专利名称：光纤光栅倾角传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及建筑物相对于铅垂线倾斜角度的测量装置，尤其是采用光学方法来检测建筑物相对于铅垂线倾斜角度的装置。
背景技术：
各种地上和地下建筑物诸如大厦、隧道、桥梁和斜坡都要经常监测它们相对于铅垂线的倾斜角度。尤其是在地面土层横向运动较大的场合，例如附近正在进行建筑施工的地方。现有技术检测物体相对于铅垂线倾斜角度的方法和装置有US6,442,855B2中公开的用电解液测电容法，有US2002/0162235A1中公开的气泡法，还有US6,543,147B2中公开的磁电法，都是间接测量垂直物体倾斜角度的方法。
因为现有技术的各种测量方法实质上都是利用和水平面垂直的地心吸力，使一个和被测量体有依附关系的组合发生变动(化)，再测出该变动(化)，然后由该测出的数据计算出被测量体的倾斜角度。例如气泡法就要先把该气泡检测装置放在一个和被测建筑物相垂直的水平面上，观察该气泡的偏移从而推算出建筑物相对于铅垂线的倾斜程度。由于它实际上测的是一个水平面，其准确性首先就受制于把该垂直面转换成水平面的夹具的精度。再说要把气泡的偏移转化成精确的倾斜角度读数本身就是一个高难度的课题，更不用说把该数据数字化由计算机进行监控了。
用电解液测电容法的原理和气泡法相同，是利用容器倾侧时其中的电解液仍保持水平这一现象，使容器内以电解液为电容介质的两对电极的电容量不再相等，从而测出该差异并算出倾斜角度。此方法的缺点首先是只能测一个方向，即只能测东西向或南北向，要测双向就要用两套装置。再说电容的测量误差受温湿度、周围电磁场、容器体积等的影响，所以最终结果的精度很差。
磁电法是利用两个物体因倾斜而发生相对旋转，从而造成磁力线切割导线而产生信号电流。因此该两个相对旋转件的静摩擦角就是对精确度的第一个限制因子。而该磁电转换效率是限制精度的第二个因子。更不用说环境(例如强电场或强磁场等)对该磁电装置的种种影响了。
可见，上述现有技术均存在着种种弊病。近十年来，光纤光栅传感技术开始受人注意。这种新型传感技术的基本原理是基于被测信号对光纤光栅反射波长的调制，被测信号改变光纤光栅的反射波长，通过检测光纤光栅反射波长变化获知被测信号的大小。这种新型传感技术具有以下优点一是可靠性好，能够实现绝对测量；二是抗电磁干扰，电绝缘，能于易燃易爆环境下工作；三是复用性好，多个光纤传感器可以很容易地串接在同一条光纤上，便于组成测量网络。
由于光纤光栅传感技术的以上优点，世界各地研究者们积极开展研究工作，已将光纤光栅传感技术应用于温度、应变、压力、位移、加速度、流量等多种物理量的测量。但是，到目前为止，人们尚未能将光纤光栅传感技术应用于物体倾斜角度的测量。如何将光纤光栅传感技术应用于倾角监测，利用光纤光栅传感技术的种种优点，克服上述倾角监测现有技术的不足，目前还是一大难题。

发明内容
本发明的目的是提供一种用光纤光栅测量建筑物相对于铅垂线倾斜角度的装置，它既避免了上述现有技术间接法的种种不足，又具有上述用光纤光栅测量技术方可享有的种种优点。
为了达到上述目的，本发明提供了一种光纤光栅倾角传感器，包括支架、垂摆和光纤；所述垂摆以能够自由摆动的方式悬挂于所述支架上；所述光纤上带有光纤光栅；所述光纤光栅以能够阻止所述垂摆摆动的方式连接所述垂摆和所述支架，其一侧连接所述垂摆，其另一侧连接所述支架，且所述光纤光栅处于拉伸状态。
如上所述的光纤光栅倾角传感器，其中，所述垂摆以只能在某特定的竖直平面内自由摆动的方式悬挂于所述支架上；所述光纤上带有两个光纤光栅；所述该两个光纤光栅分别阻止所述垂摆向两个相反的方向的运动。
如上所述的光纤光栅倾角传感器，其中，所述垂摆以能够在任意竖直平面内自由摆动的方式悬挂于所述支架上；所述光纤上带有四个光纤光栅；其中两个光纤光栅的轴线在一个经过所述垂摆悬挂点的竖直平面内，该两个光纤光栅分别阻止所述垂摆在该平面内向两个相反的方向的运动；另外两个光纤光栅的轴线在垂直于上述竖直平面并经过所述垂摆悬挂点的另一个竖直平面内，该两个光纤光栅分别阻止所述垂摆在该平面内向两个相反的方向的运动。
如上所述的光纤光栅倾角传感器，其中，所述光纤光栅通过连接件连接所述垂摆。
如上所述的光纤光栅倾角传感器，其中，所述垂摆包括摆杆和摆锤，为一体制成或组装而成。
如上所述的光纤光栅倾角传感器，其中，所述支架和垂摆为不锈钢材料制成。
本发明的工作原理是当支架发生倾斜时，由于重力的作用，所述垂摆有发生运动的趋势，导致光纤光栅被进一步拉伸，来自光纤的拉力阻止垂摆发生运动。由于光纤光栅受到拉伸，其反射波长发生移动，倾斜角度越大，光纤被拉伸得越厉害，光纤光栅反射波长的移动量也就越大，通过监测光纤光栅的反射波长移动量可以计算出倾斜角度的大小。
本发明的有益效果是，本发明的光纤光栅倾斜传感器装置简单、成本低廉、操作方便、不受电磁场影响、不受温度影响、不须校正刻度、可以双向测量、可以串连使用、可以调整精度，因此可大幅度地提高现有技术方法所能达到的精度。


图1是本发明第一实施例的概要图；图2是本发明第二实施例的概要图；图3是本发明第三实施例的概要图；图4是本发明第四实施例的概要图；图5是本发明第五实施例的概要图；图6是本发明第六实施例的概要图；图7是本发明第七实施例的概要图。
具体实施例方式
图1示出了本发明的第一实施例。本发明的光纤光栅倾角传感器由支架1、垂摆2和光纤3构成。垂摆2以能够在任意竖直平面内自由摆动的方式悬挂于支架1上，光纤3上带有光纤光栅4，光纤光栅4的一侧以胶粘或焊接的方式连接垂摆2，另一侧以胶粘或焊接的方式连接支架1。光纤光栅4处于拉伸状态，光纤光栅4的轴线、垂摆2的重心与其悬挂点的连线以及重力线三者在同一条直线上。当该光纤光栅倾角传感器发生倾斜时，由于重力的作用，垂摆2有发生运动的趋势，导致光纤光栅被进一步拉伸，来自光纤的拉力阻止垂摆2发生运动。由于光纤光栅受到拉伸，其反射波长向长波方向移动，倾斜角度越大，光纤光栅被拉伸得越厉害，其反射波长的移动量也就越大，通过监测光纤光栅的反射波长移动量可以计算出倾斜角度的大小。
这里要说明的是，在图1中支架1被示例性地被画成一个长方形的框架，垂摆2虽示例性地被画成一条摆杆和一个代表重量的摆垂，但在实际使用时并无此限制，任何合适的形状都可使用的，例如支架可以是三维框架，其上还可以带有横梁或横臂等。同样道理，用于制造框架1和摆杆的材料除了要求具有大的刚性(例如不锈钢)外，也无限制。
图2示出了本发明的第二实施例。与第一实施例不同的是，图2所示实施例中的垂摆2以只能在一个特定的竖直平面(为了方便起见，我们以y-z平面表示)内自由摆动的方式悬挂于支架1上，光纤3上有两个光纤光栅，即光纤光栅4和光纤光栅5，这两个光纤光栅各以其一侧连接垂摆2，以其另一侧连接支架1。两个光纤光栅的轴线均垂直于地心引力作用线，均在y-z平面内，并且在同一条直线上。两个光纤光栅具有不同的反射波长，均处于拉伸状态。这两个光纤光栅分别阻止垂摆2在y-z平面内向两个相反的方向的运动。当光纤光栅倾角传感器在y-z平面内发生倾斜时，垂摆2有发生运动的趋势，其结果是，一个光纤光栅被拉伸，其反射波长向长波方向移动，另一个光纤光栅被压缩，其反射波长向短波方向移动，两个光纤光栅的反射波长的差发生变化，通过监测这两个光纤光栅的反射波长之差的变化情况，可以计算出y-z平面内倾斜角度的大小。
该实施例的优点是，它能够克服温度串扰问题，其测量结果不受温度影响。由于光纤光栅的反射波长也依赖于温度，若通过监测单个光纤光栅的反射波长变化情况来确定被测信息，测量结果不可避免地受到温度影响，环境温度变化会引起测量误差。在本实施例中，被测信息是通过监测两个光纤光栅的反射波长之差来确定的，由于温度变化引起两个光纤光栅产生相同的波长变化量，其波长之差只依赖于倾斜角度，是与温度无关的。因此，本实施例的测量结果不受温度影响。
图3和图4示出了本发明的第三和第四实施例。在这两个实施例中，垂摆2也是以只能在一个特定的竖直平面(为了方便起见，我们同样以y-z平面表示)内自由摆动的方式悬挂于支架1上的，光纤3上也有两个光纤光栅，即光纤光栅4和光纤光栅5，两光纤光栅具有不同的反射波长，均处于拉伸状态。两个光纤光栅各以其一侧通过连接件6连接垂摆2，以其另一侧连接支架1。连接件6为刚性材料制成，与垂摆2刚性连接。在第三实施例中，两个光纤光栅的轴线均在y-z平面内，平行于地心引力作用线，并且分别位于地心引力作用线的两侧。在第四实施例中，两个光纤光栅的轴线共线，平行于重力作用线，并在y-z平面内。这两个实施例的工作原理与第二实施例相同，可以测量y-z平面内倾斜角度的大小，其测量结果也不受温度影响。
图5、图6和图7示出了本发明的第五、第六和第七实施例。在前面几个实施例中，第一实施例能够给出倾角的大小，但不能给出倾斜的方向，第二、第三和第四实施例能够克服温度串扰问题，但却只能测一个方向，即只能给出被测物在特定方向上(比如东西方向上)的倾斜角度大小，以下介绍的第五、第六和第七实施例能够同时测两个方向，即能够同时给出被测物在两个正交方向上(如东西方向和南北方向)的倾斜角度大小，同时，这三个实施例也能够克服温度串扰问题。在这三个实施例中，垂摆2以能够在任意竖直平面内自由摆动的方式悬挂于支架1上，光纤3上带有四个光纤光栅，即光纤光栅4、光纤光栅5、光纤光栅7和光纤光栅8，这四个光纤光栅各以其一侧连接支架1，以其另一侧通过连接件6连接垂摆2。连接件6为刚性材料制成，与垂摆2刚性连接。光纤光栅4和光纤光栅5的轴线在一个经过所述垂摆悬挂点的竖直平面内，光纤光栅7和光纤光栅8的轴线在垂直于光纤光栅4和光纤光栅5的轴线所在的竖直平面并经过所述垂摆悬挂点的另一个竖直平面内。为了表达方便，我们定义以垂摆2的悬挂点为原点的x-y-z三维直角坐标系，光纤光栅4和光纤光栅5的轴线在y-z平面内，光纤光栅7和光纤光栅8的轴线在x-z平面内。当光纤光栅倾角传感器在y-z平面内发生倾斜时，垂摆2有在该平面内发生运动的趋势，光纤光栅4和光纤光栅5中的一个被压缩，另一个被拉伸，被拉伸的光纤光栅阻止垂摆发生运动，而光纤光栅7和光纤光栅8两者受到相同程度的微小拉伸，其结果是，光纤光栅4和光纤光栅5的反射波长向相反的方向移动，即一个向长波方向移动，另一个向短波方向移动，其波长之差随倾斜角度发生变化，而光纤光栅7和光纤光栅8的反射波长向长波方向发生相同的微小移动量，其波长之差保持恒定。同样道理，当光纤光栅倾角传感器在x-z平面内发生倾斜时，光纤光栅7和光纤光栅8的反射波长之差随倾斜角度发生变化，而光纤光栅4和光纤光栅5的反射波长之差保持恒定。也就是说，光纤光栅4和光纤光栅5的反射波长之差只依赖于y-z平面内的倾斜角度，而光纤光栅7和光纤光栅8的反射波长之差只依赖于x-z平面内的倾斜角度。因此，通过监测光纤光栅4和光纤光栅5的反射波长之差可以计算出y-z平面内的倾斜角度大小，通过监测光纤光栅7和光纤光栅8的反射波长之差可以计算出x-z平面内的倾斜角度大小，这样就可以利用一个光纤光栅倾角传感器同时测量两个方向，这是这三个实施例的突出优点。
以下结合第七实施例进行理论推演，给出光纤光栅反射波长之差与倾斜角度之间的关系式。
在倾角为零时，四个光纤光栅处于相同的拉伸状态，假定此时其应变为ε0，四个光纤光栅的反射波长分别表示为λi(i＝1，2，3，4)。当该传感器从垂直位置以一个角度偏斜时，各个光纤光栅的应变发生变化。如果假定该在x-z平面中的倾斜保持为0度，在y-z平面中的倾斜为θ，则垂摆2的平衡方程式为AE(ε0+Δε3)α-AE(ε0+Δε1)α＝0，和 (1)AE(ε0+Δε4)α-AE(ε0+Δε2)α-mglsinθ＝0 (2)其中A是该光纤3的横断面积，E是光纤3基质材料的弹性模量，m为垂摆质量，g为重力加速度，l为垂摆2的长度，α为悬挂点到光纤光栅轴线的垂直距离。等式(1)和(2)可被简化成
Δε3-Δε1＝0，和 (3)Δε4-Δε2＝(mgl/Aeα)sinθ(4)对于单模石英光纤，应变引起的光纤光栅反射波长变化为Δλ/λ＝(1-Pe)Δε， (5)其中Pe是该光纤的光测弹性系数。
把等式(5)代入等式(3)和(4)得到(Δλ3/λ3)-(Δλ1/λ1)＝0，和 (6)(Δλ4/λ4)-(Δλ2/λ2)＝(mgl/AEα)(1-Pe)sinθ (7)如果假定Δλ1≤λ1，λ1λ3，以及λ2λ4，则等式(6)和等式(7)能被简化成Δ(λ3-λ1)＝0，和 (8)Δ(λ4-λ2)＝(mgl/AEα)(1-Pe)λ2sinθ (9)同样地，λ3和λ1之间的波长差异的变化，对于在x-z平面中的倾斜角度，假定θ＝0°，则得Δ(λ4-λ2)＝0，和 (10)Δ(λ3-λ1)＝(mgl/AEα)(1-Pe)λ1sin (11)等式(9)和(11)显示波长差Δ(λ4-λ2)和Δ(λ3-λ1)各自随着sinθ和sin线性地变化。对于小的倾斜度(即，20°以下)，倾斜角度和波长差之间呈线性关系。
由等式(9)和(11)可知，第七实施例的灵敏度与垂摆质量m、垂摆长度l、悬挂点到光纤光栅轴线的距离α有关。具体设计时，可以根据需要对这三个参数进行选取，以达到合适的灵敏度指标。
权利要求
1.一种光纤光栅倾角传感器，其特征在于，包括支架、垂摆和光纤；所述垂摆以能够自由摆动的方式悬挂于所述支架上；所述光纤上带有光纤光栅；所述光纤光栅以能够阻止所述垂摆摆动的方式连接所述垂摆和所述支架，其一侧连接所述垂摆，其另一侧连接所述支架，且所述光纤光栅处于拉伸状态。
2.如权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述垂摆以只能在某特定的竖直平面内自由摆动的方式悬挂于所述支架上；所述光纤上带有两个光纤光栅；所述该两个光纤光栅分别阻止所述垂摆向两个相反的方向的运动。
3.如权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述垂摆以能够在任意竖直平面内自由摆动的方式悬挂于所述支架上；所述光纤上带有四个光纤光栅；其中两个光纤光栅的轴线在一个经过所述垂摆悬挂点的竖直平面内，该两个光纤光栅分别阻止所述垂摆在该平面内向两个相反的方向的运动；另外两个光纤光栅的轴线在垂直于上述竖直平面并经过所述垂摆悬挂点的另一个竖直平面内，该两个光纤光栅分别阻止所述垂摆在该平面内向两个相反的方向的运动。
4.如权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述光纤光栅通过连接件连接所述垂摆。
5.如权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述垂摆包括摆杆和摆锤，为一体制成或组装而成。
6.如权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述支架和垂摆为不锈钢材料制成。
全文摘要
一种光纤光栅倾角传感器，包括支架、垂摆和光纤；所述垂摆以能够自由摆动的方式悬挂于所述支架上；所述光纤上带有光纤光栅；所述光纤光栅以能够阻止所述垂摆摆动的方式连接所述垂摆和所述支架，其一侧连接所述垂摆，其另一侧连接所述支架，且所述光纤光栅处于拉伸状态。从而使两者之间的均匀布置的光纤光栅发生相应的应变，测量从光栅反射回来的光的波长的位移可以计算出倾斜角度。本发明的倾角传感器装置简单、成本低廉、操作方便、不受电磁场影响、不受温度影响、不须校正刻度、可以双向测量、可以串连使用、可以调整精度，因此大幅度地提高了现有技术方法所能达到的精度。
文档编号G01C3/00GK1635336SQ20031011318
公开日2005年7月6日 申请日期2003年12月25日 优先权日2003年12月25日
发明者谭华耀, 关柏鸥, 廖信仪 申请人:香港理工大学