專利名稱：光纖光柵位移傳感器及傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位移的測(cè)量，特別涉及光纖光柵位移傳感器及傳感方法。
背景技術(shù)：
光纖在微小拉伸時(shí)，光纖布拉格光柵(以下簡(jiǎn)稱光柵)的波長與拉伸的微小位移量呈線性關(guān)系。光纖光柵裂縫計(jì)即是通過一定的裝置，線性放大該微小位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部較大位移的測(cè)量。圖I示意性地給出了現(xiàn)有技術(shù)中裂縫計(jì)的原理圖，如圖I所示，當(dāng)外界具有位移時(shí)，裂縫計(jì)的拉桿抽拉動(dòng)作時(shí)，與拉桿連接斜面則會(huì)引起觸桿的上頂，觸桿上頂又會(huì)引起光柵應(yīng)變梁撓度的變化，該撓度的變化則會(huì)傳遞至光柵，使光柵發(fā)生測(cè)量的波長變化。光柵應(yīng)變梁彈性范圍內(nèi)小的撓度變化可近似線性，該結(jié)構(gòu)的裂縫計(jì)即通過斜面-撓度的線性變 換，實(shí)現(xiàn)拉桿大位移的測(cè)量。量程為斜面的水平長度，靈敏度為觸桿處在斜面底部、頂部時(shí)光柵波長差與量程的比值。由于光纖本身材質(zhì)的原因，在彈性范圍內(nèi)，光柵的拉伸量很小(即波長變化量很小)。實(shí)際應(yīng)用中，為了保護(hù)光柵不受損壞，裂縫計(jì)中光柵的波長變化一般控制在4nm左右。目前，光纖行業(yè)中的裂縫計(jì)全部采用單光柵進(jìn)行位移測(cè)量，存在諸多不足，如I、裂縫計(jì)的量程一定時(shí)，靈敏度最大為4nm/量程，無法再提高；2、保持最大的靈敏度時(shí)，無法提高量程；3、每一個(gè)量程區(qū)間內(nèi)，靈敏度恒定，不存在多段靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)方案中的不足，本發(fā)明提供了一種量程大、靈敏度高的光纖光柵位移傳感器以及方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的光纖光柵位移傳感器，所述位移傳感器包括至少兩個(gè)光纖光柵，所述光纖光柵的一端固定，另一端分別安裝在不同的應(yīng)變梁上；至少兩個(gè)應(yīng)變梁，所述應(yīng)變梁的一端固定，應(yīng)變梁上具有與斜面接觸的接觸件；斜面；在不同時(shí)刻，至少兩個(gè)應(yīng)變梁上的接觸件在斜面上的位置信息的組合具有不同；當(dāng)外界具有位移時(shí)，所述接觸件在所述斜面上具有相對(duì)移動(dòng)，發(fā)生應(yīng)變的所述應(yīng)變梁使得所述光纖光柵產(chǎn)生應(yīng)變；探頭，所述探頭與所述斜面連接；分析模塊，所述分析模塊根據(jù)所述光纖光柵的應(yīng)變的組合而得到外界位移。根據(jù)上述的位移傳感器，可選地，所述斜面為一個(gè)，所述至少兩個(gè)應(yīng)變梁的接觸件分時(shí)間地處于所述斜面上，或者分別處于所述斜面的不同高度上。根據(jù)上述的位移傳感器，可選地，所述斜面為兩個(gè)或兩個(gè)以上，所述至少兩個(gè)應(yīng)變梁的接觸件分別能夠在一個(gè)或一個(gè)以上斜面上相對(duì)移動(dòng)。根據(jù)上述的位移傳感器，可選地，在同一時(shí)刻，僅有一個(gè)接觸件處于斜面上，或者不同的接觸件分別處于不同的斜面上。根據(jù)上述的位移傳感器，可選地，所述斜面是平面或曲面。根據(jù)上述的位移傳感器，可選地，所述分析模塊用于根據(jù)所述光纖光柵的應(yīng)變的組合而獲知外界位移所處的量程、靈敏度區(qū)間。本發(fā)明的目的還通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)光纖光柵位移傳感方法，所述傳感方法包括以下步驟(Al)外界具有位移時(shí)，探頭推動(dòng)斜面運(yùn)動(dòng)，至少兩個(gè)應(yīng)變梁上的接觸件與所述斜面的相對(duì)位置信息的組合發(fā)生變化，從而使得分別與應(yīng)變梁連接的至少兩個(gè)光纖光柵發(fā)生應(yīng)變；(A2)分析所述至少兩個(gè)光纖光柵的應(yīng)變的組合，從而獲知外界位移。根據(jù)上述的傳感方法，可選地，所述步驟(A2)采用的分析方法為
(BI)根據(jù)所述相對(duì)位置信息的組合而得出外界位移所處的量程區(qū)間；(B2)根據(jù)所述光纖光柵的應(yīng)變而導(dǎo)致的對(duì)光的波長的影響、所述區(qū)間而獲知外界位移。根據(jù)上述的傳感方法，可選地，在斜面和接觸件的相對(duì)移動(dòng)過程中，至少兩個(gè)接觸件分時(shí)間地處于斜面上，或同時(shí)處于不同的斜面上。根據(jù)上述的傳感方法，可選地，在相對(duì)移動(dòng)過程中，接觸件至少在一個(gè)斜面上發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。根據(jù)上述的傳感方法，可選地，所述斜面是平面或曲面。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果為I、在量程一定的情況下，(成倍地)提高了位移傳感器的靈敏度，不同的結(jié)構(gòu)形式可以提高不同的倍數(shù)；2、在量程范圍內(nèi)，可以將靈敏度分段，不同的量程段對(duì)應(yīng)不同的靈敏度；3、在靈敏度一定的情況下，提高位移傳感器的量程。


參照附圖，本發(fā)明的公開內(nèi)容將變得更易理解。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是這些附圖僅僅用于舉例說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而并非意在對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成限制。圖中圖I是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中裂縫計(jì)的基本結(jié)構(gòu)圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1、2的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例I的位移傳感方法的流程圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例4的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例4的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例5的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例6的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例7的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例8的位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式圖2-10和以下說明描述了本發(fā)明的可選實(shí)施方式以教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實(shí)施和再現(xiàn)本發(fā)明。為了教導(dǎo)本發(fā)明技術(shù)方案，已簡(jiǎn)化或省略了一些常規(guī)方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解源自這些實(shí)施方式的變型或替換將在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解下述特征能夠以各種方式組合以形成本發(fā)明的多個(gè)變型。由此，本發(fā)明并不局限于下述可選實(shí)施方式，而僅由權(quán)利要求和它們的等同物限定。實(shí)施例I :
圖2示意性地給出了本發(fā)明實(shí)施例的光纖光柵位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，所述傳感器包括至少兩個(gè)光纖光柵，如布拉格光柵，所述光纖光柵的一端固定，另一端分別安裝在不同的應(yīng)變梁上；至少兩個(gè)應(yīng)變梁，所述應(yīng)變梁的一端固定，應(yīng)變梁上具有與斜面接觸的接觸件；至少一個(gè)接觸件的初始位置處于斜面的底端；所述應(yīng)變梁是本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。斜面；在不同時(shí)刻，至少兩個(gè)應(yīng)變梁上的接觸件在斜面上的位置信息的組合具有不同，也即所述接觸件處于與斜面的相對(duì)位置不同，如同一斜面的不同高度處，或一部分接觸件處于斜面上另一部分處于平面上，或不同斜面的相同高度處，或不同斜面的不同高度處；當(dāng)外界具有位移時(shí)，所述接觸件在所述斜面上具有相對(duì)移動(dòng)，發(fā)生應(yīng)變的所述應(yīng)變梁使得所述光纖光柵產(chǎn)生應(yīng)變；探頭，所述探頭與所述斜面連接；分析模塊，所述分析模塊根據(jù)所述光纖光柵的應(yīng)變的組合而得到外界位移，該位移對(duì)應(yīng)一定的靈敏度。當(dāng)然，所述傳感器還包括光源、分路器和光譜儀，光源發(fā)出的光通過分路器的一路進(jìn)入光纖，在經(jīng)過光纖光柵時(shí)，一部分光被原路反射回來，經(jīng)過分路器后被光譜儀接收，即可獲得光纖光柵的波長變化。這些器件以及具體連接方式對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是容易理解的現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。圖3示意性地給出了本發(fā)明實(shí)施例的光纖光柵位移傳感方法的流程圖。如圖3所示，所述傳感方法包括以下步驟(Al)外界具有位移時(shí)，探頭推動(dòng)斜面運(yùn)動(dòng)，至少兩個(gè)應(yīng)變梁上的接觸件與所述斜面的相對(duì)位置信息的組合發(fā)生變化，，也即所述接觸件處于與斜面的相對(duì)位置不同，如同一斜面的不同高度處，或一部分接觸件處于斜面上另一部分處于平面上，或不同斜面的相同高度處，或不同斜面的不同高度處；從而使得分別與應(yīng)變梁連接的至少兩個(gè)光纖光柵發(fā)生應(yīng)變；(A2)分析所述至少兩個(gè)光纖光柵的應(yīng)變的組合，從而獲知外界位移，該位移對(duì)應(yīng)
一定的靈敏度。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例I達(dá)到的益處在于使用至少兩個(gè)光纖光柵，使得在同樣位移的情況下有不同的波長變化，從而獲得不同的波長變化組合，也即不同的靈敏度。實(shí)施例2 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例I的光纖光柵位移傳感器在裂縫計(jì)中的應(yīng)用例。圖2示意性地給出了本發(fā)明實(shí)施例的裂縫計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，第一應(yīng)變梁上的第一接觸件從斜面(僅一個(gè)斜平面)的底端滑到頂點(diǎn)時(shí)，安裝在第一應(yīng)變梁上的第一光纖光柵的波長變化為△ Xml，也即其最大波長變化。第二應(yīng)變梁上的第二接觸件從斜面的底端滑到頂點(diǎn)時(shí)，安裝在第二應(yīng)變梁上的第二光纖光柵的波長變化為△ X1112，也即其最大波長變化。上述第一和第二接觸件是一前一后安裝，間距為L，斜面的正投影的長度為a，第 一接觸件的初始位置為斜面的底端。對(duì)于上述裂縫計(jì),量程為R = L+a,若R > 2L,第一光纖光柵的波長變化Y1、第二光纖光柵波長變化y2與探頭位移X的關(guān)系分別為
A 0當(dāng)0彡X < L時(shí)，也即量程段為
,^、y2(x-L)
R-LR-L
即組合(yi，y2)中，第一和第二接觸件都處于 K-LK-L
斜面上；該量程段內(nèi)的靈敏度為A^i+^)=
Ax Ax R _ 乙 R 一 L
A 0當(dāng)R_L<x彡R時(shí)，也即量程段為(R_L，R]，yi = A 入 ml、y2=~&-(X-I),也即
R — L
組合(yi，y2) ^,^r\R-2L)<y2<Mm2，僅有第二接觸件處于斜面上；該量程段內(nèi)的靈K-L
敏度為！ 二 A(a 土么)=。
Ax Ax R-L由各量程段內(nèi)靈敏度的表達(dá)式可知，可通過調(diào)整各參數(shù)去改變靈敏度，如增大L以提聞靈敏度。對(duì)于上述裂縫計(jì)，量程為R = L+a，若R = 2L，第一光纖光柵的波長變化yi、第二光纖光柵波長變化y2與探頭位移X的關(guān)系分別為當(dāng)0彡X彡L時(shí)，也即量程段為
，h =^--X, y2 = 0，也即組合
Lj
(Y1, I2)中，0 ^ Y1 ^ A Affll,僅有第一接觸件處于斜面上；該量程段內(nèi)的靈敏度為AY _ Ajy1 +y2) = AAmlAx AxL當(dāng)L < X < R 時(shí)，也即量程段為(L，R]，Y1 = A 入 ml、y2 = —_Z)，也即組
Lj合(Y1, y2)中，O <y2^ A Affl2,僅有第二接觸件處于斜面上；該量程段內(nèi)的靈敏度為Ar _ A(yi+y2)= A^m2。
Ax AxL由各量程段內(nèi)靈敏度的表達(dá)式可知，不同量程段對(duì)應(yīng)不同的靈敏度，還可通過調(diào)整各參數(shù)去改變靈敏度，如減小L以提高靈敏度。在整個(gè)量程內(nèi)，同一時(shí)刻僅有一個(gè)接觸件處于斜面上。上述裂縫計(jì)在工作時(shí)(對(duì)應(yīng)于位移傳感方法)，過程為(Al)測(cè)得第一、第二光纖光柵的波長變化的組合(yi，J2) (.J1對(duì)應(yīng)于第一接觸件的在主測(cè)斜面上的位置信息，y2對(duì)應(yīng)于第二接觸件的在輔測(cè)斜面上的位置信息)，并送往分析模塊；
(A2)分析模塊根據(jù)上述波長變化yi、y2以得到適用的波長變化與位移的關(guān)系式，利用該關(guān)系式獲知位移X及靈敏度。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2達(dá)到的益處在于使用至少兩個(gè)光纖光柵，使得在同樣位移的情況下有不同的波長變化，從而獲得不同的波長變化組合，也即不同的靈敏度。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，在量程相同的情況下提高了靈敏度，也增加了靈敏度的組合；在靈敏度相同的情況下，提高了量程。實(shí)施例3 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例I的光纖光柵位移傳感器在裂縫計(jì)中的應(yīng)用例。圖4示意性地給出了本發(fā)明實(shí)施例的裂縫計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，第一應(yīng)變梁上的第一接觸件從斜面(僅一個(gè)斜平面)的底端滑到頂點(diǎn)時(shí)，安裝在第一應(yīng)變梁上的第一光纖光柵的波長變化為△ Xml，也即其最大波長變化。第二應(yīng)變梁上的第二接觸件從斜面的底端滑到頂點(diǎn)時(shí)，安裝在第二應(yīng)變梁上的第二光纖光柵的波長變化為△ X1112，也即其最大波長變化。第三應(yīng)變梁上的第三接觸件從斜面的底端滑到頂點(diǎn)時(shí)，安裝在第三應(yīng)變梁上的第三光纖光柵的波長變化為△ X1113，也即其最大波長變化。上述第一、第二和第三接觸件是前后安裝，間距分別為U、L2, L = LJL2小于斜面的正投影的長度a。第一接觸件的初始位置處于斜面的底端。對(duì)于上述裂縫計(jì)，量程為R = L+a,且R > 2L，第一光纖光柵的波長變化Y1、第二光纖光柵波長變化y2和第三光纖光柵波長變化y3與探頭位移X的關(guān)系分別為
八義當(dāng)0 < X < L1 時(shí)，也即量程段為
, Y1 = m}~-x ' y2 = 0> y3 = 0,也即組
R-L
A ^
合G1, y2，y3)中，O^y1，僅有第一接觸件處于斜面上；該量程段內(nèi)的靈敏度為
ti — L
AF _ A(y1+y2+y3)_
AxAxR~L
A 。Al當(dāng)L1 < X < L 時(shí)，也即量程段為(L1, L),^% = —^ (x-L1), y3 =
R-LR-L
0，也即組合(yi，y2，y3)中，-L^y1K I、0 < y2 < Z2，第一和第二接觸件
R-LK-LR-L
都處于同一斜面上；該量程段內(nèi)的靈敏度為—= A^i+yz+>;^=^%+-^-
AxAxR-L R-L
當(dāng)L 彡 x 彡 R-L 時(shí)，也即量程段為
權(quán)利要求
1.光纖光柵位移傳感器，所述位移傳感器包括 至少兩個(gè)光纖光柵，所述光纖光柵的一端固定，另一端分別安裝在不同的應(yīng)變梁上； 至少兩個(gè)應(yīng)變梁，所述應(yīng)變梁的一端固定，應(yīng)變梁上具有與斜面接觸的接觸件； 斜面；在不同時(shí)刻，至少兩個(gè)應(yīng)變梁上的接觸件在斜面上的位置信息的組合具有不同；當(dāng)外界具有位移時(shí)，所述接觸件在所述斜面上具有相對(duì)移動(dòng)，發(fā)生應(yīng)變的所述應(yīng)變梁使得所述光纖光柵產(chǎn)生應(yīng)變； 探頭，所述探頭與所述斜面連接； 分析模塊，所述分析模塊根據(jù)所述光纖光柵的應(yīng)變的組合而得到外界位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的位移傳感器，其特征在于所述斜面為一個(gè)，所述至少兩個(gè)應(yīng)變梁的接觸件分時(shí)間地處于所述斜面上，或者分別處于所述斜面的不同高度上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的位移傳感器，其特征在于所述斜面為兩個(gè)或兩個(gè)以上，所述至少兩個(gè)應(yīng)變梁的接觸件分別能夠在一個(gè)或一個(gè)以上斜面上相對(duì)移動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的位移傳感器,其特征在于在同一時(shí)刻,僅有一個(gè)接觸件處于斜面上，或者不同的接觸件分別處于不同的斜面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的位移傳感器，其特征在于所述斜面是平面或曲面。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5任一所述的位移傳感器，其特征在于所述分析模塊用于根據(jù)所述光纖光柵的應(yīng)變的組合而獲知外界位移所處的量程、靈敏度區(qū)間。
7.光纖光柵位移傳感方法，所述傳感方法包括以下步驟 (Al)外界具有位移時(shí)，探頭推動(dòng)斜面運(yùn)動(dòng)，至少兩個(gè)應(yīng)變梁上的接觸件與所述斜面的相對(duì)位置信息的組合發(fā)生變化，從而使得分別與應(yīng)變梁連接的至少兩個(gè)光纖光柵發(fā)生應(yīng)變； (A2)分析所述至少兩個(gè)光纖光柵的應(yīng)變的組合，從而獲知外界位移。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感方法，其特征在于所述步驟(A2)采用的分析方法為 (BI)根據(jù)所述相對(duì)位置信息的組合而得出外界位移所處的量程區(qū)間； (B2)根據(jù)所述光纖光柵的應(yīng)變而導(dǎo)致的對(duì)光的波長的影響、所述區(qū)間而獲知對(duì)應(yīng)于不同靈敏度的外界位移。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感方法，其特征在于在斜面和接觸件的相對(duì)移動(dòng)過程中，至少兩個(gè)接觸件分時(shí)間地處于斜面上，或同時(shí)處于不同的斜面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感方法，其特征在于在相對(duì)移動(dòng)過程中，接觸件至少在一個(gè)斜面上發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10任一所述的傳感方法，其特征在于所述斜面是平面或曲面。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光纖光柵位移傳感方法，所述傳感方法包括以下步驟(A1)外界具有位移時(shí)，探頭推動(dòng)斜面運(yùn)動(dòng)，至少兩個(gè)應(yīng)變梁上的接觸件與所述斜面的相對(duì)位置信息的組合發(fā)生變化，從而使得分別與應(yīng)變梁連接的至少兩個(gè)光纖光柵發(fā)生應(yīng)變；(A2)分析所述至少兩個(gè)光纖光柵的應(yīng)變、所述相對(duì)位置信息的組合，從而獲知對(duì)應(yīng)于不同靈敏度的外界位移。本發(fā)明具有測(cè)量量程大、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102749035SQ20121023590
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者劉勝利, 張艷輝, 陳建華 申請(qǐng)人:聚光科技(杭州)股份有限公司