[实用新型]一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器，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。与本实用新型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。

通过采用基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅的位移传感器进行实时在线监测时，需要考虑光纤Bragg光栅位移传感器的构成，及如何安装来实现测量时对光纤的保护问题。

发明内容

本实用新型提供了一种基于齿轮旋转式光纤Bragg光栅位移传感器，以用于解决对位移的在线监测时光纤Bragg光栅位移传感器的结构、安装问题。

本实用新型的技术方案是：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。

本实用新型的工作原理是：

测量接触头7与位移限位套管11构成外部位移测量装置，齿条Ⅰ5和测量接触头7连接构成位移传递装置，齿条Ⅰ5和齿轮Ⅰ3吻合，齿轮Ⅰ3和齿轮Ⅱ4通过阶梯轴10同轴固定构成位移大小转换装置，阶梯轴10安装在滚动轴承Ⅰ8、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，齿条Ⅱ6与齿轮Ⅱ4吻合，齿条Ⅱ6底部与悬臂梁2自由端连接，悬臂梁2的固定端与矩形金属盒17连接，光纤Bragg 光栅1粘贴在悬臂梁2上、下表面的中心轴线上，光纤Bragg光栅1通过光纤引出孔引出外接光纤18，利用解调仪得到光纤Bragg光栅中心波长的移位值，将外部实际位移反算出来，实现波长与位移的对应关系。

本实用新型的数学模型分析如下：

矩形悬臂梁2的变形引起光纤Bragg光栅1的形变，若测量过程中温度变化了                                               ，则应变和温度引起的光纤Bragg光栅1的波长移位量为：

                                             （1）