专利名称：光纤倾角仪的制作方法
专利说明
1987年由K.O.Hill利用氩离子激光首次在掺锗的纤芯内制作出光纤光栅(grating)，除了在光纤通讯系统中广泛应用，其在感测领域也有极大的使用空间。1989年Meltz等将感光性的光纤在高能量紫外光激光下曝照，改变其内部分子的键结状态从而使折射率变大，且其折射率沿光纤轴向呈现周期性的变化。该种光纤又称为光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating；FBG)组件。
图1是一具光纤布拉格光栅的光纤10的立体示意图。该光纤10包含一总长度为L的纤芯13，其依次被包覆层12及保护层11包覆。有一入射光14自纤芯13左端进入，并从右端穿透出而形成一穿透光15。因为折射率沿光纤轴向呈现周期性的规则变化，所以具有特定波长的入射光14无法穿透而出，并且会反射回到原入射端(左端)。
图2(a)是图1入射光及反射光的波长分布图。该入射光14包含一定波长范围的光线，反射光16主要为该波长范围中特定波长λb1的光线，因此穿透光15所包含光线的波长范围就少了波长λb1的光线。该波长λb1称为布拉格波长(Bragg wavelength)，如图2(b)所示。
当光纤10受到温度或外力而产生轴向上的伸长量ΔL，其布拉格波长会由λb1移至λb2，如图3所示。或者产生压缩量，使得布拉格波长会由λb1移至λb3。故可得到下列公式
λb2-λb1λb1=Kt×ΔT+Ke×ϵ]]>其中ΔT代表温度差；Kt为温度敏感系数；Ke为应变敏感系数；ε为轴向应变值，即等于ΔL除以L。
若在固定温度下轴向应变值为10-6，则布拉格波长漂移值Δλ＝λb2-λb1约为0.00115～0.0012纳米(nm)。因光纤布拉格光栅组件可以作为测量应变、温度等物理量的极精密测量计，所以目前已广泛应用于土木工程结构的应力及形变的监测上。传统的电阻式应变计需要引出个别测量点的信号线、易受电磁波干扰及无法适用湿热等恶劣环境，与其相比，该光纤布拉格光栅组件具有能量耗损低、传递速度快、传输频带宽及抗环境恶劣因素等优点，尤其能够利用单线串联的光纤同时测量多点的应变，因此可取代已知电阻式应变计的各种应用，例如倾角仪或倾斜仪。本发明的目的是在于提供一种应用光纤布拉格光栅组件的光纤倾角仪，可测定结构体倾斜程度，及监测倾斜角度变化的状况。
本发明的另一目的是提供一种结构简单的光纤倾角仪，以简单且少量的组件组合成为小巧密实的光纤倾角仪，制造成本低廉，价格上非常具有竞争力。
为了达到上述目的，本发明提供一种光纤倾角仪，其特征在于其包含一基座；一连接板，其一端部固接于该基座；一转动端座，与该连接板间以一旋转对结构相连接；至少两个光纤布拉格光栅组件，其分别设于该连接板的相对表面侧，且每一该光纤布拉格光栅组件的两端分别固定于该基座及该转动端座。
所述的光纤倾角仪，其特征在于该旋转对结构包括一固接于该连接板端部的圆柱体及一设于该转动端座的握持部，该握持部恰好容纳该圆柱体，并与该圆柱体以其圆柱轴心的方向为轴形成转动配合。
所述的光纤倾角仪，其特征在于该转动端座另包括一V形槽，设于该连接板表面并和该握持部相接，且该V形槽限制该圆柱体与该连接板旋转的角度。
所述的光纤倾角仪，其特征在于还包含至少四个光纤延伸部，分别与该光纤布拉格光栅组件接合，并延伸至该基座及该转动端座的外部。
所述的光纤倾角仪，其特征在于该光纤延伸部的端部设有一连接器。
所述的光纤倾角仪，其特征在于还包含两个分别套接于该基座及该转动端座上的相对侧的刚性管材。
所述的光纤倾角仪，其特征在于该刚性管材的外壁设有数个导销。
本发明还提供一种光纤倾角仪，其特征在于其包含一基座；一连接柱，其一端部固接于该基座；一转动端座，与该连接柱间以一球面对结构相连接；至少三个光纤布拉格光栅组件，分别设于该连接柱的外侧同心圆的圆周上，每一该光纤布拉格光栅组件的两端分别固定于该基座及该转动端座内。
所述的光纤倾角仪，其特征在于该球面对结构包括一固接于该连接柱端部的球体，及一设于该转动端座的握持部；该握持部恰好容纳该球体，并与该球体沿垂直于该连接柱四周表面的方向形成旋转动配合。
所述的光纤倾角仪，其特征在于还包含至少六个光纤延伸部分别与该光纤布拉格光栅组件接合，并延伸至该基座及该转动端座的外部。
所述的光纤倾角仪，其特征在于该光纤延伸部的端部设有一连接器。
所述的光纤倾角仪，其特征在于还包含两个分别套接于该基座及该转动端座上的相对侧的刚性管材。
所述的光纤倾角仪，其特征在于该刚性管材的外壁设有数个导销。
所述的光纤倾角仪，其特征在于该光纤布拉格光栅组件是设于该连接柱外侧同心圆的等分圆周长的点位上。
综上所述，本发明揭示的一种光纤倾角仪，其包含一对光纤布拉格光栅组件、一基座、一连接板及一转动端座。该连接板的一端固接于该基座，另一端与该转动端座以一旋转对(turning pair)结构相连接。另外，每一光纤布拉格光栅组件的两端是分别固定于该基座及转动端座内，且该两组件分别设于该连接板的相对表面侧。当该转动端座与该连接板间有相对旋转运动时，其中一光纤布拉格光栅组件产生轴向拉伸形变，另一组件则产生轴向压缩形变。通过分别测量并计算该一对光纤布拉格光栅组件的布拉格波长漂移量，就可以得到该转动端座相对于该连接板的旋转角度。
本发明还提供一种光纤倾角仪，其包含至少三个光纤布拉格光栅组件、一基座、一连接柱及一转动端座。该连接柱一端固接于该基座，另一端与该转动端座以一球面对(spherical pair或ball joint)结构相连接。另外，每一光纤布拉格光栅组件的两端分别固定于该基座及转动端座内，且该组件分别设于该连接柱的外围圆周的等分角位上。当该转动端座与该连接板间有相对旋转运动时，其中某些位置的该光纤布拉格光栅组件产生轴向拉伸形变，另一些位置的该组件则产生轴向压缩形变。分别测量并计算该光纤布拉格光栅组件的布拉格波长偏移量，计算该两偏移量的差就可以得到该转动端座相对于该连接板的二维旋转角度。由于是以两光纤布拉格光栅组件的变化量的差为计算基础，故可以将光纤布拉格光栅组件本身对温度的效应相抵消，因此可以适用于户外温度。图1是一具有光纤布拉格光栅的光纤的立体示意图；图2(a)是图1入射光及反射光的波长分布图；图2(b)是图1穿透光的波长分布图；图3是布拉格波长漂移的示意图；图4是本发明的光纤倾角仪的立体示意图；图5是旋转对结构的放大示意图；图6是本发明的光纤倾角仪在土壤凿洞内测量倾斜角度的示意图；图7是本发明的另一光纤倾角仪的立体示意图；图8是本发明的又一光纤倾角仪的立体示意图。
附图中组件符号说明 图4是本发明的光纤倾角仪40的立体示意图。该光纤倾角仪40包含一对光纤布拉格光栅组件44、一基座41、一连接板42及一转动端座43。该连接板42的一端固接于基座41，另一端与转动端座43以一旋转对结构47相连接。转动端座43和连接板42间保留一个自由度的相对旋转运动，亦即沿垂直连接板42侧面的方向(X轴)上产生相对角度位移。
另外，每一光纤布拉格光栅组件44的两端是分别固定于基座41及转动端座43内，且该光纤布拉格光栅组件44分别设于连接板42的不同表面侧。光纤延伸部45自光纤布拉格光栅组件44的两端延伸出，分别露出于基座41及转动端座43的表面，且每一端面具有串联接续用途的连接器46。
为使光纤布拉格光栅组件44在测量倾斜角度时仍保持在紧绷的状态，因此需要在固定光纤布拉格光栅组件44的两端时就给予适当的预拉伸应力(pre-tensile-stress)，以避免其中一侧的光纤布拉格光栅组件44受到挤压而松弛。也就是当转动端座43与连接板42间有相对旋转运动时，其中一光纤布拉格光栅组件44产生轴向拉伸形变，而另一相对组件则会产生轴向压缩形变。分别测量并计算该一对光纤布拉格光栅组件44的布拉格波长偏移量Δλ的差值，就可以得到转动端座43相对于连接板42的旋转角度。此外，由于该对光纤布拉格光栅组件44是处于对称的位置，因此温度变化产生的应力变化会相互平衡。
图5是旋转对结构47的放大示意图。该旋转对结构47包含设于连接板42端面的圆柱体421、设于转动端座43表面的V形槽432及握持部431。该握持部431恰可容纳圆柱体421的体积，并可供圆柱体421及连接板42沿垂直图面的方向旋转。V形槽432的开口角度将限制连接板42的最大相对角位移θmax，一般最大相对角位移θmax约小于2度。
本发明的光纤倾角仪40可进一步应用于隧道、大楼及水坝等深开挖时监测内壁的稳定性，或作为山崩、泥石流及边坡地层位移的长期监测的仪器。图6是光纤倾角仪40在土壤中凿洞(borehole)内测量倾斜角度的示意图。在图6中有一倾斜管63埋设在凿孔内，可供光纤倾角仪40及其相关结构沿倾斜管63内壁或导槽滑行至地表深处。于基座41及转动端座43相对侧各有一刚性管材61套接保护住，并且相邻光纤倾角仪40的连接器46可在刚性管材61内连接，因此可以数十个光纤倾角仪40结合数十个刚性管材61同时测量地面至地底深处的倾斜角度的连续变化。另外刚性管材61上设有若干个导销62(holding pin或guiding pin)或滑轮，由于四周的导销62紧贴于倾斜管63内壁或导槽而可确保光纤倾角仪40和该部分倾斜管63仍保持平行，然而，转动端座43却可产生角度位移-θ来反应倾斜管63的倾斜角度。
图7是本发明的另一光纤倾角仪70的立体示意图。该光纤倾角仪70包含四个光纤布拉格光栅组件74、一基座71、一连接柱72及一转动端座73。该连接柱72的一端固接于基座71，另一端与转动端座73以一球面对结构77相连接。由此转动端座73和连接柱72间保持两个自由度的相对旋转运动，亦即沿X轴及Z轴方向上产生相对角度位移。
另外，每一光纤布拉格光栅组件74的两端是分别固定于基座71及转动端座73内，且該光纤布拉格光栅组件74分别设于连接柱72的相对表面侧。光纤延伸部75自光纤布拉格光栅组件74两端延伸出，分别露出于基座71及转动端座73的表面，且每一端面具有串联接续用途的连接器76。
为使光纤布拉格光栅组件74在测量倾斜角度时仍保持在紧绷的状态，因此需要在固定光纤布拉格光栅组件74的两端时就给予适当的预拉伸应力，以避免其中一侧的光纤布拉格光栅组件74受到挤压而松弛。也就是当转动端座73与连接柱72间有相对旋转运动时，一些光纤布拉格光栅组件74将产生轴向拉伸形变，而另一些组件则会产生轴向压缩形变。分别测量并计算该光纤布拉格光栅组件74的布拉格波长漂移量Δλ，就可以得到转动端座73相对于连接柱72的旋转角度。
该球面对结构77包含设于连接柱72端面的球体721，及设于转动端座73的握持部731。该握持部731恰可容纳球体721的体积，并可供球体721及连接柱72沿Z轴及X轴的方向旋转。本发明的光纤倾角仪40或70与传统电子式倾斜探管(Inclinometer Probe；IP)相比有许多优点，例如可长期置于土壤中套管内监测倾斜变化、灵敏度极高、不受电磁干扰、在水中亦可使用、在工地无需电源供应、连接安装便捷又快速、可同时多点及远程测量、感测数据撷取容易、操作简单并可自动记录测量结果。
图8是本发明的又一光纤倾角仪80的立体示意图。该光纤倾角仪80包含三个光纤布拉格光栅组件84、一基座81、一连接柱82及一转动端座83。与图7相比，本实施例以最少数量的光纤布拉格光栅组件84就能得到转动端座83在二维方向上的旋转角度，因此有较优势的成本竞争力。该连接柱82的一端固接于基座81，另一端与转动端座83以一球面对结构87相连接。由此使转动端座83和连接柱82间保持两个自由度的相对旋转运动，亦即沿X轴及Z轴方向上产生相对角度位移。
另外，每一光纤布拉格光栅组件84的两端是分别固定于基座81及转动端座83内，且该光纤布拉格光栅组件84分别设于连接柱82的外侧同心圆的圆周上，当然以固定在等分角位或等分圆周长的点位上为较适合，图中即是将光纤布拉格光栅组件84设在等分角位的位置上。光纤延伸部85自光纤布拉格光栅组件84两端延伸出，分别露出于基座81及转动端座83的表面，且每一端面具有串联接续用途的连接器86。为使光纤布拉格光栅组件84在测量倾斜角度时仍保持在紧绷的状态，因此需要在固定光纤布拉格光栅组件84的两端时就给予适当的预拉伸应力，以避免其中一侧的光纤布拉格光栅组件84受到挤压而松弛。也就是当转动端座83与连接柱82间有相对旋转运动时，一些角位的光纤布拉格光栅组件84将产生轴向拉伸形变，而另一些角位组件则会产生轴向压缩形变。分别测量并计算该光纤布拉格光栅组件84的布拉格波长漂移量Δλ，就可以得到转动端座83相对于连接柱82的旋转角度。
该旋转对结构87包含设于连接柱82端面的球体821，及设于转动端座83的握持部831。该握持部831恰可容纳球体821的体积，并可供球体821及连接柱82沿Z轴及X轴的方向旋转。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰。
权利要求
1.一种光纤倾角仪，其特征在于其包含一基座；一连接板，其一端部固接于该基座；一转动端座，与该连接板间以一旋转对结构相连接；至少两个光纤布拉格光栅组件，其分别设于该连接板的相对表面侧，且每一该光纤布拉格光栅组件的两端分别固定于该基座及该转动端座。
2.如权利要求1所述的光纤倾角仪，其特征在于该旋转对结构包括一固接于该连接板端部的圆柱体及一设于该转动端座的握持部，该握持部恰好容纳该圆柱体，并与该圆柱体以其圆柱轴心的方向为轴形成转动配合。
3.如权利要求2所述的光纤倾角仪，其特征在于该转动端座另包括一V形槽，设于该连接板表面并和该握持部相接，且该V形槽限制该圆柱体与该连接板旋转的角度。
4.如权利要求1所述的光纤倾角仪，其特征在于还包含至少四个光纤延伸部，分别与该光纤布拉格光栅组件接合，并延伸至该基座及该转动端座的外部。
5.如权利要求4所述的光纤倾角仪，其特征在于该光纤延伸部的端部设有一连接器。
6.如权利要求1所述的光纤倾角仪，其特征在于还包含两个分别套接于该基座及该转动端座上的相对侧的刚性管材。
7.如权利要求6所述的光纤倾角仪，其特征在于该刚性管材的外壁设有数个导销。
8.一种光纤倾角仪，其特征在于其包含一基座；一连接柱，其一端部固接于该基座；一转动端座，与该连接柱间以一球面对结构相连接；至少三个光纤布拉格光栅组件，分别设于该连接柱的外侧同心圆的圆周上，每一该光纤布拉格光栅组件的两端分别固定于该基座及该转动端座内。
9.如权利要求8所述的光纤倾角仪，其特征在于该球面对结构包括一固接于该连接柱端部的球体，及一设于该转动端座的握持部；该握持部恰好容纳该球体，并与该球体沿垂直于该连接柱四周表面的方向形成旋转动配合。
10.如权利要求9所述的光纤倾角仪，其特征在于还包含至少六个光纤延伸部分别与该光纤布拉格光栅组件接合，并延伸至该基座及该转动端座的外部。
11.如权利要求10所述的光纤倾角仪，其特征在于该光纤延伸部的端部设有一连接器。
12.如权利要求8所述的光纤倾角仪，其特征在于还包含两个分别套接于该基座及该转动端座上的相对侧的刚性管材。
13.如权利要求12所述的光纤倾角仪，其特征在于该刚性管材的外壁设有数个导销。
14.如权利要求8所述的光纤倾角仪，其特征在于该光纤布拉格光栅组件是设于该连接柱外侧同心圆的等分圆周长的点位上。
全文摘要
一种光纤倾角仪，其包含一基座；一连接板，其一端部固接于该基座；一转动端座，与该连接板间以一旋转对结构相连接；至少两个光纤布拉格光栅组件，其分别设于该连接板的相对表面侧，且每一该光纤布拉格光栅组件的两端分别固定于该基座及该转动端座。当该转动端座与该连接板间有相对旋转运动时，其中一光纤布拉格光栅组件产生轴向拉伸形变，另一组件则产生轴向压缩形变，通过分别测量并计算该一对光纤布拉格光栅组件的布拉格波长漂移量，就可以得到该转动端座相对于该连接板的旋转角度。本发明的的光纤倾角仪，可测定结构体倾斜程度，及监测倾斜角度变化的状况。
文档编号G01C9/00GK1635335SQ20031011035
公开日2005年7月6日 申请日期2003年12月29日 优先权日2003年12月29日
发明者向亨台, 吴逸文, 杨春足, 郑志丕 申请人:卓越光纤股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
