专利名称：摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器及标定方法
技术领域：
本发明公开了一种光纤光栅倾角传感器及标定方法，特别是指一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器及标定方法，属于压力传感器技术领域。
背景技术：
通过对国内外资料的查阅发现，到目前为止，有关光纤光栅倾角传感器方面的研究很少，还处于探索阶段。2000年，Ferdinand等人利用光纤光栅研制出第一个光纤光栅倾角传感器，两根光纤布拉格光栅对称的张拉在固定端与转动端之间，当结构物旋转时，两个光栅的波长向相反的方向变化，但是受温度的影响是一致的。因而实现了温度自补偿。2003年，Guan等人利用支架、摆锤、光栅，摆锤悬挂在支架上，能够自由的摆动，光纤光栅以能阻止摆锤摆动的方式连接摆锤和支架，一侧连接锤摆，另一侧连接支架，且光栅处于拉伸状态，从而使对称布置的光栅发生相应的应变，测量从光栅反射回来的波长的变化来计算倾斜角度。2004年，Zhao等人把两根光纤光栅对称的贴于带了摆锤的等强度梁上，通过测量梁的应变来计算倾斜角度。2005年，Dong等人将三根光纤光栅贴于三片按120°布置的应变梁上，应变梁通过钢弦与摆锤上方的圆盘相连，此种方法不但同时测量角度的大小还可以测量角度方向， 但精度较低。2006年，Toshimitsu等人应用一根光纤光栅与摆锤相连制作的倾角传感器温度影响较大。现有的光纤光栅倾角传感器由于测量精度低、寿命短、体积大等缺点难以应用于桥梁结构变形监测，为此制作了新型的摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器并设计了其标定方法，对于土木工程结构变形监测具有十分重要的意义。

发明内容
本发明的目的在于提供一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器及标定方法，使其能方便的应用于土木工程结构变形监测中。本发明一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器，包括定位座、摆锤、等截面梁、 光纤光栅、连接套，所述连接套一端固定连接在所述定位座上，另一端与所述摆锤的一端通过第一铰轴铰接；所述等截面梁的横截面为矩形并插装在所述连接套中，其一端固定连接在所述定位座上，另一端通过第二铰轴与所述摆锤连接；所述第一铰轴与第二铰轴相互垂直；所述光纤光栅有2片，分别固定安装在所述等截面梁相对的两个侧面，所述等截面梁相对的两个侧面是指与所述等截面梁横截面矩形中较长的边相对应的侧面。本发明中，所述摆锤由纯铜制成。本发明中，所述等截面梁由铍青铜制造。
本发明中，所述光纤光栅采用相位掩模法在掺锗光敏光纤中写入。本发明中，所述套管由不锈钢制造。本发明中，所述等截面梁与所述定位座之间铆接。本发明的进一步改进是在所述定位座、摆锤、等截面梁、光纤光栅、连接套外设有一套管，所述定位座固定安装在所述套管的一端。本发明一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器的标定方法，包括下述步骤第一步准备一工字型简支梁、一光纤光栅传感网络分析仪、一千分表、一水平尺； 所述简支梁的一端铰装在铰轴上，另一端由一千斤顶支撑；第二步用水平尺将工字型简支梁轴线调整至水平，然后，将摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器粘贴在梁表面，使摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感的轴线与梁的轴线垂直；此时，摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感中的光纤光栅处于无应变状态；将摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感与光纤光栅传感网络分析仪电连接；第三步调整千斤顶活塞的形程，使所述简支梁绕其铰轴转动，按步长Δ θ = 0.2°逐步改变简支梁的倾角，同时用千分表实时测量所述简支梁的倾角θ i;达到测量上限后静置5分钟，再平稳下降至测量下限，以倾角逆时针增大为正行程，正行程和反行程， 往反一次为1个循环；首先，记录θ =0°时，摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值/I^、；然后，按设定步长进行正行程、反行程的测量，在每个倾角点 θ i静置2分钟，待光纤光栅传感网络分析仪读数稳定后，记录摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器中的两根光纤光栅在相应倾角处的中心波长值^、4&，i = 1.2… m;最后，记录反行程结束时，θ =0°的摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值<&、第四步以倾角θ为横坐标、中心波长变化之差Δ λ为纵坐标设置笛卡尔直角坐标系，其中，Δλ为光纤光栅倾角传感器在相应转角处实时测量的光纤光栅中心波长值变化与或与Δ《&之差，即或Δ&-Δ&，其中八义正=4-<正，Δ4 =4-《正，A^ =义反-4，ΔΑ;反=4反-《反；根据第三步所得的 Θ^Λι^ 4&数据，得到中心波长变化之差Δ λ数据点的离散分布图，根据离散分布图中△ λ数据点的分布形状，采用一次多项式对离散的数据点进行线性拟合，确定一次多项式为￠(0) = AA+义= Δ々_Δ七，式中Φ(θ」)是以倾角θ」为自变量的函数，其中θ j为实际工程中所需测量的倾角，为实际工程中所测量的光纤光栅倾角传感器中光纤光栅中心波长值变化Δ/l；与Δ《之差；
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mΔ第五步根据最小二乘法原理，有—ρ Σ「Mi-正+A^s-AA反，
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mΔ
Φ为一次多项式集合；取j = i，得到^^ ^1正-Μ正+吣反-Φ(幻]，令
^ 1) ζ'=0
？ ？ m丄m^
Ι=Σ[Δ4-Μ正+M1反為-小⑷]，即1=![八々正-八劣正+^-^反-做-义]，
i=0 i=0
将第三步所得的θ^ I、4正，Ar > I数据代入I中，当Φ (、)满足m2QJ
^^^^々正-厶劣正+厶/^反-厶名反-小⑷]时，由求多元极值的必要条件可得￥ = 0， dl
;=0，即得到含有2个未知数βρ λ的两个方程，解方程组，得βρ λ，从而得到拟
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合的= Α《 +2 = Δ々-Δ七；实现摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器的标定，即
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; A本法明其工作原理及优点简述于下使用时，将本发明固定安装在被测结构上，使本发明中套管的轴线垂直于被测结构所在的水平面，当被测结构发生倾斜时，本发明传感器也随之一起产生相应的倾斜，摆锤在重力作用下，将绕铰接轴发生转动，以保持其竖直方向的位置，由于摆锤的一端与等截面梁的一端固定连接，因此，等截面梁将阻止摆锤的转动，此时，摆锤因其重心与其轴线偏移相对于铰轴所产生的力矩将作用在等截面梁的一端，迫使等截面梁绕其与定位座之间的固定连接点发生弯曲变形，粘贴于等截面梁相对侧面的两只光纤光栅将与等截面梁表面协同变形，使一侧的光栅被拉长，而另一侧的光栅被缩短，导致光栅的中心波长发生偏移，通过检测光纤光栅中心波长的变化量，就可以测出倾斜角度的变化，这种新型的光纤光栅倾角传感器具有很好的线性关系。摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器相对于其它测量变形的传感器来说，具有许多的优点。首先是其测量精度得到了极大的提高，所有测量变形的仪器都需要一个参考点， 而摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器是以重力的方向为参考点，无论传感器的位置发生怎么样的变化，重力的方向始终是固定不变的，而其它测量变形的仪器是以某一位置为参考点，这参考点不能像重力方向一样始终不变，这样就会对长期的监测带来一定的误差。除此这外，光纤光栅倾角传感器是通过测量光栅中心波长变化来计算所测角度，而光纤光栅具有耐电磁干扰、信号衰减少等优点，所以光纤光栅倾角传感器能用应于恶劣的环境中。利用摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器测量桥梁挠度不需要静止的参考点，不受日光、雨、 雾等影响，降低了对环境条件的依赖，尤其适于测量跨线桥，跨河桥的挠度，且安装相对比较方便，大大的提高了工作效率。另外本发明摆锤由于采用了密度较大的纯铜制成，从而保证了传感器的尺寸足够小，同时具有较高的灵敏系数；梁体结构采用了柔性悬臂梁等截面梁的形式，并选用了强度高、弹性极限高、冲击韧性和疲劳强度良好、抗氧化、抗腐蚀性能强的铍青铜作为等截面梁弹性元件的材料，这些都成很大程度上提高了本发明的灵敏系数， 即所测数据的精度；并且本发明设计了双光纤光栅差动结构，在等截面梁的上下表面各粘一根光纤光栅，实现了温度的自补偿。基于光纤光栅优良的特性和所设计了双光纤光栅差动结构，总结起来，本发明具有以下优点1.测量精度较以前的光纤光栅倾角传感器有了较大的提高。2、体积小，便于在户外用于桥梁结构的变形监测。3、结构简单，安装相对比较方便，工作效率较高。4、它的使用不受所测量环境条件的限制。5、使用了等截面的弹性元件结构，结构简单，便于加工。6、实现了传感器温度自补偿，从而它能适应复杂多变外界测试环境，并直接应用于实际工程中。综上所述，本发明测量精度高、抗电磁干扰能力强、稳定性好，适于工业化生产，适用于各种工程结构变形监测，特别适用于土木工程结构变形的监测。


附图1为本发明结构示意图。附图2为附图1左视图。附图3为本发明中光纤光栅结构示意图。附图4为本发明实施例1所得的实验数据离散分布图。图中1-光纤光栅，2-等截面梁，3,8-铰轴，4-摆锤，5_套管，6_定位座，7_连接套。
具体实施例方式本发明的具体实施方式
，下面结合附图及实施例进行详细说明。实施例1一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器，包括定位座6、摆锤4、等截面梁2、光纤光栅1、连接套7，所述连接套7 —端固定连接在所述定位座6上，另一端与所述摆锤4的一端通过第一铰轴3铰接；所述等截面梁2的横截面为矩形并插装在所述连接套7中，其一端固定连接在所述定位座6上，另一端通过第二铰轴8与所述摆锤4连接；所述第一铰轴3 与第二铰轴8相互垂直；所述光纤光栅1有2片，分别固定安装在所述等截面梁2相对的两个侧面，所述等截面梁2相对的两个侧面是指与所述等截面梁2横截面矩形中较长的边相对应的侧面。本实施例中，所述摆锤4由纯铜制成，质量为164g。本实施例中，所述等截面梁2由铍青铜制造。本实施例中，所述光纤光栅1由含有10个光栅区的纤芯9构成，外面包有包层12， 采用相位掩模法在掺锗光敏光纤中写入，布拉格波长为1550nm，反射率大于90%。本实施例中，所述套管5由抗腐蚀能力强的低碳含量的不锈钢制造。本实施例中，所述等截面梁2与所述定位座6之间通过铆钉11铆接。实施例2一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器，是在实施例1中所述定位座6、摆锤4、 等截面梁2、光纤光栅1、连接套7外设有一套管5，所述定位座6固定安装在所述套管5的一端。本发明实施例1或实施例2制备的摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器的标定方法如下第一步准备一工字型简支梁、一光纤光栅传感网络分析仪、一千分表、一水平尺； 所述简支梁的一端铰装在铰轴上，另一端由一千斤顶支撑；第二步用水平尺将工字型简支梁轴线调整至水平，然后，将摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器粘贴在梁表面，使摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感的轴线与梁的轴线垂直；此时，摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感中的光纤光栅处于无应变状态；将摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感与光纤光栅传感网络分析仪电连接；第三步调整千斤顶活塞的形程，使所述简支梁绕其铰轴转动，按步长Δ θ = 0.2°逐步改变简支梁的倾角，同时用千分表实时测量所述简支梁的倾角θ i;达到测量上限后静置5分钟，再平稳下降至测量下限，以倾角逆时针增大为正行程，正行程和反行程， 往反一次为1个循环；首先，记录θ =0时，摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值41、^ ；然后，按设定步长进行正行程、反行程的测量，在每个倾角点 θ i静置2分钟，待光纤光栅传感网络分析仪读数稳定后，记录摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器中的两根光纤光栅在相应倾角处的中心波长值A11、4&，i = 1.2… m ；最后，记录反行程结束时，θ =0的摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值^a、Ar ；测量过程中应平稳地升压和降压，不应中断，避免出现超调和回调现象。本实施例进行了 4个的行程循环测量，所测得数据见表1、表2、表3、表4 表1光纤光栅倾角传感器循环实验一测量数据
权利要求
1.一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器，包括定位座、摆锤、等截面梁、光纤光栅、连接套，所述连接套一端固定连接在所述定位座上，另一端与所述摆锤的一端通过第一铰轴铰接；所述等截面梁的横截面为矩形并插装在所述连接套中，其一端固定连接在所述定位座上，另一端通过第二铰轴与所述摆锤连接；所述第一铰轴与第二铰轴相互垂直；所述光纤光栅有2片，分别固定安装在所述等截面梁相对的两个侧面，所述等截面梁相对的两个侧面是指与所述等截面梁横截面矩形中较长的边相对应的侧面。
2.根据权利要求1所述的一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器，其特征在于所述摆锤由纯铜制成。
3.根据权利要求1所述的一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器，其特征在于所述等截面梁由QB^铍青铜制造。
4.根据权利要求1所述的一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器，其特征在于所述光纤光栅采用相位掩模法在掺锗光敏光纤中写入。
5.根据权利要求1所述的一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器，其特征在于所述套管由不锈钢制造。
6.根据权利要求1所述的一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器，其特征在于所述等截面梁与所述定位座之间铆接。
7.根据权利要求1所述的一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器，其特征在于在所述定位座、摆锤、等截面梁、光纤光栅、连接套外设有一套管，所述定位座固定安装在所述套管的一端。
8.—种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器的标定方法，包括下述步骤第一步准备一工字型简支梁、一光纤光栅传感网络分析仪、一千分表、一水平尺；所述简支梁的一端铰装在铰轴上，另一端由一千斤顶支撑；第二步用水平尺将工字型简支梁轴线调整至水平，然后，将摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器粘贴在梁表面，使摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感的轴线与梁的轴线垂直； 此时，摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感中的光纤光栅处于无应变状态；将摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感与光纤光栅传感网络分析仪电连接；第三步调整千斤顶活塞的形程，使所述简支梁绕其铰轴转动，按步长Δ θ =0.2°逐步改变简支梁的倾角，同时用千分表实时测量所述简支梁的倾角θ i ；达到测量上限后静置 5分钟，再平稳下降至测量下限，以倾角逆时针增大为正行程，正行程和反行程，往反一次为 1个循环；首先，记录θ =0°时，摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值<ΙΕ、然后，按设定步长进行正行程、反行程的测量，在每个倾角点Qi静置2分钟，待光纤光栅传感网络分析仪读数稳定后，记录摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器中的两根光纤光栅在相应倾角处的中心波长值^^、4&，i = 1.2…m;最后，记录反行程结束时，θ =0°的摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器中光纤光栅的中心波长值 A0反、Λ2& ‘第四步以倾角θ为横坐标、中心波长变化之差Δ λ为纵坐标设置笛卡尔直角坐标系，其中，Δλ为光纤光栅倾角传感器在相应转角处实时测量的光纤光栅中心波长值变化Δ々正与或与ΔΑ;反之差，即Δ々正-A^1或- ΑΛ;&，其中Δ々正=4正-<正，= 4正-义。正，ΛΛ;& =义反-'Δ^=^-Λ2°& ；根据第三步所得的 θ^Λι^4&数据，得到中心波长变化之差Δ λ数据点的离散分布图，根据离散分布图中△ λ数据点的分布形状，采用一次多项式对离散的数据点进行线性拟合，确定一次多项式为￠(0) = AA+义= Δ々-Δ七，式中Φ(θ」)是以倾角Θ」为自变量的函数，其中θ j为实际工程中所需测量的倾角，为实际工程中所测量的光纤光栅倾角传感器中光纤光栅中心波长值变化Δ/l；与Δ《之差； 第五步根据最小二乘法原理，有
全文摘要
一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器，是将等截面梁一端固定，另一端连接摆锤；2片光纤光栅分别固定在等截面梁相对的两个侧面。标定方法是按步长Δθ改变简支梁倾角，记录每个倾角点θi时传感器中心波长值λi；以倾角θ为横坐标、相应转角处实测的传感器中心波长变化之差Δλ为纵坐标设置直角坐标系；得到Δλ数据点的离散分布图，采用一次多项式对离散数据点进行线性拟合，根据最小二乘法原理及求多元极值的必要条件及所得的θi、λi数据，计算得β1、λ，得到拟合的本发明测量精度高、抗电磁干扰能力强、稳定性好，适于工业化生产，特别适用于土木工程结构变形的监测。
文档编号G01B11/26GK102168956SQ20111002319
公开日2011年8月31日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者任伟新, 伍贤智 申请人:中南大学