[发明专利]一种增敏型可调精度的光纤光栅微位移传感器及其传感方法

权利要求书

1.一种增敏型可调精度的光纤光栅微位移传感器，其特征在于，所述的光纤光栅微位移传感器包括传感器外壳(1)、壳内的可动杠杆机构、测量装置；其中：

所述的传感器外壳(1)为一长方体箱体：箱体一个长侧板后端开有用于安装空心套杆(8)的通孔(13)；所述箱体前短侧板内表面的中部固定有等强度梁固定板(11)，等强度梁固定板(11)沿箱体长度方向布置，且其顶部与等强度梁(2)的底部固接；

所述的可动杠杆机构包括：圆柱导轨(10)、固定支座(6)、滑动支座(7)、空心套杆(8)、长转杆(4)、短转杆(5)、固定支座固定杆(12)；所述的空心套杆(8)从通孔(13)插入传感器外壳(1)后通过滑动支座(7)套接在圆柱导轨(10)上，其中空心套杆(8)与滑动支座(7)之间固定连接；圆柱导轨(10)另一端通过固定支座(6)与固定支座固定杆(12)一端连接，固定支座固定杆(12)另一端固定在传感器外壳(1)长侧板内表面；所述的短转杆(5)两端打孔，与滑动支座(7)和长转杆(4)连接；所述的长转杆(4)一端打孔，该端与固定支座(6)连接，且该端能够转动，长转杆(4)另一端和圆弧形带齿曲杆(3)一侧固定连接，长转杆(4)中部留槽，作为其与短转杆(5)铰接的空间，在槽体两侧设有一系列销钉孔(42)，短转杆(5)通过连接不同的销钉孔(42)达到改变量程的目的；滑动支座(7)的运动方向和测量方向保持一致，测量方向指圆柱导轨(10)的轴向；

所述的测量装置包括圆弧形带齿曲杆(3)、条状齿板(9)、等强度梁(2)、光纤(21)和光纤上的第一光栅(22)和第二光栅(23)；所述的条状齿板(9)顶部与圆弧形带齿曲杆(3)另一侧紧密啮合，条状齿板(9)底部与等强度梁(2)固定连接；当滑动支座(7)移动后带动长短转杆转动，连接在长转杆(4)末端的圆弧形带齿曲杆(3)以固定支座(6)为圆心转动，将滑动支座(7)的位移放大为圆弧形带齿曲杆(3)的转动距离，进而将待测的外界微小位移通过空心压杆8转化为滑动支座(7)的位移，上述滑动支座(7)、长转杆(4)、短转杆(5)、圆弧形带齿曲杆(3)构成滑移体；所述的第一光栅(22)和第二光栅(23)分别位于等强度梁(2)的受拉和受压表面，并分别通过光纤(21)与外部的光信号解调装置连接；圆弧形带齿曲杆(3)产生位移后条状齿板(9)带动等强度梁(2)弯曲，再通过粘贴在等强度梁(2)上的光纤光栅测定出放大后的位移改变量。

2.根据权利要求1所述的一种增敏型可调精度的光纤光栅微位移传感器，其特征在于，所述的长转杆(4)与固定支座(6)、短转杆(5)与滑动支座(7)、短转杆(5)与长转杆(4)之间的连接均为销钉连接，保证构件之间的自由转动。

3.根据权利要求1所述的一种增敏型可调精度的光纤光栅微位移传感器，其特征在于，所述的空心套杆(8)包括顶部圆环凸起和空心套杆柱(82)，该圆环凸起外径大于箱体侧板后端通孔(13)的直径，空心套杆柱(81)与圆柱导轨(10)套接。

4.根据权利要求1所述的一种增敏型可调精度的光纤光栅微位移传感器，其特征在于，所述的滑动支座(7)为中心开有圆形通孔(71)的旋转体结构，通孔(71)的直径比圆柱导轨(10)的直径大，二者之间润滑套接。

5.根据权利要求1所述的一种增敏型可调精度的光纤光栅微位移传感器，其特征在于，所述的圆弧形带齿曲杆(3)和条状齿板(9)之间通过齿紧密啮合，简化成几何模型所对应的圆弧与直线之间相切。

6.一种权利要求1-5任一所述的增敏型可调精度的光纤光栅微位移传感器的传感方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，安装与固定：首先使空心套杆(8)的圆环凸起与所监测的表面紧密抵压，保证外界微位移能够完全转化为滑移体的位移；

第二步，温度补偿：第一光纤光栅(22)粘贴于等强度梁(2)受拉表面上，第二光纤光栅(23)粘贴于等强度梁(2)受压表面上，确保其与等强度梁(2)轴线方向平行；

第三步，位移测量：通过测量第一光纤光栅(22)和第二光纤光栅(23)中心波长漂移量，计算出第一光栅仅由于等强度梁(2)弯曲产生的轴向应变；

对于第一光纤光栅(22)，按下列公式进行计算：

其中，Δλ_B1为光纤光栅中心波长变化量；λ_B1为光栅中心波长；P_e1、α₁、ζ₁分别为光栅的有效光弹系数、热膨胀系数和热光系数，均为和光栅材料有关的常数，在选用时应保证第一和第二光栅的材料常数不同；ε₁和ΔT₁分别为光栅轴向位移和温度变化量；

对于第二光纤光栅(23)，按相同公式得到轴向应变和温度该变量：

其中，各字母含义解释同公式(1)；

结合以上两个光栅的测量数据，按照外温度补偿法，ε为光栅轴向应变，数值相同但符号相反，按下列等式可以实现温度和应变的分离：

其中，K_B1,T、K_B2,T分别为两个光栅对于温度的灵敏度，K_B1,s、K_B2,s分别为两个光栅对于应变的灵敏度，按下列公式计算得到：

K_B,T＝α+ζ

K_B,s＝1-P_e

第四步，位移放大：通过空心套杆(8)传导至滑动支座(7)的位移，具体如下：

初始状态时，滑动支座(7)距离固定支座(6)的初始距离为l₀，长转杆与圆柱导轨(10)的初始安装角度为θ₀，在长转杆销钉孔二42的一系列销钉孔中选择一个为初始安装位置，使得短转杆(5)在长转杆(4)上的安装位置距离固定支座(6)的距离为b；此外长转杆(5)、短转杆(4)的长度分别为R和a始终保持不变；

以受压位移进行说明，空心套杆(8)向传感器内移动，滑动支座(7)受压后产生的位移为Δl；可动杠杆机构带动短转杆(5)和长转杆(4)转动，转动后长转杆(4)与圆柱导轨(10)的夹角为θ₁；

a、b、R、l₀、θ₀分别为短转杆Δl为滑动支座θ₁为长转杆根据余弦定理，初始安装角度θ₀可以通过三边长度确定：

滑动支座(7)传导外界位移后，在沿圆柱导轨(10)的方向上移动的距离为Δl，滑动支座(7)位置变为(l₀-Δl)，此时的长转杆(4)角度θ₁同理可以确定为：

此时与长转杆(4)远端连接的圆弧形带齿曲杆(3)的转动线位移可确定为：

采用上述方法，可以使得短转杆(5)连接到长转杆(4)上不同的销钉孔位置，来调整安装时的长转杆(4)连接长度b，从而达到改变位移放大效率的目的。