[发明专利]新型光纤光栅二维倾斜角度传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及光纤光栅应用与倾斜角度测量技术。

背景技术

日常生活中，我们经常需要测量一些设备、建筑等在建造或安装时是否倾斜。当倾斜角度比较大时，我们可以简单地用量角器等现成的工具进行较粗略的测量，而当倾斜角度很小(如小于5°)时，用这种方法就难以实现较准确的测量。后来人们提出了一些如用电容变化来测量倾斜角度的传感器，但电信号容易受到电磁干扰，因此其适用范围受到很大的限制，并且它的测量精度不高，结构也比较复杂。

布拉格光纤光栅是20世纪90年代以来国际上新兴的一种在光纤通信、光纤传感及光信息处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。在特制光纤上用紫外光刻制光纤光栅，制成点式光纤传感探头，应变或温度变化可引起光纤光栅中心反射波长的漂移，通过该漂移量来反推出应变和温度变化。通常采用宽光谱光源和解调系统实施对应变和温度的检测，采用波分、时分和码分技术实现多点测量，组成应变、温度传感网络。布拉格光纤光栅传感器具有适应恶劣工作环境、抗电磁干扰、集传感与传输于一体、构造简单、使用方便等优点，可对结构的应力应变进行高精度测量、准分布式测量。国内外已将光纤光栅传感技术应用于大型土木建筑工程、电力工程、石化工业等安全健康监控领域。近年来，国内外不少高等院校、研究所和公司开展了光纤光栅传感技术的研究和实施了大量的应用工程。也有人提出了基于光纤光栅的倾斜传感器设计，利用钟摆结构将角度变化产生的力通过力矩作用于数个光纤光栅上，然后测量光纤光栅的波长漂移，通过漂移计算得到倾斜的角度和方向。但是，所提出的方案，需要将光纤光栅贴在悬壁梁表面上或固定在钢性框架上，倾斜产生的力需要通过中间装置传递到光纤光栅，装置的机械接触、摩擦、转动都会带来较大的误差，因此对装置的刚性连接和稳定性要求非常高。

发明内容

本发明提出一种新型光纤光栅二维倾斜角度传感器，采用光纤光栅应变效应原理，直接将力作用于光纤光栅上，不需要中间传递装置，因此结构简单、测量精度高且价格低，可以测量二维倾斜角度的大小和方向。本发明中用了三个光纤布拉格光栅，每个光纤光栅一端的尾纤被固定在顶盘上，且三个固定点与顶盘中心的连线互成120°(如附图1所示)，另外一端的尾纤汇集在一起(中间的长度一致)吊住一个重物。当装置倾斜时，其受力平衡被改变，三个光纤光栅所受的力也因此改变，导致光栅波长的漂移，通过测量三个光栅的波长漂移量，可以计算出倾斜的角度和方向。而且，由于温度变化引起的三个光纤光栅的波长漂移量是相等的，在分析计算中可以进行补偿，因此这样还可以消除温度变化对测量结果带来的影响。具体理论分析如下：

当传感器处于水平时，如附图2，设顶盘的半径为r，光纤的长度为l，我们就可以计算出各光纤光栅与竖直方向的夹角，假设分别为φ₁，φ₂，φ₃，可知：

φ1=φ2=φ3=arcsin(rl)]]>

根据受力分析，我们可以得到：

F1=F2=F3=mg3cosφi]]>