分布式带温度补偿的高精度光纤光栅位移传感器及方法技术

本发明专利技术提供一种分布式带温度补偿的高精度光纤光栅位移传感器，包括基座和位于基座内带光栅的光纤，光纤包括第一光纤和第二光纤，第一光纤上设有第一光栅，第二光纤上设有第二光栅，第一光纤和第二光纤以倾斜错位平行方式布置于同一平面内的基座上；第一光纤和第二光纤之间设有光纤双侧加载块，使得第一光栅和第二光栅分别位于光纤双侧加载块的两边，光纤双侧加载块连接有位移加载杆，位移加载杆的一端引出，另一端通过初始状态有一定压缩量的复位弹簧与基座连接。本发明专利技术利用倾斜错位平行方式布置于同一平面内的基座上的两根光纤，与光纤双侧加载块和位移加载杆的联动，直接利用光纤的横向特性，有效提高了传感器的灵敏度和减小了传感器的尺寸。

【技术实现步骤摘要】
分布式带温度补偿的高精度光纤光栅位移传感器及方法
本专利技术涉及分布式高精度位移检测
，具体涉及一种分布式带温度补偿的高精度光纤光栅位移传感器及方法。
技术介绍
位移检测广泛应用于许多领域，例如作为评估结构健康状态的重要指标应用于民用工程桥梁等民用建筑；同样也可以作为反馈控制和补偿的重要物理量，如在微纳控制，精密定位以及高精密加工等领域。而目前应用最多的为电类位移传感，主要以电容、电涡流和电感式等位移传感技术为代表。但这类电类位移传感器存在易受电磁干扰等其他恶劣工况的影响，零漂严重，且不易实现分布式多点的位移检测等不足。而与传统的电测传感器相比，光纤光栅(FBG)传感器具有尺寸小、抗电磁干扰、耐腐蚀性，易于实现动态分布式检测和远距离信号传输等优点。为此，目前也有许多基于光纤光栅传感技术设计的位移传感器，大多数将光纤光栅对称粘贴于悬臂梁上下表面实现位移的检测和温度补偿，而粘贴的光纤光栅易受悬臂梁表面的应变分布不均产生啁啾失效。为此，这种类型的光纤光栅位移传感器性能受限于悬臂梁结构以及光纤光栅的粘贴工艺。同时，该类型的位移传感器大多数存在封装过程繁琐，尺寸大和灵敏度较低等缺点，不适用于高精度位移的检测。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种分布式带温度补偿的高精度光纤光栅位移传感器及方法，灵敏度高，且易于封装。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种分布式带温度补偿的高精度光纤光栅位移传感器，包括基座和位于基座内带光栅的光纤，其特征在于：所述的光纤包括第一光纤和第二光纤，第一光纤上设有第一光栅，第二光纤上设有第二光栅，第一光栅的两端分别通过第一固定点和第二固定点与所述的基座固定，第二光栅的两端分别通过第三固定点和第四固定点与所述的基座固定，第一至第四固定点使得第一光纤和第二光纤以倾斜错位平行方式布置于同一平面内的基座上；在所述的平面内，以所检测的位移方向为x方向，与x方向相垂直的方向为y方向，第一固定点与第二固定点的距离在x方向上的投影长度、第三固定点与第四固定点的距离在x方向上的投影长度均为L，第一固定点与第二固定点的距离在y方向上的投影长度、第三固定点与第四固定点的距离在y方向上的投影长度均为h；第一光纤和第二光纤之间设有y方向上的光纤双侧加载块，使得第一光栅和第二光栅分别位于光纤双侧加载块的两边，光纤双侧加载块的一端与第二固定点与第一光栅之间的第一光纤接触，且光纤双侧加载块与第一光纤的接触点与第二固定点的距离在y方向的投影长度为h0；光纤双侧加载块的另一端与第四固定点与第二光栅之间的第二光纤接触，且光纤双侧加载块与第二光纤的接触点与第四固定点的距离在y方向的投影长度为h0；初始状态下，所述的第二固定点到光纤双侧加载块的距离，和第四固定点到光纤双侧加载块的距离，均为t；光纤双侧加载块连接有x方向的位移加载杆，位移加载杆的一端引出，另一端通过初始状态有一定压缩量的复位弹簧与基座连接。按上述方案，第一光纤和第二光纤在x方向上相错的间距为L/2。按上述方案，所述的基座上设有导向孔，所述的位移加载杆的一端从导向孔中引出。按上述方案，所述的基座上设有底座安装孔，底座安装孔中设有弹簧底座，弹簧底座内设有柱状凸起，所述的复位弹簧嵌套在所述的柱状凸起中。按上述方案，所述的光纤双侧加载块通过连接螺杆与所述的位移加载杆连接。利用所述的分布式带温度补偿的高精度光纤光栅位移传感器实现的位移测量方法，其特征在于：将所述的分布式带温度补偿的高精度光纤光栅位移传感器安装在被测物体上，使得被测物体的位移方向与位移加载杆的方向相同；利用以下公式测得光纤光栅波长漂移与被测物体位移和温度的关系：式中，Δλ1为第一光纤光栅波长漂移量，λ1为第一光纤光栅的中心波长，Δλ2为第二光纤光栅波长漂移量，λ2为第二光纤光栅的中心波长，ρe为光纤有效光弹效应，k为与传感器结构配置参数决定的常系数，Δx为位移加载杆在x方向上的位移量，即被测物体位移，b为光纤双侧加载块与光纤接触区域的宽度，αf为光纤的热膨胀系数，ξf为光纤的热光系数，ΔT为被测物体环境温度变化量。本专利技术的有益效果为：1、利用倾斜错位平行方式布置于同一平面内的基座上的两根光纤，与光纤双侧加载块和位移加载杆的联动，无需结构弹性体的转换机构，直接利用光纤的横向特性，有效的提高了传感器的灵敏度和减小了传感器的尺寸。2、通过调节两根光纤的倾斜角度和光纤双侧加载块的两侧长度可实现对传感器灵敏度的调整，进而匹配不同位移检测对象的需求。3、本专利技术的位移传感器结构简单，安装方便，测量精度高，具有温度自补偿功能，易于实现产品化和具有良好的市场经济效益。附图说明图1是本专利技术一实施例的原理图。图2是本专利技术一实施例的轴视图。图3是本专利技术一实施例的后视图。图4是本专利技术一实施例的底座轴视图。图5是光纤双侧加载块和位移加载杆装配三维图。图6是位移加载杆和复位弹簧连接结构的剖视图。图中：1－第一光纤，2－第一固定点，3－第一光栅，4－光纤双侧加载块，5－第二固定点，6－复位弹簧，7－弹簧底座，8－第二光纤，9－第三固定点，10－第二光栅，11－第四固定点，12－基座，12.1－导向孔，12.2－底座安装孔，13－位移加载杆，14－连接螺杆。具体实施方式下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术提供一种分布式带温度补偿的高精度光纤光栅位移传感器，如图1至图6所示，包括基座12和位于基座12内带光栅的光纤，光纤包括第一光纤1和第二光纤8，第一光纤1上设有第一光栅3，第二光纤8上设有第二光栅10，第一光栅3的两端分别通过第一固定点2和第二固定点5与所述的基座12固定，第二光栅10的两端分别通过第三固定点9和第四固定点11与所述的基座12固定，第一至第四固定点2、5、9、11使得第一光纤1和第二光纤8以倾斜错位平行方式布置于同一平面内的基座12上；在所述的平面内，以所检测的位移方向为x方向，与x方向相垂直的方向为y方向，第一固定点2与第二固定点5的距离在x方向上的投影长度、第三固定点9与第四固定点11的距离在x方向上的投影长度均为L，第一固定点2与第二固定点5的距离在y方向上的投影长度、第三固定点9与第四固定点11的距离在y方向上的投影长度均为h；第一光纤1和第二光纤8之间设有y方向上的光纤双侧加载块4，使得第一光栅3和第二光栅10分别位于光纤双侧加载块4的两边，光纤双侧加载块4的一端与第二固定点5与第一光栅3之间的第一光纤1接触，且光纤双侧加载块4与第一光纤1的接触点与第二固定点5的距离在y方向的投影长度为h0；光纤双侧加载块4的另一端与第四固定点11与第二光栅10之间的第二光纤8接触，且光纤双侧加载块4与第二光纤8的接触点与第四固定点11的距离在y方向的投影长度为h0；初始状态下，所述的第二固定点5到光纤双侧加载块4的距离，和第四固定点11到光纤双侧加载块4的距离，均为t，此处，t不包括光纤双侧加载块4的厚度，仅仅是第二固定点5到光纤双侧加载块4的边缘的距离；光纤双侧加载块4连接有x方向的位移加载杆13，位移加载杆13的一端引出，另一端通过初始状态有一定压缩量的复位弹簧6与基座12连接，复位弹簧6初始状态时的压缩量用于保证位移加载杆13与基座12贴在一起。所述的初始状态为传感器为自然状本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分布式带温度补偿的高精度光纤光栅位移传感器，包括基座和位于基座内带光栅的光纤，其特征在于：所述的光纤包括第一光纤和第二光纤，第一光纤上设有第一光栅，第二光纤上设有第二光栅，第一光栅的两端分别通过第一固定点和第二固定点与所述的基座固定，第二光栅的两端分别通过第三固定点和第四固定点与所述的基座固定，第一至第四固定点使得第一光纤和第二光纤以倾斜错位平行方式布置于同一平面内的基座上；在所述的平面内，以所检测的位移方向为x方向，与x方向相垂直的方向为y方向，第一固定点与第二固定点的距离在x方向上的投影长度、第三固定点与第四固定点的距离在x方向上的投影长度均为L，第一固定点与第二固定点的距离在y方向上的投影长度、第三固定点与第四固定点的距离在y方向上的投影长度均为h；第一光纤和第二光纤之间设有y方向上的光纤双侧加载块，使得第一光栅和第二光栅分别位于光纤双侧加载块的两边，光纤双侧加载块的一端与第二固定点与第一光栅之间的第一光纤接触，且光纤双侧加载块与第一光纤的接触点与第二固定点的距离在y方向的投影长度为h0；光纤双侧加载块的另一端与第四固定点与第二光栅之间的第二光纤接触，且光纤双侧加载块与第二光纤的接触点与第四固定点的距离在y方向的投影长度为h0；初始状态下，所述的第二固定点到光纤双侧加载块的距离，和第四固定点到光纤双侧加载块的距离，均为t；光纤双侧加载块连接有x方向的位移加载杆，位移加载杆的一端引出，另一端通过初始状态有一定压缩量的复位弹簧与基座连接。...

【技术特征摘要】
1.一种分布式带温度补偿的高精度光纤光栅位移传感器，包括基座和位于基座内带光栅的光纤，其特征在于：所述的光纤包括第一光纤和第二光纤，第一光纤上设有第一光栅，第二光纤上设有第二光栅，第一光栅的两端分别通过第一固定点和第二固定点与所述的基座固定，第二光栅的两端分别通过第三固定点和第四固定点与所述的基座固定，第一至第四固定点使得第一光纤和第二光纤以倾斜错位平行方式布置于同一平面内的基座上；在所述的平面内，以所检测的位移方向为x方向，与x方向相垂直的方向为y方向，第一固定点与第二固定点的距离在x方向上的投影长度、第三固定点与第四固定点的距离在x方向上的投影长度均为L，第一固定点与第二固定点的距离在y方向上的投影长度、第三固定点与第四固定点的距离在y方向上的投影长度均为h；第一光纤和第二光纤之间设有y方向上的光纤双侧加载块，使得第一光栅和第二光栅分别位于光纤双侧加载块的两边，光纤双侧加载块的一端与第二固定点与第一光栅之间的第一光纤接触，且光纤双侧加载块与第一光纤的接触点与第二固定点的距离在y方向的投影长度为h0；光纤双侧加载块的另一端与第四固定点与第二光栅之间的第二光纤接触，且光纤双侧加载块与第二光纤的接触点与第四固定点的距离在y方向的投影长度为h0；初始状态下，所述的第二固定点到光纤双侧加载块的距离，和第四固定点到光纤双侧加载块的距离，均为t；光纤双侧加载块连接有x方向的位移加载杆，位移加载杆的一端引出，另一端通过初始状态有一定压缩量的复位弹簧与基座连接。2.根据权利要求1所述的分布式带温度补偿的高精度光纤光栅位移传感器，其特征在于：第一光纤和第二光纤在x方向上相错的间距为L/2。3.根据权利要求1所述的分布式带温度补偿的高精度光纤光栅位移传感器，其特征在于：所述的基座上设有导向孔，所述的位移加载杆的一端从导向孔中引出。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：李天梁，尹洁明，
申请(专利权)人：徐梦雪，
类型：发明
国别省市：湖北,42