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专利名称：一种光纤光栅倾角传感器及标定方法
技术领域：
本发明公开了一种光纤光栅倾角传感器及标定方法，属于压力传感器技术领域。
背景技术：
通过对国内外资料的查阅发现，到目前为止，有关光纤光栅倾角传感器方面的研究很少，还处于探索阶段。2000年，Ferdinand等人利用光纤光栅研制出第一个光纤光栅倾角传感器，两根光纤布拉格光栅对称的张拉在固定端与转动端之间，当结构物旋转时，两个光栅的波长向相反的方向变化，但是受温度的影响是一致的。因而实现了温度自补偿。2003年，Guan等人利用支架、摆锤、光栅，摆锤悬挂在支架上，能够自由的摆动，光纤光栅以能阻止摆锤摆动的方式连接摆锤和支架，一侧连接锤摆，另一侧连接支架，且光栅处于拉伸状态，从而使对称布置的光栅发生相应的应变，测量从光栅反射回来的波长的变化来计算倾斜角度。2004年，Zhao等人把两根光纤光栅对称的贴于带了摆锤的等强度梁上，通过测量梁的应变来计算倾斜角度。2005年，Dong等人将三根光纤光栅贴于三片按120°布置的应变梁上，应变梁通过钢弦与摆锤上方的圆盘相连，此种方法不但同时测量角度的大小还可以测量角度方向， 但精度较低。2006年，Toshimitsu等人应用一根光纤光栅与摆锤相连制作的倾角传感器温度影响较大。现有的光纤光栅倾角传感器由于测量精度低、寿命短、体积大等缺点难以应用于桥梁结构的变形监测，为此设计制作新型的光纤光栅倾角传感器，对于土木工程结构变形监测具有十分重要的意义。

发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤光栅倾角传感器及标定方法，使其能方便的用于土木工程结构变形监测中。本发明一种光纤光栅倾角传感器，包括摆、转轴、工作光纤光栅、温度补偿光纤光栅、保护盒；所述摆的一端通过所述转轴铰装在所述保护盒内，另一端自由悬置在所述保护盒中；所述工作光纤光栅通过引线从保护盒内引出且一端固定在所述保护盒内，另一端连接在所述摆的自由悬置端；所述的温度补偿光纤光栅安装在所述保护盒中，并通过引线从保护盒内引出。本发明中，所述摆由不锈钢材料制成。本发明中，所述保护盒由铝合金材料制成。本发明中，所述工作光纤光栅与温度补偿光纤光栅，采用相位掩模法在掺锗光敏光纤中写入。
本发明一种光纤光栅倾角传感器的标定方法，包括下述步骤第一步准备一工字型简支梁、一光纤光栅传感网络分析仪、一千分表、一水平尺； 所述简支梁的一端铰装在铰轴上，另一端由一千斤顶支撑；第二步用水平尺将工字型简支梁轴线调整至水平，然后，将光纤光栅倾角传感器粘贴在梁表面，使光纤光栅倾角传感器的轴线与梁的轴线垂直；此时，光纤光栅倾角传感器中的光纤光栅处于无应变状态；将光纤光栅倾角传感器与光纤光栅传感网络分析仪电连接；第三步调整千斤顶活塞的形程，使所述简支梁绕其铰轴转动，按步长Δ θ = 0.2°逐步改变简支梁的倾角，同时用千分表实时测量所述简支梁的倾角θ i;达到测量上限后静置5分钟，再平稳下降至测量下限，以倾角逆时针增大为正行程，正行程和反行程， 往反一次为1个循环；首先，记录θ =0°时，光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值Α°Ε、；然后，按设定步长进行正行程、反行程的测量，在每个倾角点Qi静置2分钟， 待光纤光栅传感网络分析仪读数稳定后，记录光纤光栅倾角传感器中的两根光纤光栅在相应倾角处的中心波长值Α正、4正，I、4反，i = 1.2…m;最后，记录反行程结束时，θ =0°的光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值<&、；第四步以倾角θ为横坐标、中心波长变化之差Δ λ为纵坐标设置笛卡尔直角坐标系，其中，Δλ为光纤光栅倾角传感器在相应转角处实时测量的光纤光栅中心波长值变化Δ々正与正或与之差，即Δ々正-Δ4正或AA1^ - ΑΛ;&，其中 Δ々正=乂正一<正，AA^ =^-^,Δ义反二《反]20反；根据第三步所得的Θρ^^、数据，得到中心波长变化之差Δ λ数据点的离散分布图，根据离散分布图中△ λ数据点的分布形状，采用一次多项式对离散的数据点进行线性拟合， 确定一次多项式为<约)=嵙…+义=Δ々-AA^，式中Φ ( θ j)是以倾角θ j为自变量的函数， 其中θ j为实际工程中所需测量的倾角，Δ々-Δ《为实际工程中所测量的光纤光栅倾角传感器中光纤光栅中心波长值变化Δ々与Δ《之差；
2 第五步根据最小二乘法原理，有
权利要求
1.一种光纤光栅倾角传感器，包括摆、转轴、工作光纤光栅、温度补偿光纤光栅、保护盒；所述摆的一端通过所述转轴铰装在所述保护盒内，另一端自由悬置在所述保护盒中； 所述工作光纤光栅通过引线从保护盒内引出且一端固定在所述保护盒内，另一端连接在所述摆的自由悬置端；所述的温度补偿光纤光栅安装在所述保护盒中，并通过引线从保护盒内引出。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅倾角传感器，其特征在于所述摆由不锈钢材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅倾角传感器，其特征在于所述保护盒由铝合金材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅倾角传感器，其特征在于所述工作光纤光栅与温度补偿光纤光栅，采用相位掩模法在掺锗光敏光纤中写入。
5.一种光纤光栅倾角传感器的标定方法，包括下述步骤第一步准备一工字型简支梁、一光纤光栅传感网络分析仪、一千分表、一水平尺；所述简支梁的一端铰装在铰轴上，另一端由一千斤顶支撑；第二步用水平尺将工字型简支梁轴线调整至水平，然后，将光纤光栅倾角传感器粘贴在梁表面，使光纤光栅倾角传感器的轴线与梁的轴线垂直；此时，光纤光栅倾角传感器中的光纤光栅处于无应变状态；将光纤光栅倾角传感器与光纤光栅传感网络分析仪电连接；第三步调整千斤顶活塞的形程，使所述简支梁绕其铰轴转动，按步长Δ θ =0.2° 逐步改变简支梁的倾角，同时用千分表实时测量所述简支梁的倾角θ i ；达到测量上限后静置5分钟，再平稳下降至测量下限，以倾角逆时针增大为正行程，正行程和反行程，往反一次为1个循环；首先，记录θ =0°时，光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值 Λ°ιε> 然后，按设定步长进行正行程、反行程的测量，在每个倾角点Qi静置2分钟，待光纤光栅传感网络分析仪读数稳定后，记录光纤光栅倾角传感器中的两根光纤光栅在相应倾角处的中心波长值A1正、4正，Α反、4反，i = 1.2…m;最后，记录反行程结束时，θ = 0°的光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值<&、A0r;第四步以倾角θ为横坐标、中心波长变化之差Δ λ为纵坐标设置笛卡尔直角坐标系，其中，Δλ为光纤光栅倾角传感器在相应转角处实时测量的光纤光栅中心波长值变化Δ々正与或与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=义反-/L20反；根据第三步所得的θρ/ ^、4&数据，得到中心波长变化之差Δ λ数据点的离散分布图，根据离散分布图中△ λ数据点的分布形状，采用一次多项式对离散的数据点进行线性拟合， 确定一次多项式为￠(0) =+义=Δ々-A^，式中Φ ( θ ρ是以倾角θ j为自变量的函数， 其中θ j为实际工程中所需测量的倾角，为实际工程中所测量的光纤光栅倾角传感器中光纤光栅中心波长值变化Δ/l；与Δ《之差； mΔ第五步根据最小二乘法原理，有—ρ Σ「Mt - AA正+ Al - AA反，ΦΙ61； GΦ .^L\ ζ」2Φ为一次多项式集合；取j = i，
全文摘要
一种光纤光栅倾角传感器，包括摆、转轴、工作光纤光栅、温度补偿光纤光栅、保护盒；所述摆的一端铰装在所述保护盒内，另一端自由悬置；工作光纤光栅一端固定在保护盒内，另一端连接在摆的自由悬置端；温度补偿光纤光栅安装在所述保护盒中；其标定方法是，使光纤光栅倾角传感器轴线与梁的轴线垂直并粘贴在梁表面；按设计步长改变梁的倾角；记录每个倾角点θi时所述传感器的中心波长值λi，i＝1.2...m；以倾角θ为横坐标、相应转角处实时测量的传感器中心波长变化之差Δλ为纵坐标设置笛卡尔直角坐标系；根据所得的θi、λi数据，得到Δλ数据点的离散分布图，根据离散分布图中Δλ数据点的分布形状，确定采用对离散的数据点进行拟合，根据最小二乘法原理、求多元极值的必要条件及θi、λi数据，计算得β1、λ，得到拟合的实现摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器的标定，即本发明测量精度高、抗电磁干扰能力强、稳定性好，适于工业化生产，特别适用于土木工程结构变形的监测。
文档编号G01B11/26GK102175185SQ20111002291
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者任伟新, 伍贤智 申请人:中南大学