基于双曲线型铰链结构光纤光栅位移传感器及传感方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于双曲线型铰链结构光纤光栅位移传感器及传感方法
本专利技术涉及位移传感的
，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。
技术介绍
光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating)为传感单元的传感技术不断发展，其性能已经受到工程
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(LiSun1etal.JournalofAerospaceEngineering.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(Lietal.22NDINTERNATIONALCONFERENCEONOPTICALFIBERSENSORS,PTS1-3.2012)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。
技术实现思路
本专利技术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。一方面，根据本专利技术提供的基于双曲线型铰链结构光纤光栅位移传感器包括底座、铅封螺钉、弹簧、拉杆以及上述双曲线型铰链结构，该双曲线型铰链结构安装于所述底座的容纳腔内，所述第二固定杆的第二螺纹固定孔内安装有所述铅封螺钉，所述拉杆和弹簧均设于所述底座的容纳腔内，所述弹簧的一端与所述铅封螺钉连接，所述弹簧的另一端与所述拉杆连接，其中，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，所述第一曲面构件的凸面和所述第二曲面构件的凸面相向设置，所述第一曲面构件的曲率半径和所述第二曲面构件的曲率半径相同，所述第一曲面构件中间位置设有第一光纤固定孔，所述第二曲面构件中间位置设有第二光纤固定孔，所述第二光纤固定孔和所述第一光纤固定孔在竖直方向对齐，所述光纤光栅的一端安装于所述第一光纤固定孔，另一端安装于所述第二光纤固定孔。在一些实施方式中，双曲线型铰链结构还包括平行设置的第一固定杆和第二固定杆，所述第一固定杆分别与所述第一曲面构件和第二曲面构件的一端固定连接，所述第二固定杆分别与所述第一曲面构件的和第二曲面构件远离所述第一固定杆的一端固定连接，所述第一固定杆设有第一螺纹固定孔，所述第二固定杆设有第二螺纹固定孔。在一些实施方式中，第一曲面构件为双曲面簧片，所述第二曲面构件为双曲面簧片。在一些实施方式中，光纤光栅为光纤布拉格光栅。在一些实施方式中，光纤光栅的一端粘接于所述第一光纤固定孔，另一端粘接于所述第二光纤固定孔。在一些实施方式中，所述底座上端面和下端面分别设有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔、第一光纤固定孔、第二光纤固定孔以及第二通孔位于同一直线。在一些实施方式中，所述第一曲面构件包括第一端部和第二端部，所述第一端部和所述第一光纤固定孔的连线与所述第一端部和第二端部的连线的夹角为α，所述第二曲面构件包括第三端部和第四端部，所述第三端部和所述第二光纤固定孔的连线与所述第三端部和所述第四端部的连线的夹角为α，α的角度为12至15°。另一方面，根据本专利技术提供的基于双曲线型铰链结构光纤光栅位移传感器的传感方法，包括在水平方向上，使得拉杆(80)与待测物体硬质接触，固定传感器；标定传感器，得到竖直方向上的位移B；测量时，待测物体的微位移量按以下公式获得：其中，A为水平方向上的位移，X为位移放大倍数；其中，其中，α为所述第一曲面构件的第一端部和所述第一光纤固定孔的连线与所述第一曲面构件的所述第一端部和第二端部的连线的夹角，Δα为所述拉杆与待测物体硬质接触角度α产生的微小变化。在一些实施方式中，X按以下公式获得：在一些实施方式中，α的角度为12至15°，水平方向上的位移A为竖直方向上的位移B的4倍。有益效果：1、通过双曲线型机械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。2、双曲线型铰链结构采用的是两点式粘贴方法粘贴光纤布拉格光栅，使光纤光栅元件悬空，避免了不均匀的受力所带来的啁啾效应，减少对实验结果的不良影响，增加了测量结构的精度。3、光纤光栅安装在双曲线型铰链结构中心位置，仿真结果得知中心位置位移放大倍数最大，提高光纤光栅位移传感器的灵敏度。附图说明图1为本专利技术的一种双曲线型铰链结构的示意图；图2为本专利技术的一种光纤光栅位移传感器的结构示意图；图3为本专利技术的三角形放大原理图；图4为本专利技术的一种光纤光栅位移传感器的三角形放大示意图；图5为本专利技术的一种双曲线型铰链结构纵向拉伸仿真图；图6为本专利技术的一种光纤光栅传感器纵向位移与拉力呈线性关系。具体实施方式下面结合说明书附图1至6，对本专利技术进行进一步详细的说明。如图1和2所示：一种光纤光栅位移传感器，包括底座50、铅封螺钉60、弹簧70、拉杆80以及双曲线型铰链结构，该双曲线型铰链结构安装于所述底座50的容纳腔内，所述第二固定杆40的第二螺纹固定孔41内安装有所述铅封螺钉60，所述拉杆80和弹簧70均设于所述底座50的容纳腔内，所述弹簧70的一端与所述铅封螺钉60连接，所述弹簧70的另一端与所述拉杆80连接，其中，双曲线型铰链结构，包括：第一曲面构件10、第二曲面构件20、光纤光栅11以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于双曲线型铰链结构光纤光栅位移传感器，其特征在于，包括包括底座(50)、铅封螺钉(60)、弹簧(70)、拉杆(80)以及双曲线型铰链结构，该双曲线型铰链结构安装于所述底座(50)的容纳腔内，所述第二固定杆(40)的第二螺纹固定孔(41)内安装有所述铅封螺钉(60)，所述拉杆(80)和弹簧(70)均设于所述底座(50)的容纳腔内，所述弹簧(70)的一端与所述铅封螺钉(60)连接，所述弹簧(70)的另一端与所述拉杆(80)连接，其中，所述双曲线型铰链结构包括第一曲面构件(10)、第二曲面构件(20)以及光纤光栅(11)，所述第一曲面构件(10)的凸面和所述第二曲面构件(20)的凸面相向设置，所述第一曲面构件(10)的曲率半径和所述第二曲面构件(20)的曲率半径相同，所述第一曲面构件(10)中间位置设有第一光纤固定孔(12)，所述第二曲面构件(20)中间位置设有第二光纤固定孔(22)，所述第二光纤固定孔(22)和所述第一光纤固定孔(12)在竖直方向对齐，所述第一光纤光栅(11)的一端安装于所述第一光纤固定孔(12)，另一端安装于所述第二光纤固定孔(22)。/n

【技术特征摘要】
1.基于双曲线型铰链结构光纤光栅位移传感器，其特征在于，包括包括底座(50)、铅封螺钉(60)、弹簧(70)、拉杆(80)以及双曲线型铰链结构，该双曲线型铰链结构安装于所述底座(50)的容纳腔内，所述第二固定杆(40)的第二螺纹固定孔(41)内安装有所述铅封螺钉(60)，所述拉杆(80)和弹簧(70)均设于所述底座(50)的容纳腔内，所述弹簧(70)的一端与所述铅封螺钉(60)连接，所述弹簧(70)的另一端与所述拉杆(80)连接，其中，所述双曲线型铰链结构包括第一曲面构件(10)、第二曲面构件(20)以及光纤光栅(11)，所述第一曲面构件(10)的凸面和所述第二曲面构件(20)的凸面相向设置，所述第一曲面构件(10)的曲率半径和所述第二曲面构件(20)的曲率半径相同，所述第一曲面构件(10)中间位置设有第一光纤固定孔(12)，所述第二曲面构件(20)中间位置设有第二光纤固定孔(22)，所述第二光纤固定孔(22)和所述第一光纤固定孔(12)在竖直方向对齐，所述第一光纤光栅(11)的一端安装于所述第一光纤固定孔(12)，另一端安装于所述第二光纤固定孔(22)。


2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述双曲线型铰链结构还包括平行设置的第一固定杆(30)和第二固定杆(40)，所述第一固定杆(30)分别与所述第一曲面构件(10)和第二曲面构件(20)的一端固定连接，所述第二固定杆(40)分别与所述第一曲面构件(10)的和第二曲面构件(20)远离所述第一固定杆(30)的一端固定连接，所述第一固定杆(30)设有第一螺纹固定孔(31)，所述第二固定杆(40)设有第二螺纹固定孔(41)。


3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一曲面构件(10)为双曲面簧片，所述第二曲面构件(20)为双曲面簧片。


4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述光...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡建羡，张良鑫，高志涛，洪利，罗青山，石亚男，
申请(专利权)人：防灾科技学院，
类型：发明
国别省市：北京;11