光纤布拉格光栅微位移传感器及其测量方法

摘要

本发明公开了一种光纤布拉格光栅微位移传感器及其测量方法，该光纤布拉格光栅传感器由圆柱型内壳，外壳构成，在内壳与外壳之间的四个对称方向上放置四块不锈钢弹性膜片，弹性膜片与外壳接触的地方焊接固定，利用四块弹性膜片的压力将外壳固定在内壳上，四块弹性膜片上都粘有光纤布拉格光栅，光纤光栅水平放置，内壳固定，外壳受到外部微位移变化的作用，外壳与内壳相对位置发生变化，膜片的发生形变，带动上面的布拉格光栅发生形变，光纤布拉格光栅波长发生漂移。由于四块膜片的形变各异，可以通过分析四只布拉格光栅的波长漂移情况判断位移变化的大小和方向。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其是涉及一种圆柱型光纤布拉格光栅微位移传感器， 属于光纤传感器件。

背景技术

光纤布拉格光栅微位移传感器是根据布拉格光栅的应变敏感特性，当布拉格光栅受到轴 向应变作用，光栅的空间周期（即光栅栅距）发生变化，布拉格反射波长将会发生变化，通 过光谱分析仪可以对中心波长漂移量的进行测量，由此可以检测出位移变化的大小。由于光 纤布拉格光栅传感器不仅继承了光纤传感器的各种优点，如结构简单、体积小、重量轻、抗 干扰、抗腐蚀等，还具有波长编码、波分复用等优点。

现有的光纤光栅位移传感器只能检测出位移的大小，然而位移是矢量，既有大小，也有 方向，这就不仅需要能检测出位移的大小，同时也要反映出位移发生的方向的传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种光纤布拉格光栅微位移传感器及其测量方法， 本发明采取内外壳互相嵌套和差动式测量相结合的方式，不仅提高了传感灵敏度，而且可以 同时判断出位移发生的方向。

本发明所采用的技术方案是：一种光纤布拉格光栅微位移传感器，包括外壳、内壳，内 壳设置在外壳内部，内壳和外壳之间还设有光纤布拉格光栅。

进一步地，外壳和内壳均采用圆柱形。

进一步地，光纤布拉格光栅设置在弹性膜片上。

进一步地，弹性膜片采用不锈钢，并在内壳与外壳之间的四个对称方向上放置。

进一步地，光纤布拉格光栅环绕内壳，并与内壳底面平行。

进一步地，弹性膜片与内壳相接触，并焊接在外壳上。

光纤布拉格光栅微位移传感器的测量方法，包括：

外壳受到与水平方向成θ角，大小为h的位移作用之后，通过检测光纤布拉格光栅的布 拉格波长垂直方向漂移量Δλ_MN、水平方向漂移量Δλ_PQ，分别计算得出弹性膜片垂直方向变化 量MN、水平方向变化量PQ，然后根据下式计算得出h和θ的大小：

$\left(\begin{array}{c}h=\sqrt{{\mathrm{MN}}^2+{\mathrm{PQ}}^2}\\ \theta =\arctan \frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{PQ}}\end{array}\right)$

进一步地，通过检测得到的Δλ_MN、Δλ_PQ，计算MN、PQ的方法是根据下述两式：

MN=1/3.5*Δλ_MN

PQ=1/3.5*Δλ_PQ

其中，Δλ_MN、Δλ_PQ的单位为mm，MN、PQ的单位为nm。

本发明的优点：为了实现平面内各个方向微位移的测量，设计了一种新型的圆柱型光纤 布拉格光栅微位移传感器，其采用圆柱型内筒和外壳嵌套的方式，结构简单，内壳固定，外 壳产生位移变化作用于内壳，由于圆柱的对称性，可以有效感受平面内各个方向的位移。同 时引入了差动式测量方法，两个光纤光栅作为光纤光栅对，根据两个光纤光栅反射波长变化 的差异不仅可以检测位移的大小，还可以判断出位移的方向。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的横截面示意图。

图3是本发明的不锈钢弹性膜片结构示意图。

图4是本发明实施例测量方法的示意图。

附图标记说明：

1-圆柱体外壳2-圆柱体内壳3-不锈钢弹性膜片4-布拉格光栅（FBG）

具体实施方式

该光纤布拉格光栅传感器由圆柱型内壳，外壳构成，在内壳与外壳之间的四个对称方向 上放置四块不锈钢弹性膜片，弹性膜片与外壳接触的地方焊接固定，利用四块弹性膜片的压 力将外壳固定在内壳上，四块弹性膜片上都粘有光纤布拉格光栅，光纤光栅水平放置，内壳 固定，外壳受到外部微位移变化的作用，外壳与内壳相对位置发生变化，膜片的发生形变， 带动上面的布拉格光栅发生形变，光纤布拉格光栅波长发生漂移。由于四块膜片的形变各异， 可以通过分析四只布拉格光栅的波长漂移情况判断位移变化的大小和方向。

下面结合具体实施对本发明做进一步的详细描述。

本发明提供了一种具有较高灵敏度，并且能够判断出位移发生方向的圆柱型光纤布拉格 光栅微位移传感器。本发明的技术方案包括：圆柱形内壳，与内壳相匹配的圆柱形外壳，在 内壳与外壳之间的四个对称方向上放置四块不锈钢弹性膜片。

上述方案中，内壳与外壳之间通过四块不锈钢弹性膜片紧压在一起。

上述方案中，光纤紧贴环绕于圆柱形内壳，平行于内壳底面，置于外壳与内壳之间。

上述方案中，四块不锈钢弹性膜片与圆柱型外壳接触部分焊接固定。

下面结合附图和实施例进一步详述本发明。图1给出的是圆柱型光纤布拉格光栅微位移 传感器结构示意图。

实施例：

圆柱型光纤布拉格光栅微位移传感器，它包括圆柱体外壳1，圆柱体内壳2，不锈钢弹性 膜片3以及光纤布拉格光栅4，在内壳2与外壳1之间的四个对称方向上放置4片不锈钢弹 性膜片3，不锈钢弹性膜片3与外壳1接触部分焊接固定，圆柱体内壳2通过4片不锈钢弹 性膜片紧压在外壳1中，不锈钢弹性膜片3上都粘有传感用的光纤布拉格光栅4。

本实施例中，光纤布拉格光栅4粘附在不锈钢弹性膜片3的中心位置上，内壳和外壳通 过弹性膜片互相耦合在一起，4片不锈钢弹性膜片互相对称垂直的焊接在外壳的内壁上，不 锈钢弹性膜片在外壳的位移变化下产生形变，作用在光纤布拉格光栅上，两对光纤光栅构成 差动式测量，一个光纤光栅受到应变加剧，另一个光纤光栅受到应变减弱，采用差动式结构， 通过两个光纤光栅反射波长变化的差异不仅可以检测出位移的大小，还可以判断出位移变化 的方向，灵敏度是单一传感器的两倍。

具体测量方法如下：

由于对称的两个弹性膜片上的布拉格光栅检测的是同一方向的位移变化，为了分析的方 便，可以只分析相垂直的两膜片的变化关系。如图所示，未发生位移时内外壳的圆心为O点， 如果外壳受到与水平方向成θ角，大小为h的位移作用，外壳的圆心移动到O′点，垂直方向 直径与外壳上端的交点A点移动到A′点，水平方向直径与外壳左端的交点B点移动到B′点。 未发生位移时内壳与上侧水平膜片相切于M点。外壳受到位移作用后，若无内壳挤压作用，M 点移动到M′点。由于内壳固定，膜片边缘与外壳固定，膜片弯曲且与内壳依然相切于M点。 测量的是微位移，M点依然在膜片的中心附近，布拉格光栅粘贴在膜片中心附近，可近似认 为此时布拉格光栅受到的作用是垂直方向上的变化MN引起的，其中N为弯曲的上侧水平膜片 两边缘连线与垂直方向直径的交点。

同理，未发生位移时内壳与左侧垂直膜片相切于P点。外壳受到位移作用后，若无内壳 挤压作用，P点移动到P'点。水平方向上的变化PQ可由左边膜片上的布拉格光栅检测出，其 中Q为弯曲的左侧垂直膜片两边缘连线与水平方向直径的交点。

最后利用光纤光栅解调仪，根据测得的布拉格波长的漂移量Δλ_MN（垂直方向）和Δλ_PQ（水 平方向）分别计算得出MN、PQ。其中，光纤光栅解调仪并不能直接测得位移的变化，只能反 映各个方向波长值的变化，在实验中测得MN、PQ方向的位移变化与Δλ_MN和Δλ_PQ有着线性关 系，即MN（mm）=（1/3.5）Δλ_MN（nm），PQ（mm）=（1/3.5）Δλ_PQ（nm）。垂直方向和水平 方向上的布拉格光栅检测到的变化量分别是位移在垂直方向和水平方向上的分量，这样可以 通过检测到的MN和PQ检测出h和θ的大小。可得：

$\left(\begin{array}{c}h=\sqrt{{\mathrm{MN}}^2+{\mathrm{PQ}}^2}\\ \theta =\arctan \frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{PQ}}\end{array}\right)$

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。