地，在同一時刻，僅有一個接觸件處于斜面上，或者不同的接觸件分別處于不同的斜面上。根據(jù)上述的位移傳感器，可選地，所述斜面是平面或曲面。根據(jù)上述的位移傳感器，可選地，所述分析模塊用于根據(jù)所述光纖光柵的應變的組合而獲知外界位移所處的量程、靈敏度區(qū)間。本發(fā)明的目的還通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)光纖光柵位移傳感方法，所述傳感方法包括以下步驟(Al)外界具有位移時，探頭推動斜面運動，至少兩個應變梁上的接觸件與所述斜面的相對位置信息的組合發(fā)生變化，從而使得分別與應變梁連接的至少兩個光纖光柵發(fā)生應變；(A2)分析所述至少兩個光纖光柵的應變的組合，從而獲知外界位移。根據(jù)上述的傳感方法，可選地，所述步驟(A2)采用的分析方法為
(BI)根據(jù)所述相對位置信息的組合而得出外界位移所處的量程區(qū)間；(B2)根據(jù)所述光纖光柵的應變而導致的對光的波長的影響、所述區(qū)間而獲知外界位移。根據(jù)上述的傳感方法，可選地，在斜面和接觸件的相對移動過程中，至少兩個接觸件分時間地處于斜面上，或同時處于不同的斜面上。根據(jù)上述的傳感方法，可選地，在相對移動過程中，接觸件至少在一個斜面上發(fā)生相對移動。根據(jù)上述的傳感方法，可選地，所述斜面是平面或曲面。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果為I、在量程一定的情況下，(成倍地)提高了位移傳感器的靈敏度，不同的結(jié)構(gòu)形式可以提高不同的倍數(shù)；2、在量程范圍內(nèi)，可以將靈敏度分段，不同的量程段對應不同的靈敏度；3、在靈敏度一定的情況下，提高位移傳感器的量程。


參照附圖，本發(fā)明的公開內(nèi)容將變得更易理解。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是這些附圖僅僅用于舉例說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而并非意在對本發(fā)明的保護范圍構(gòu)成限制。圖中圖I是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中裂縫計的基本結(jié)構(gòu)圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例1、2的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例I的位移傳感方法的流程圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例3的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例4的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例4的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明實施例5的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明實施例6的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖9是根據(jù)本發(fā)明實施例7的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明實施例8的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式圖2-10和以下說明描述了本發(fā)明的可選實施方式以教導本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實施和再現(xiàn)本發(fā)明。為了教導本發(fā)明技術(shù)方案，已簡化或省略了一些常規(guī)方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應該理解源自這些實施方式的變型或替換將在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應該理解下述特征能夠以各種方式組合以形成本發(fā)明的多個變型。由此，本發(fā)明并不局限于下述可選實施方式，而僅由權(quán)利要求和它們的等同物限定。實施例I :
圖2示意性地給出了本發(fā)明實施例的光纖光柵位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，所述傳感器包括至少兩個光纖光柵，如布拉格光柵，所述光纖光柵的一端固定，另一端分別安裝在不同的應變梁上；至少兩個應變梁，所述應變梁的一端固定，應變梁上具有與斜面接觸的接觸件；至少一個接觸件的初始位置處于斜面的底端；所述應變梁是本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。斜面；在不同時刻，至少兩個應變梁上的接觸件在斜面上的位置信息的組合具有不同，也即所述接觸件處于與斜面的相對位置不同，如同一斜面的不同高度處，或一部分接觸件處于斜面上另一部分處于平面上，或不同斜面的相同高度處，或不同斜面的不同高度處；當外界具有位移時，所述接觸件在所述斜面上具有相對移動，發(fā)生應變的所述應變梁使得所述光纖光柵產(chǎn)生應變；探頭，所述探頭與所述斜面連接；分析模塊，所述分析模塊根據(jù)所述光纖光柵的應變的組合而得到外界位移，該位移對應一定的靈敏度。當然，所述傳感器還包括光源、分路器和光譜儀，光源發(fā)出的光通過分路器的一路進入光纖，在經(jīng)過光纖光柵時，一部分光被原路反射回來，經(jīng)過分路器后被光譜儀接收，即可獲得光纖光柵的波長變化。這些器件以及具體連接方式對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是容易理解的現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。圖3示意性地給出了本發(fā)明實施例的光纖光柵位移傳感方法的流程圖。如圖3所示，所述傳感方法包括以下步驟(Al)外界具有位移時，探頭推動斜面運動，至少兩個應變梁上的接觸件與所述斜面的相對位置信息的組合發(fā)生變化，，也即所述接觸件處于與斜面的相對位置不同，如同一斜面的不同高度處，或一部分接觸件處于斜面上另一部分處于平面上，或不同斜面的相同高度處，或不同斜面的不同高度處；從而使得分別與應變梁連接的至少兩個光纖光柵發(fā)生應變；(A2)分析所述至少兩個光纖光柵的應變的組合，從而獲知外界位移，該位移對應
一定的靈敏度。根據(jù)本發(fā)明實施例I達到的益處在于使用至少兩個光纖光柵，使得在同樣位移的情況下有不同的波長變化，從而獲得不同的波長變化組合，也即不同的靈敏度。實施例2 根據(jù)本發(fā)明實施例I的光纖光柵位移傳感器在裂縫計中的應用例。圖2示意性地給出了本發(fā)明實施例的裂縫計的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，第一應變梁上的第一接觸件從斜面(僅一個斜平面)的底端滑到頂點時，安裝在第一應變梁上的第一光纖光柵的波長變化為△ Xml，也即其最大波長變化。第二應變梁上的第二接觸件從斜面的底端滑到頂點時，安裝在第二應變梁上的第二光纖光柵的波長變化為△ X1112，也即其最大波長變化。上述第一和第二接觸件是一前一后安裝，間距為L，斜面的正投影的長度為a，第 一接觸件的初始位置為斜面的底端。對于上述裂縫計,量程為R = L+a,若R > 2L,第一光纖光柵的波長變化Y1、第二光纖光柵波長變化y2與探頭位移X的關(guān)系分別為
A 0當0彡X < L時，也即量程段為
,^、y2(x-L)
R-LR-L
即組合(yi，y2)中，第一和第二接觸件都處于 K-LK-L
斜面上；該量程段內(nèi)的靈敏度為A^i+^)=
Ax Ax R _ 乙 R 一 L
A 0當R_L<x彡R時，也即量程段為(R_L，R]，yi = A 入 ml、y2=~&-(X-I),也即
R — L
組合(yi，y2) ^,^r\R-2L)<y2<Mm2，僅有第二接觸件處于斜面上；該量程段內(nèi)的靈K-L
敏度為！ 二 A(a 土么)=。
Ax Ax R-L由各量程段內(nèi)靈敏度的表達式可知，可通過調(diào)整各參數(shù)去改變靈敏度，如增大L以提聞靈敏度。對于上述裂縫計，量程為R = L+a，若R = 2L，第一光纖光柵的波長變化yi、第二光纖光柵波長變化y2與探頭位移X的關(guān)系分別為當0彡X彡L時，也即量程段為
，h =^--X, y2 = 0，也即組合
Lj
(Y1, I2)中，0 ^ Y1 ^ A Affll,僅有第一接觸件處于斜面上；該量程段內(nèi)的靈敏度為AY _ Ajy1 +y2) = AAmlAx AxL當L < X < R 時，也即量程段為(L，R]，Y1 = A 入 ml、y2 = —_Z)，也即組
Lj合(Y1, y2)中，O <y2^ A Affl2,僅有第二接觸件處于斜面上；該量程段內(nèi)的靈敏度為Ar _ A(yi+y2)= A^m2。
Ax AxL由各量程段內(nèi)靈敏度的表達式可知，不同量程段對應不同的靈敏度，還可通過調(diào)整各參數(shù)去改變靈敏度，如減小L以提高靈敏度。在整個量程內(nèi)，同一時刻僅有一個接觸件處于斜面上。上述裂縫計在工作時(對應于位移傳感方法)，過程為(Al)測得第一、第二光纖光柵的波長變化的組合(yi，J2) (.J1對應于第一接觸件的在主測斜面上的位置信息，y2對應于第二接觸件的在輔測斜面上的位置信息)，并送往分析模塊；
(A2)分析模塊根據(jù)上述波長變化yi、y2以得到適用的波長變化與位移的關(guān)系式，利用該關(guān)系式獲知位移X及靈敏度。根據(jù)本發(fā)明實施例2達到的益處在于使用至少兩個光纖光柵，使得在同樣位移的情況下有不同的波長變化，從而獲得不同的波長變化組合，也即不同的靈敏度。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，在量程相同的情況下提高了靈敏度，也增加了靈敏度的組合；在靈敏度相同的情況下，提高了量程。實施例3 根據(jù)本發(fā)明實施例I的光纖光柵位移傳感器在裂縫計中的應用例。圖4示意性地給出了本發(fā)明實施例的裂縫計的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，第一應變梁上的第一接觸件從斜面(僅一個斜平面)的底端滑到頂點時，安裝在第一應變梁上的第一光纖光柵的波長變化為△ Xml，也即其最大波長變化。第二應變梁上的第二接觸件從斜面的底端滑到頂點時，安裝在第二應變梁上的第二光纖光柵的波長變化為△ X1112，也即其最大波長變化。第三應變梁上的第三接觸件從斜面的底端滑到頂點時，安裝在第三應變梁上的第三光纖光柵的波長變化為△ X1113，也即其最大波長變化。上述第一、第二和第三接觸件是前后安裝，間距分別為U、L2, L = LJL2小于斜面的正投影的長度a。第一接觸件的初始位置處于斜面的底端。對于上述裂縫計，量程為R = L+a,且R > 2L，第一光纖光柵的波長變化Y1、第二光纖光柵波長變化y2和第三光纖光柵波長變化y3與探頭位移X的關(guān)系分別為
八義當0 < X < L1 時，也即量程段為
, Y1 = m}~-x ' y2 = 0> y3 = 0,也即組
R-L
A ^
合G1, y2，y3)中，O^y1，僅有第一接觸件處于斜面上；該量程段內(nèi)的靈敏度為
ti — L
AF _ A(y1+y2+y3)_
AxAxR~L
A 。Al當L1 < X < L 時，也即量程段為(L1, L),^% = —^ (x-L1), y3 =
R-LR-L
0，也即組合(yi，y2，y3)中，-L^y1K I、0 < y2 < Z2，第一和第二接觸件
R-LK-LR-L
都處于同一斜面上；該量程段內(nèi)的靈敏度為—= A^i+yz+>;^=^%+-^-
AxAxR-L R-L
當L 彡 x 彡 R-L 時，也即量程段為
權(quán)利要求
1.光纖光柵位移傳感器，所述位移傳感器包括 至少兩個光纖光柵，所述光纖光柵的一端固定，另一端分別安裝在不同的應變梁上； 至少兩個應變梁，所述應變梁的一端固定，應變梁上具有與斜面接觸的接觸件； 斜面；在不同時刻，至少兩個應變梁上的接觸件在斜面上的位置信息的組合具有不同；當外界具有位移時，所述接觸件在所述斜面上具有相對移動，發(fā)生應變的所述應變梁使得所述光纖光柵產(chǎn)生應變； 探頭，所述探頭與所述斜面連接； 分析模塊，所述分析模塊根據(jù)所述光纖光柵的應變的組合而得到外界位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的位移傳感器，其特征在于所述斜面為一個，所述至少兩個應變梁的接觸件分時間地處于所述斜面上，或者分別處于所述斜面的不同高度上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的位移傳感器，其特征在于所述斜面為兩個或兩個以上，所述至少兩個應變梁的接觸件分別能夠在一個或一個以上斜面上相對移動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的位移傳感器,其特征在于在同一時刻,僅有一個接觸件處于斜面上，或者不同的接觸件分別處于不同的斜面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的位移傳感器，其特征在于所述斜面是平面或曲面。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5任一所述的位移傳感器，其特征在于所述分析模塊用于根據(jù)所述光纖光柵的應變的組合而獲知外界位移所處的量程、靈敏度區(qū)間。
7.光纖光柵位移傳感方法，所述傳感方法包括以下步驟 (Al)外界具有位移時，探頭推動斜面運動，至少兩個應變梁上的接觸件與所述斜面的相對位置信息的組合發(fā)生變化，從而使得分別與應變梁連接的至少兩個光纖光柵發(fā)生應變； (A2)分析所述至少兩個光纖光柵的應變的組合，從而獲知外界位移。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感方法，其特征在于所述步驟(A2)采用的分析方法為 (BI)根據(jù)所述相對位置信息的組合而得出外界位移所處的量程區(qū)間； (B2)根據(jù)所述光纖光柵的應變而導致的對光的波長的影響、所述區(qū)間而獲知對應于不同靈敏度的外界位移。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感方法，其特征在于在斜面和接觸件的相對移動過程中，至少兩個接觸件分時間地處于斜面上，或同時處于不同的斜面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感方法，其特征在于在相對移動過程中，接觸件至少在一個斜面上發(fā)生相對移動。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10任一所述的傳感方法，其特征在于所述斜面是平面或曲面。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光纖光柵位移傳感方法，所述傳感方法包括以下步驟(A1)外界具有位移時，探頭推動斜面運動，至少兩個應變梁上的接觸件與所述斜面的相對位置信息的組合發(fā)生變化，從而使得分別與應變梁連接的至少兩個光纖光柵發(fā)生應變；(A2)分析所述至少兩個光纖光柵的應變、所述相對位置信息的組合，從而獲知對應于不同靈敏度的外界位移。本發(fā)明具有測量量程大、靈敏度高等優(yōu)點。
文檔編號G01B11/02GK102749035SQ20121023590
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者劉勝利, 張艷輝, 陳建華 申請人:聚光科技(杭州)股份有限公司