[发明专利]基于双曲线型铰链结构光纤光栅位移传感器及传感方法

说明书

本发明公开了基于双曲线型铰链结构光纤光栅位移传感器及传感方法，该传感器包括底座、铅封螺钉、弹簧、拉杆以及双曲线型铰链结构，该双曲线型铰链结构，包括：第一曲面构件、第二曲面构件、光纤光栅元件，第一曲面构件的凸面和第二曲面构件的凸面相向设置，第一曲面构件的曲率半径和第二曲面构件的曲率半径相同，第一曲面构件中间位置设有第一光纤固定孔，第二曲面构件中间位置设有第二光纤固定孔，第二光纤固定孔和第一光纤固定孔在竖直方向对齐，光纤光栅的一端安装于第一光纤固定孔，另一端安装于第二光纤固定孔。该位移传感器通过双曲面位移放大结构可以将水平方向上的位移在竖直方向上放大四倍左右，从而可以有效增加位移探测的灵敏度。

技术领域

本发明涉及位移传感的技术领域，具体涉及基于双曲线型铰链结构光纤光栅位移传感器及传感方法。

背景技术

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating)为传感单元的传感技术不断发展，其性能已经受到工程技术领域的认可。与传统电测传感器相比，光纤光栅具有全光无电，绝对测量，高灵敏，无零漂，质量轻、体积小、成本低、抗电磁干扰、抗腐蚀等优异特性。目前国内外光纤光栅位移传感器大致可分为以下几类：弹簧应变式光纤光栅位移传感器，差动悬臂梁式光纤光栅位移传感器，拉绳悬臂梁结构光纤光栅位移传感器，和变形圆环弹性体光纤光栅位移传感器等几类。

1、传统的光纤光栅位移传感器的位移和力学转换装置采用悬臂梁结构(郭永兴等.光学精密工程，2017，25(01)；50-58)。其测量原理是在悬臂梁的表面用专用胶粘接光纤布拉格光栅元件，当位移变化引起悬臂梁形变时，解调出光纤光栅的应变值后再通过数学计算得到悬臂梁垂直变形，从而推导出移动的位移。缺点是在悬臂梁的表面很难实现对光纤布拉格光栅的均匀粘贴，而不均匀的光纤光栅粘贴会引起光栅间距的啁啾变形效应，进而影响测量结果的准确性。

2、针对弹簧式的光纤光栅位移传感器(Li Sun1 etal.Journal of AerospaceEngineering.2019,Vol.32(No.1))。由于受悬臂梁结构的位移应变转换量程的限制，弹簧应变式位移传感器的分辨率相对较低，同时将弹簧直接和传感结构进行连接，长期以往传感器弹性系数易改变，导致相同位移时作用到光栅或悬臂梁上的张力改变，测量不准确。

3.采取拉绳式和悬臂梁结构结合的光纤光栅位移传感器(张燕君等.光电工程，2017,44(06)：626-632)。其测量原理是采用可调节的拉绳与中心转动轴进行连接进而带动悬臂梁进行位移传感，将拉绳的位移转换为光纤光栅中心波长的漂移，但其额外增加了扭力弹簧、位移转换装置和轴承，加大了传感器的安装难度，同时其使用场景单一。

4、变形圆环弹性体光纤光栅位移传感器(Li etal.22NDINTERNATIONALCONFERENCE ON OPTICAL FIBER SENSORS,PTS 1-3.2012)其解决了悬臂梁结构的啁啾变形问题，其缺点在于无法起到位移放大的作用，无法适用于小量程高分辨率的位移测量应用场合。针对精密仪器位移测量的光纤光栅正弦机构位移传感器，其测量范围太小，仅微米级，无法应用于土木工程、机械装备的应用工况。

发明内容

本发明的目的提供基于双曲线型铰链结构光纤光栅位移传感器及传感方法，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。