一种可测量二维倾角且温度不敏感的光纤测斜仪的制作方法

1.本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种可测量二维倾角且温度不敏感的光纤测斜仪。


背景技术：

2.测斜仪又称为倾角传感器、水平仪、倾角计，是测量物体倾斜角度变化大小及方向的测量仪器。测斜仪在结构安全监测中起着至关重要的作用，被广泛应用于多个工程领域，如大型桥梁倾斜的监测、大坝滑坡监测、输电通信铁塔倾斜监测、边坡沉降监测中。相对于传统的电子式倾角传感设备，光纤作为传感元件具有抗电磁干扰、灵敏度高、体积小、重量轻、易于集成以及可复用等优势，近年来其产业与科研得到了飞速发展，也广受科研工作者的青睐。
3.现有的依据光纤传感原理研制的测斜仪往往存在诸多不足，例如不能同时测量二维倾斜角的变化、难以克服温度波动对测量结果干扰、成本高、难以组装等。


技术实现要素：

4.为了弥补现有技术的不足，本实用新型提供一种可测量二维倾角且温度不敏感的光纤测斜仪，可同时测量二维倾斜角的变化，并且消除了温度波动对测量结果的影响。
5.为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：
6.一种可测量二维倾角且温度不敏感的光纤测斜仪，包括基座和顶盖，所述基座和所述顶盖均为方形板状，所述基座和所述顶盖平行；多个支撑杆将所述基座和所述顶盖固定连接，所述支撑杆中心轴线与所述顶盖垂直；摆锤臂外形为圆柱状，设置于所述顶盖下表面中心位置处，所述摆锤臂与所述顶盖固定连接，所述摆锤臂中心轴线与所述顶盖垂直；球体荷载外形为圆球状，与所述摆锤臂同轴固定连接；
7.光纤光栅1、光纤光栅2设置于所述摆锤臂表面，所述光纤光栅1、光纤光栅2均为布拉格光纤光栅，沿所述摆锤臂轴向高度相同；
8.所述光纤光栅1中心轴线与所述顶盖垂直；所述光纤光栅1包括光纤光栅1固定部和光纤光栅1自由部；所述光纤光栅1固定部与所述摆锤臂固定连接；所述光纤光栅1自由部处于自由状态；
9.所述光纤光栅2中心轴线与所述顶盖垂直；所述光纤光栅2包括光纤光栅2固定部和光纤光栅2自由部；所述光纤光栅2固定部与所述摆锤臂固定连接；所述光纤光栅2自由部处于自由状态；
10.所述光纤光栅1中心轴线与所述摆锤臂中心轴线构成倾斜角平面一；所述光纤光栅2中心轴线与所述摆锤臂中心轴线构成倾斜角平面二；所述倾斜角平面一与所述倾斜角平面二垂直；
11.优选地，所述摆锤臂材质为空心有机玻璃；
12.优选地，所述光纤光栅1固定部、光纤光栅2固定部与所述摆锤臂均采用环氧树脂
系胶结剂固定连接。
13.本实用新型的有益效果：
14.1)本实用新型利用光纤传感的原理，在仅仅使用两个光纤光栅的前提下，达到了同时测量两个维度倾斜角变化的目的，极大地降低了产品的制造成本；
15.2)本实用新型中光纤光栅采用部分固定、部分自由的安装方式，消除了温度波动对测量结果的影响，提高了产品的测量精度；
16.3)本实用新型结构简单、安装方便，后期维护维修成本低。
附图说明
17.图1为本实用新型实施例整体结构示意图；
18.图2为摆锤臂部分结构示意图；
19.图3为本实用新型在倾斜状态下光纤光栅反射光谱的示意图；
20.图4为本实用新型工作示意图；
21.图中，1
‑
基座、2
‑
顶盖、3
‑
支撑杆、4
‑
摆锤臂、5
‑
球体荷载、6
‑
光纤光栅1、601
‑
光纤光栅1固定部、602
‑
光纤光栅1自由部、7
‑
光纤光栅2、701
‑
光纤光栅2固定部、702
‑
光纤光栅2自由部、8
‑
倾斜角平面一、9
‑
倾斜角平面二、10
‑
光纤光栅固定部反射峰、11
‑
光纤光栅自由部反射峰。
具体实施方式
22.下面结合具体实施方式对本实用新型进行详细的说明。
23.图1为本实用新型实施例整体结构示意图。如图1所示，本实用新型包括基座1、顶盖2、支撑杆3、摆锤臂4、球体荷载5、光纤光栅1、光纤光栅2；
24.基座1外形为正方形板状，上表面四角均布有4个深度相同的螺纹孔；顶盖2外形尺寸与基座1相同，四角设置有4个圆形通孔，4个圆形通孔定位尺寸与基座1上4个螺纹孔定位尺寸相同；支撑杆3外形为圆柱状，两端设置有外螺纹，通过螺母将基座1、支撑杆3、顶盖2连接起来，保证支撑杆3中心轴线与顶盖2垂直；
25.摆锤臂4外形为圆柱状，采用环氧树脂粘胶将摆锤臂4固定连接于顶盖2下表面中心位置处，摆锤臂4中心轴线与顶盖2垂直；摆锤臂4材质采用空心有机玻璃，有机玻璃杨氏模量小，可提高测量仪的测量精度；
26.球体荷载5外形为球状，中心设置有圆形通孔，摆锤臂4另一端设置于球体荷载5内部的圆形通孔内，球体荷载5与摆锤臂4采用环氧树脂粘胶固定连接；
27.光纤光栅1选用布拉格光纤光栅，包括光纤光栅1固定部601和光纤光栅1自由部602；光纤光栅1固定部601采用环氧树脂系胶结剂粘结于摆锤臂4表面；光纤光栅1中心轴线与顶盖2垂直；
28.光纤光栅2选用布拉格光纤光栅，包括光纤光栅2固定部701和光纤光栅2自由部702；光纤光栅2固定部701采用环氧树脂系胶结剂粘结于摆锤臂4表面；光纤光栅2中心轴线与顶盖2垂直；
29.如图2摆锤臂部分结构示意图所示，光纤光栅1、光纤光栅2沿摆锤臂4轴向高度相同；光纤光栅1中心轴线与摆锤臂4中心轴线构成倾斜角平面一8；光纤光栅2中心轴线与摆
锤臂4中心轴线构成倾斜角平面二9；倾斜角平面一8与倾斜角平面二9垂直。
30.本实用新型工作原理如下：
31.设定倾斜角平面一为θ倾斜角平面，设定倾斜角平面二为β倾斜角平面；
32.当测斜仪沿θ倾斜角方向倾斜时，位于θ倾斜角平面上的光纤光栅1受到球体荷载对摆锤臂引入的轴向拉伸或压缩应变，使光纤光栅1的布拉格中心波长向长波长方向或短波长方向漂移漂移；与此同时，由于沿θ角倾斜时，光纤光栅2所在β倾斜角平面始终处于摆锤臂弯曲的中性轴上，因此光纤光栅2不会受到球体荷载引入的应变，光纤光栅2的布拉格中心波长不会发生漂移；
33.每个光纤光栅的固定部与自由部紧密连接，处于同一环境温度下，并且固定部与自由部同属一个光纤光栅，其光栅的制作参数相同，对温度变化的响应也相同；当测斜仪沿θ倾斜角方向倾斜时，光纤光栅1上的光纤光栅1固定部由于受到球体荷载对摆锤臂引入的轴向拉伸或压缩应变，使光纤光栅1的布拉格中心波长向长波长方向或短波长方向漂移漂移；与此同时，光纤光栅1固定部还会受到温度变化的影响导致其布拉格中心波长发生漂移；而光纤光栅1上的光纤光栅1自由部不会受到倾斜时引入的应变，因此其布拉格中心波长的漂移仅与温度变化相关；
34.当测斜仪沿θ角方向倾斜时，光纤光栅1的布拉格反射光谱会发生分裂，如图3所示，光纤光栅1的原始布拉格反射光谱分裂为光纤光栅1固定部反射峰10和光纤光栅1自由部反射峰11；通过对比光纤光栅1固定部反射峰10和光纤光栅1自由部反射峰11的峰值间距，消除温度变化对倾角测量结果的影响；
35.最后可通过对比光纤光栅1漂移后的布拉格中心波长与原始布拉格中心波长，得出测斜仪沿θ角方向倾斜时的倾斜角及倾斜方向；测斜仪沿β倾斜角方向倾斜时的倾斜角及倾斜方向测量原理同理。
36.具体公式如下：
37.设定光纤光栅1所处平面为x
‑
z平面，光纤光栅1与z轴平行；设定光纤光栅2所处平面为y
‑
z平面，光纤光栅2与z轴平行；向y
‑
z平面x轴的负方向倾斜为θ倾斜角的正方向，向y
‑
z平面x轴的正方向倾斜为θ倾斜角的负方向；向x
‑
z平面y轴的负方向倾斜为β倾斜角的正方向，向x
‑
z平面y轴的正方向倾斜为β倾斜角的负方向；
38.光纤光栅1固定部和光纤光栅2固定部的中心波长漂移与倾斜时引入的应变和温度有关，光纤光栅1自由部和光纤光栅2自由部中心波长漂移仅与温度变化有关。四个部分的光纤光栅中心波长漂移公式如下：
[0039][0040][0041][0042]
[0043]
其中，δλ
i,j
为总波长漂移量，下标为(1,1)时，代表光纤光栅1固定部；下标为(1,2)时，代表光纤光栅1自由部；下标为(2,1)时，代表光纤光栅2固定部；下标为(2,2)时，代表光纤光栅2自由部；λ1和λ2分别代表光纤光栅1和光纤光栅2的原始布拉格中心波长；代表每段光纤光栅的温度系数。p
e
为光弹系数约为0.22；mg为球体荷载的质量；e是摆锤臂的杨氏模量；l是顶盖到球体荷载中心的距离；l1是顶盖到两个光纤光栅中点的距离；摆锤臂的惯性矩为i＝π(r
24
‑
r
14
)/4，其中r1和r2分别为摆锤臂的内径和外径；
[0044]
公式(1)为对应沿θ角倾斜时，光纤光栅1固定部的波长漂移公式；公式(3)对应沿β角倾斜时，光纤光栅2固定部的波长漂移公式；公式(2)和公式(4)分别对应光纤光栅1自由部和光纤光栅2自由部的波长漂移。
[0045]
由于每个光纤光栅的粘贴部分与未粘贴部分紧密连接，处于同一环境温度下，并且固定部与自由部同属一个光纤光栅，其光栅的制作参数相同，对温度变化的响应也相同。从上述公式(1)
‑
(4)可以看出，光纤光栅的波长分裂间距与倾斜角度相关，与温度变化影响无关。因此，其倾斜角与波长分裂间距公式如下：
[0046][0047][0048]
其中，δλ
θ
和δλ
β
是光纤光栅1和光纤光栅2的波长分裂间距，公式(5)和公式(6)中可以看出，光纤光栅的波长分裂间距与倾斜角度的正弦值呈线性关系，因此可以通过测量光纤光栅1和光纤光栅2的反射谱峰值间距实现温度不敏感的二维倾斜角测量。
[0049]
本光纤测斜仪的使用方法如下：
[0050]
如图4所示，将环形器端口1与宽带光源用普通单模光纤连接；将环形器端口2与本光纤测斜仪上的光纤光栅1固定部用普通单模光纤连接；将环形器端口3与光谱仪相连；
[0051]
宽带光源发出的宽带光信号经普通单模光纤进入环形器端口1，并经环形器端口2将宽带光源发出的光信号输送至光纤光栅1中；由于布拉格光纤光栅本身固有的布拉格波长选择性反射机制，光纤光栅1接收到的光信号中，有一部分通过普通单模光纤反射回环形器端口2；反射回来的光信号，经环行器端口3输出给光谱仪；因光纤光栅1固定部受到应变和温度变化的共同影响，光纤光栅1自由部仅受到温度变化的影响；
[0052]
将光谱仪上来自光纤光栅1反射回来的光谱图数据进行处理，可得出沿θ角方向倾斜时的倾斜角度数及倾斜方向；同理，将环形器端口2与本光纤测斜仪上的光纤光栅2固定部用普通单模光纤连接，可得出沿β角方向倾斜时的倾斜角度数及倾斜方向。
[0053]
在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0054]
本实用新型的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本实用新型说明书而对本实用新型技术方案采取的任何等效的变换，均为本实用新型的权利要求所
涵盖。