本發(fā)明屬于大型工程結(jié)構(gòu)傾角測(cè)量及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖傾角傳感器及其波分復(fù)用方法。

背景技術(shù)：

各種地面上的大型結(jié)構(gòu)如高層建筑、橋梁、大壩、大型裝備都要經(jīng)常監(jiān)測(cè)它們相對(duì)于鉛垂線的傾斜角度。目前，傾角測(cè)量傳感器從工作原理上可分為氣體擺式、液體擺式、固體擺式三種。氣體擺式有較強(qiáng)的抗振動(dòng)或沖擊能力，但氣體運(yùn)動(dòng)控制比較復(fù)雜，且測(cè)量精度不高。液體擺式傾角傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定，在高精度系統(tǒng)中，應(yīng)用較為廣泛，但測(cè)量范圍較小，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高。固體擺傾角傳感器有明確的擺長(zhǎng)和擺心，而在實(shí)用中產(chǎn)品類型較多為電磁擺式，其產(chǎn)品測(cè)量范圍、精度及抗過(guò)載能力較高，但易受電磁干擾，復(fù)用性差，組網(wǎng)困難，難以滿足工程大規(guī)模監(jiān)測(cè)要求。

由于上述傳統(tǒng)的傾角測(cè)量技術(shù)存在著種種弊端，近年來(lái)有人提出將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于傾角測(cè)量。基于光纖光柵傳感技術(shù)開(kāi)發(fā)的傾角傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：一是可靠性好，能夠?qū)崿F(xiàn)絕對(duì)測(cè)量；二是抗電磁干擾，電絕緣，能于易燃易爆環(huán)境下工作；三是復(fù)用性好，多個(gè)光纖傳感器可以很容易地串接在同一光纖上，便于組成測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。到目前為止，雖然該項(xiàng)研究工作取得了一些重要成果，但對(duì)于工程應(yīng)用還需要解決一些問(wèn)題。例如，專利ZL200310113187.8提供的傾角測(cè)量傳感器包括支架、擺錘、光柵，擺錘懸掛在支架上，能夠自由地?cái)[動(dòng)，光纖光柵以能夠阻止擺錘擺動(dòng)的方式連接擺錘和支架，當(dāng)被測(cè)物發(fā)生傾斜時(shí)，由于重力的作用，擺錘有發(fā)生擺動(dòng)的趨勢(shì)，從而使對(duì)稱布置的光柵波長(zhǎng)移動(dòng)互為相反，通過(guò)測(cè)量光柵反射光的波長(zhǎng)移動(dòng)量來(lái)計(jì)算傾斜角度。專利ZL201110023193.9將擺錘與等強(qiáng)度梁連接，被測(cè)物發(fā)生傾斜時(shí)，擺錘的重力慣性作用傳遞到等強(qiáng)度梁上，使對(duì)稱粘貼于等強(qiáng)度梁正反面的光柵光譜移動(dòng)方向互為相反，通過(guò)測(cè)量光譜的移動(dòng)來(lái)計(jì)算傾斜的角度。上述發(fā)明均采用光纖光柵作為傳感元件，因而具有抗電磁干擾性好、復(fù)用性強(qiáng)、組網(wǎng)方便、溫度自補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，但都有測(cè)量范圍大時(shí)測(cè)量精度難以滿足測(cè)量要求的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種光纖傾角傳感器及其波分復(fù)用方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案為：一種光纖傾角傳感器，其特征在于：它包括外殼、轉(zhuǎn)軸、擺臂和擺錘，其中轉(zhuǎn)軸設(shè)置在外殼內(nèi)的上部，擺錘通過(guò)擺臂連接在轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成只能在唯一平面內(nèi)擺動(dòng)的單擺系統(tǒng)，所述的擺臂上設(shè)有中心孔，中心孔上設(shè)有濾光片，濾光片的兩側(cè)分別設(shè)有光的輸入端和輸出端，濾光片與輸入端之間、濾光片與輸出端之間均設(shè)有準(zhǔn)直器，濾光片與準(zhǔn)直器同軸。

按上述方案，它還包括安裝底座，所述的外殼固定在安裝底座上。

按上述方案，所述的準(zhǔn)直器通過(guò)架體固定在安裝底座上。

按上述方案，所述的架體為U形架，U形架由2個(gè)固定臂和底部的安裝臂構(gòu)成，2個(gè)準(zhǔn)直器分別固定在2個(gè)固定臂上，安裝臂固定在所述的安裝底座上，所述的擺臂和擺錘位于2個(gè)固定臂之間。

一種波分復(fù)用的光纖傾角采集系統(tǒng)，其特征在于：它包括若干個(gè)所述的光纖傾角傳感器、2個(gè)1×n分路器、1個(gè)寬帶光源和1個(gè)波長(zhǎng)解調(diào)儀，其中1個(gè)1×n分路器將寬帶光源的光分為n路，分別經(jīng)過(guò)若干個(gè)光纖傾角傳感器后，由另1個(gè)1×n分路器匯為一路光信號(hào)傳輸給波長(zhǎng)解調(diào)儀。

按上述系統(tǒng)，若干個(gè)所述的光纖傾角傳感器的透射光波長(zhǎng)λ₁,λ₂...λ_n的間距滿足|λ_i-λ_i-1|>1nm，其中λ_i為第i個(gè)光纖傾角傳感器的透射光波長(zhǎng)，i的范圍為2≤i≤n，n為光纖傾角傳感器的總個(gè)數(shù)，與1×n分路器的分路數(shù)相同。

按上述系統(tǒng)，若干個(gè)所述的光纖傾角傳感器的濾光片透射光的波長(zhǎng)均在所述的寬帶光源的波長(zhǎng)帶寬范圍內(nèi)。

一種波分復(fù)用的光纖傾角采集系統(tǒng)的波分復(fù)用方法，其特征在于：寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)1個(gè)1×n分路器被分成n路寬帶光，分別進(jìn)入n個(gè)光纖傾角傳感器，透射光波長(zhǎng)分別為λ₁,λ₂...λ_n，再經(jīng)過(guò)另1個(gè)1×n分路器合成1路光信號(hào)后由波長(zhǎng)解調(diào)器解調(diào)。

本發(fā)明的有益效果為：

1、當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾斜時(shí)，安裝在結(jié)構(gòu)上的光纖傾角傳感器也同時(shí)發(fā)生傾斜，擺錘由于重力慣性作用，保持豎直方向不變，此時(shí)準(zhǔn)直器入射光線與濾光片表面夾角發(fā)生了變化，夾角變化量與結(jié)構(gòu)傾斜角度相同，實(shí)際使得入射光通過(guò)濾波片的光程發(fā)生變化，因干涉而透過(guò)濾波片的光波波長(zhǎng)也相應(yīng)地發(fā)生變化，且透射光波長(zhǎng)的變化與傾斜角度變化成近似線性關(guān)系，因而通過(guò)測(cè)量透射光的波長(zhǎng)移動(dòng)，就可以測(cè)量結(jié)構(gòu)的傾斜角度。本發(fā)明采用濾光片作為傾角傳感器的傳感元件，不僅傳感原理簡(jiǎn)單，而且測(cè)量精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)軸的使用使得擺錘只能在唯一平面內(nèi)擺動(dòng)，避免測(cè)量時(shí)濾波片跑偏。

2、采用1對(duì)分路器將多個(gè)光纖傾角傳感器復(fù)用到一根光纖上，提高了傳感網(wǎng)絡(luò)的容量，降低了測(cè)量成本。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的方法原理示意圖。

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的傳感器標(biāo)定曲線圖。

圖中：1-安裝底座，2-外殼，3-轉(zhuǎn)軸，4-擺臂，5-擺錘，6-濾光片，7-U形架，8-輸入端，9-準(zhǔn)直器，10-輸出端。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明提供一種光纖傾角傳感器，如圖1所示，包括外殼2、轉(zhuǎn)軸3、擺臂4和擺錘5，其中轉(zhuǎn)軸3設(shè)置在外殼2內(nèi)的上部，擺錘5通過(guò)擺臂4連接在轉(zhuǎn)軸3上構(gòu)成只能在唯一平面內(nèi)擺動(dòng)的單擺系統(tǒng)，所述的擺臂4上設(shè)有中心孔，中心孔上設(shè)有濾光片6，濾光片6的兩側(cè)分別設(shè)有光的輸入端8和輸出端10，濾光片6與輸入端之間、濾光片6與輸出端之間均設(shè)有準(zhǔn)直器9，濾光片6與準(zhǔn)直器9同軸。

進(jìn)一步的，它還包括安裝底座1，所述的外殼2固定在安裝底座1上。

進(jìn)一步的，所述的準(zhǔn)直器9通過(guò)架體固定在安裝底座1上。本實(shí)施例中，所述的架體為U形架7，U形架7由2個(gè)固定臂和底部的安裝臂構(gòu)成，2個(gè)準(zhǔn)直器9分別固定在2個(gè)固定臂上，安裝臂固定在所述的安裝底座1上，所述的擺臂4和擺錘5位于2個(gè)固定臂之間。

當(dāng)一束寬帶光通過(guò)準(zhǔn)直器9射向?yàn)V光片6時(shí)，其透射光波長(zhǎng)與濾光片6的傾角成近似線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)量透射光的波長(zhǎng)，即可計(jì)算出傾角數(shù)據(jù)。

如上所述的光纖傾角傳感器，其中，濾光片6是傳感元件，透射光的波長(zhǎng)決定于濾光片6的厚度、材料折射率和傾角(濾光片6表面與豎直線的夾角)，初始傾角通常設(shè)計(jì)不為零，根據(jù)傾角傳感器的測(cè)量量程而定，其原則是在測(cè)量區(qū)間內(nèi)，傾角與波長(zhǎng)的線性度越高越好。

一種波分復(fù)用的光纖傾角采集系統(tǒng)，如圖2所示，它包括若干個(gè)所述的光纖傾角傳感器(即圖中的S1-Sn)、2個(gè)1×n分路器、1個(gè)寬帶光源和1個(gè)波長(zhǎng)解調(diào)儀，其中1個(gè)1×n分路器將寬帶光源的光分為n路，分別經(jīng)過(guò)若干個(gè)光纖傾角傳感器后，由另1個(gè)1×n分路器匯為一路光信號(hào)傳輸給波長(zhǎng)解調(diào)儀。

為了能夠更好的解調(diào)波長(zhǎng)，若干個(gè)所述的光纖傾角傳感器的透射光波長(zhǎng)λ₁,λ₂...λ_n的間距滿足|λ_i-λ_i-1|>1nm，其中λ_i為第i個(gè)光纖傾角傳感器的透射光波長(zhǎng)，i的范圍為2≤i≤n，n為光纖傾角傳感器的總個(gè)數(shù)，與1×n分路器的分路數(shù)相同。

光片與寬帶光源要匹配，即保證所有傾角傳感器在工作過(guò)程中，若干個(gè)所述的光纖傾角傳感器的濾光片透射光的波長(zhǎng)均在所述的寬帶光源的波長(zhǎng)帶寬范圍內(nèi)。

一種波分復(fù)用的光纖傾角采集系統(tǒng)的波分復(fù)用方法，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)1個(gè)1×n分路器被分成n路寬帶光，分別進(jìn)入n個(gè)光纖傾角傳感器，透射光波長(zhǎng)分別為λ₁,λ₂...λ_n，再經(jīng)過(guò)另1個(gè)1×n分路器合成1路光信號(hào)后由波長(zhǎng)解調(diào)器解調(diào)。

本實(shí)施例中，設(shè)計(jì)一款傾角測(cè)量范圍為±3°的光纖傾角傳感器，對(duì)其傳感性能進(jìn)行測(cè)試，并采用波分復(fù)用方法組成傳感網(wǎng)絡(luò)。對(duì)本實(shí)施例說(shuō)明要點(diǎn)如下：

1)光纖傾角傳感器的初始傾角均為8°；

2)4個(gè)光纖傾角傳感器透射光初始波長(zhǎng)分別為1294.25nm、1300.15nm、1307.20nm和1314.08nm；

3)采用1對(duì)1×4分路器對(duì)4個(gè)光纖傾角傳感器進(jìn)行波分復(fù)用，即n＝4；

4)波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)采用的光源帶寬為40nm(1284nm～1324nm)

實(shí)驗(yàn)測(cè)得4個(gè)光纖傾角傳感器的靈敏度及線性度如圖3所示。

以上實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想和特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述實(shí)施例。所以，凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設(shè)計(jì)思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。