[发明专利]一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。

背景技术

近年来我国桥梁垮塌、隧道塌方、沿途滑坡等事故频发，及时准确掌握土木结构中的裂缝变化、相对位置滑动等状况使位移量检测显得尤为重要。目前，已有的光纤光栅位移传感器一般是将光纤光栅固定在各种弹性梁上，把位移通过梁（弹片）的形变转换到光栅的应变，通过解调光栅波长漂移来测量相应的位移。这种传感器具有精度高、抗电磁干扰、化学性质稳定且能满足分布式测量，缺点是量程小（一般小于200mm），又难于封装成适合工程应用的传感器。与本发明接近的是一种光纤光栅位移传感器（参见专利，授权公告号：CN 101762247 A）。该技术采用角位移转换装置对外部位移进行测量。由于角位移转换装置采用的多级齿轮，易出现测量偏差且难于封装。

本发明采用阶梯轴将两个半径不同的齿轮固定在同一轴上，将直线运动的位移通过两个齿轮的转化，最终作用至粘贴在悬臂梁上的光纤Bragg光栅上，实现了对位移的实时在线监测。

发明内容

本发明提供了一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器及其使用方法，以用于解决对位移的在线监测及易受电磁干扰的影响、准确度不高的问题。

本发明的技术方案是：一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器，包括光纤Bragg光栅1、悬臂梁2、齿轮Ⅰ3、齿轮Ⅱ4、齿条Ⅰ5、齿条Ⅱ6、测量接触头7、滚动轴承Ⅰ8、滚动轴承Ⅱ9、阶梯轴10、位移限位套管11、齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13、齿条套管Ⅲ14、弹簧Ⅰ15、弹簧Ⅱ16、金属盒17、外接光纤18、滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座；其中光纤Bragg光栅1、悬臂梁2、齿轮Ⅰ3、齿轮Ⅱ4、齿条Ⅰ5、齿条Ⅱ6、滚动轴承Ⅰ8、滚动轴承Ⅱ9、阶梯轴10、齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13、齿条套管Ⅲ14、弹簧Ⅰ15、弹簧Ⅱ16、滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座被封装在金属盒17的内部，光纤Bragg光栅1粘贴于悬臂梁2上、下表面中心轴上并引出矩形金属盒17外，齿轮Ⅰ3与齿轮Ⅱ4通过阶梯轴10同轴的串在一起，齿条Ⅰ5顶部与测量接触头7连接，齿条Ⅰ5中部与齿轮Ⅰ3吻合，齿条Ⅰ5底部与弹簧Ⅰ15相连，齿条Ⅱ6中部与齿轮Ⅱ4吻合，齿条Ⅱ6上部接有弹簧Ⅱ16，齿条Ⅱ6底部与悬臂梁2自由端相连，阶梯轴10固定在滚动轴承Ⅰ8和滚动轴承Ⅱ9上，滚动轴承Ⅰ底座和滚动轴承Ⅱ底座将滚动轴承Ⅰ8、滚动轴承Ⅱ9固定在矩形金属盒17内部，位移限位套管11与测量接触头7为一体，位移限位套管11的下端与齿条Ⅰ5连接并固定在金属盒17的上端，齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13的一端焊接在金属盒17的内壁上，齿条套管Ⅰ12、齿条套管Ⅱ13的另一端通过槽口与齿条Ⅰ5连接，齿条套管Ⅲ14的一端焊接在金属盒17的内壁上，齿条套管Ⅲ14的另一端通过槽口与齿条Ⅱ6连接，光纤Bragg光栅1通过光纤引出孔引出外接光纤18。

一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：

A、测量接触头7传递的位移被齿条Ⅰ5接受并作用至齿轮Ⅰ3，齿轮Ⅰ3旋转将位移转换成小角度；通过齿轮Ⅰ3与齿轮Ⅱ4的同轴旋转，得到齿轮Ⅱ4与齿轮Ⅰ3旋转角度相同，同时齿轮Ⅱ4与齿条Ⅱ6结合又将小角度转换成小位移，齿条Ⅱ6最终将小位移作用至悬臂梁2的自由端，从而使粘贴于悬臂梁2上、下表面中心轴线上的光纤Bragg光栅1波长发生移位；

B、根据悬臂梁2上、下表面的光纤Bragg光栅1的波长移位差值                                               与外部实际位移S的关系式计算外部实际位移；式中：为光纤Bragg光栅1的中心波长，P_e为有效弹-光系数，l为等截面梁长度，x为光纤Bragg光栅1的粘帖位置，h为等截面梁的厚度，R₁为齿轮Ⅰ3的半径，R₂为齿轮Ⅱ4的半径。

本发明的工作原理是：