专利名称：光纤光栅位移传感器及传感方法
技术领域：
本发明涉及位移的测量，特别涉及光纤光栅位移传感器及传感方法。
背景技术：
光纤在微小拉伸时，光纤布拉格光栅(以下简称光栅)的波长与拉伸的微小位移量呈线性关系。光纤光栅裂缝计即是通过一定的装置，线性放大该微小位移，实现对外部较大位移的测量。图I示意性地给出了现有技术中裂缝计的原理图，如图I所示，当外界具有位移时，裂缝计的拉杆抽拉动作时，与拉杆连接斜面则会引起触杆的上顶，触杆上顶又会引起光栅应变梁挠度的变化，该挠度的变化则会传递至光栅，使光栅发生测量的波长变化。光栅应变梁弹性范围内小的挠度变化可近似线性，该结构的裂缝计即通过斜面-挠度的线性变 换，实现拉杆大位移的测量。量程为斜面的水平长度，灵敏度为触杆处在斜面底部、顶部时光栅波长差与量程的比值。由于光纤本身材质的原因，在弹性范围内，光栅的拉伸量很小(即波长变化量很小)。实际应用中，为了保护光栅不受损坏，裂缝计中光栅的波长变化一般控制在4nm左右。目前，光纤行业中的裂缝计全部采用单光栅进行位移测量，存在诸多不足，如I、裂缝计的量程一定时，灵敏度最大为4nm/量程，无法再提高；2、保持最大的灵敏度时，无法提高量程；3、每一个量程区间内，灵敏度恒定，不存在多段灵敏度。

发明内容
为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种量程大、灵敏度高的光纤光栅位移传感器以及方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的光纤光栅位移传感器，所述位移传感器包括至少两个光纤光栅，所述光纤光栅的一端固定，另一端分别安装在不同的应变梁上；至少两个应变梁，所述应变梁的一端固定，应变梁上具有与斜面接触的接触件；斜面；在不同时刻，至少两个应变梁上的接触件在斜面上的位置信息的组合具有不同；当外界具有位移时，所述接触件在所述斜面上具有相对移动，发生应变的所述应变梁使得所述光纤光栅产生应变；探头，所述探头与所述斜面连接；分析模块，所述分析模块根据所述光纤光栅的应变的组合而得到外界位移。根据上述的位移传感器，可选地，所述斜面为一个，所述至少两个应变梁的接触件分时间地处于所述斜面上，或者分别处于所述斜面的不同高度上。根据上述的位移传感器，可选地，所述斜面为两个或两个以上，所述至少两个应变梁的接触件分别能够在一个或一个以上斜面上相对移动。根据上述的位移传感器，可选地，在同一时刻，仅有一个接触件处于斜面上，或者不同的接触件分别处于不同的斜面上。根据上述的位移传感器，可选地，所述斜面是平面或曲面。根据上述的位移传感器，可选地，所述分析模块用于根据所述光纤光栅的应变的组合而获知外界位移所处的量程、灵敏度区间。本发明的目的还通过以下技术方案得以实现光纤光栅位移传感方法，所述传感方法包括以下步骤(Al)外界具有位移时，探头推动斜面运动，至少两个应变梁上的接触件与所述斜面的相对位置信息的组合发生变化，从而使得分别与应变梁连接的至少两个光纤光栅发生应变；(A2)分析所述至少两个光纤光栅的应变的组合，从而获知外界位移。根据上述的传感方法，可选地，所述步骤(A2)采用的分析方法为
(BI)根据所述相对位置信息的组合而得出外界位移所处的量程区间；(B2)根据所述光纤光栅的应变而导致的对光的波长的影响、所述区间而获知外界位移。根据上述的传感方法，可选地，在斜面和接触件的相对移动过程中，至少两个接触件分时间地处于斜面上，或同时处于不同的斜面上。根据上述的传感方法，可选地，在相对移动过程中，接触件至少在一个斜面上发生相对移动。根据上述的传感方法，可选地，所述斜面是平面或曲面。与现有技术相比，本发明具有的有益效果为I、在量程一定的情况下，(成倍地)提高了位移传感器的灵敏度，不同的结构形式可以提高不同的倍数；2、在量程范围内，可以将灵敏度分段，不同的量程段对应不同的灵敏度；3、在灵敏度一定的情况下，提高位移传感器的量程。


参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中图I是根据现有技术中裂缝计的基本结构图；图2是根据本发明实施例1、2的位移传感器的基本结构图；图3是根据本发明实施例I的位移传感方法的流程图；图4是根据本发明实施例3的位移传感器的基本结构图；图5是根据本发明实施例4的位移传感器的基本结构图；图6是根据本发明实施例4的位移传感器的基本结构图；图7是根据本发明实施例5的位移传感器的基本结构图；图8是根据本发明实施例6的位移传感器的基本结构图9是根据本发明实施例7的位移传感器的基本结构图；图10是根据本发明实施例8的位移传感器的基本结构图。
具体实施例方式图2-10和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。实施例I :
图2示意性地给出了本发明实施例的光纤光栅位移传感器的基本结构图。如图2所示，所述传感器包括至少两个光纤光栅，如布拉格光栅，所述光纤光栅的一端固定，另一端分别安装在不同的应变梁上；至少两个应变梁，所述应变梁的一端固定，应变梁上具有与斜面接触的接触件；至少一个接触件的初始位置处于斜面的底端；所述应变梁是本领域的现有技术，在此不再赘述。斜面；在不同时刻，至少两个应变梁上的接触件在斜面上的位置信息的组合具有不同，也即所述接触件处于与斜面的相对位置不同，如同一斜面的不同高度处，或一部分接触件处于斜面上另一部分处于平面上，或不同斜面的相同高度处，或不同斜面的不同高度处；当外界具有位移时，所述接触件在所述斜面上具有相对移动，发生应变的所述应变梁使得所述光纤光栅产生应变；探头，所述探头与所述斜面连接；分析模块，所述分析模块根据所述光纤光栅的应变的组合而得到外界位移，该位移对应一定的灵敏度。当然，所述传感器还包括光源、分路器和光谱仪，光源发出的光通过分路器的一路进入光纤，在经过光纤光栅时，一部分光被原路反射回来，经过分路器后被光谱仪接收，即可获得光纤光栅的波长变化。这些器件以及具体连接方式对于本领域的技术人员是容易理解的现有技术，在此不再赘述。图3示意性地给出了本发明实施例的光纤光栅位移传感方法的流程图。如图3所示，所述传感方法包括以下步骤(Al)外界具有位移时，探头推动斜面运动，至少两个应变梁上的接触件与所述斜面的相对位置信息的组合发生变化，，也即所述接触件处于与斜面的相对位置不同，如同一斜面的不同高度处，或一部分接触件处于斜面上另一部分处于平面上，或不同斜面的相同高度处，或不同斜面的不同高度处；从而使得分别与应变梁连接的至少两个光纤光栅发生应变；(A2)分析所述至少两个光纤光栅的应变的组合，从而获知外界位移，该位移对应
一定的灵敏度。根据本发明实施例I达到的益处在于使用至少两个光纤光栅，使得在同样位移的情况下有不同的波长变化，从而获得不同的波长变化组合，也即不同的灵敏度。实施例2 根据本发明实施例I的光纤光栅位移传感器在裂缝计中的应用例。图2示意性地给出了本发明实施例的裂缝计的结构示意图。如图2所示，第一应变梁上的第一接触件从斜面(仅一个斜平面)的底端滑到顶点时，安装在第一应变梁上的第一光纤光栅的波长变化为△ Xml，也即其最大波长变化。第二应变梁上的第二接触件从斜面的底端滑到顶点时，安装在第二应变梁上的第二光纤光栅的波长变化为△ X1112，也即其最大波长变化。上述第一和第二接触件是一前一后安装，间距为L，斜面的正投影的长度为a，第 一接触件的初始位置为斜面的底端。对于上述裂缝计,量程为R = L+a,若R > 2L,第一光纤光栅的波长变化Y1、第二光纤光栅波长变化y2与探头位移X的关系分别为
A 0当0彡X < L时，也即量程段为
,^、y2(x-L)
R-LR-L
即组合(yi，y2)中，第一和第二接触件都处于 K-LK-L
斜面上；该量程段内的灵敏度为A^i+^)=
Ax Ax R _ 乙 R 一 L
A 0当R_L<x彡R时，也即量程段为(R_L，R]，yi = A 入 ml、y2=~&-(X-I),也即
R — L
组合(yi，y2) ^,^r\R-2L)<y2<Mm2，仅有第二接触件处于斜面上；该量程段内的灵K-L
敏度为！ 二 A(a 土么)=。
Ax Ax R-L由各量程段内灵敏度的表达式可知，可通过调整各参数去改变灵敏度，如增大L以提闻灵敏度。对于上述裂缝计，量程为R = L+a，若R = 2L，第一光纤光栅的波长变化yi、第二光纤光栅波长变化y2与探头位移X的关系分别为当0彡X彡L时，也即量程段为
，h =^--X, y2 = 0，也即组合
Lj
(Y1, I2)中，0 ^ Y1 ^ A Affll,仅有第一接触件处于斜面上；该量程段内的灵敏度为AY _ Ajy1 +y2) = AAmlAx AxL当L < X < R 时，也即量程段为(L，R]，Y1 = A 入 ml、y2 = —_Z)，也即组
Lj合(Y1, y2)中，O <y2^ A Affl2,仅有第二接触件处于斜面上；该量程段内的灵敏度为Ar _ A(yi+y2)= A^m2。
Ax AxL由各量程段内灵敏度的表达式可知，不同量程段对应不同的灵敏度，还可通过调整各参数去改变灵敏度，如减小L以提高灵敏度。在整个量程内，同一时刻仅有一个接触件处于斜面上。上述裂缝计在工作时(对应于位移传感方法)，过程为(Al)测得第一、第二光纤光栅的波长变化的组合(yi，J2) (.J1对应于第一接触件的在主测斜面上的位置信息，y2对应于第二接触件的在辅测斜面上的位置信息)，并送往分析模块；
(A2)分析模块根据上述波长变化yi、y2以得到适用的波长变化与位移的关系式，利用该关系式获知位移X及灵敏度。根据本发明实施例2达到的益处在于使用至少两个光纤光栅，使得在同样位移的情况下有不同的波长变化，从而获得不同的波长变化组合，也即不同的灵敏度。与现有技术相比较，在量程相同的情况下提高了灵敏度，也增加了灵敏度的组合；在灵敏度相同的情况下，提高了量程。实施例3 根据本发明实施例I的光纤光栅位移传感器在裂缝计中的应用例。图4示意性地给出了本发明实施例的裂缝计的结构示意图。如图4所示，第一应变梁上的第一接触件从斜面(仅一个斜平面)的底端滑到顶点时，安装在第一应变梁上的第一光纤光栅的波长变化为△ Xml，也即其最大波长变化。第二应变梁上的第二接触件从斜面的底端滑到顶点时，安装在第二应变梁上的第二光纤光栅的波长变化为△ X1112，也即其最大波长变化。第三应变梁上的第三接触件从斜面的底端滑到顶点时，安装在第三应变梁上的第三光纤光栅的波长变化为△ X1113，也即其最大波长变化。上述第一、第二和第三接触件是前后安装，间距分别为U、L2, L = LJL2小于斜面的正投影的长度a。第一接触件的初始位置处于斜面的底端。对于上述裂缝计，量程为R = L+a,且R > 2L，第一光纤光栅的波长变化Y1、第二光纤光栅波长变化y2和第三光纤光栅波长变化y3与探头位移X的关系分别为
八义当0 < X < L1 时，也即量程段为
, Y1 = m}~-x ' y2 = 0> y3 = 0,也即组
R-L
A ^
合G1, y2，y3)中，O^y1，仅有第一接触件处于斜面上；该量程段内的灵敏度为
ti — L
AF _ A(y1+y2+y3)_
AxAxR~L
A 。Al当L1 < X < L 时，也即量程段为(L1, L),^% = —^ (x-L1), y3 =
R-LR-L
0，也即组合(yi，y2，y3)中，-L^y1K I、0 < y2 < Z2，第一和第二接触件
R-LK-LR-L
都处于同一斜面上；该量程段内的灵敏度为—= A^i+yz+>;^=^%+-^-
AxAxR-L R-L
当L 彡 x 彡 R-L 时，也即量程段为
权利要求
1.光纤光栅位移传感器，所述位移传感器包括 至少两个光纤光栅，所述光纤光栅的一端固定，另一端分别安装在不同的应变梁上； 至少两个应变梁，所述应变梁的一端固定，应变梁上具有与斜面接触的接触件； 斜面；在不同时刻，至少两个应变梁上的接触件在斜面上的位置信息的组合具有不同；当外界具有位移时，所述接触件在所述斜面上具有相对移动，发生应变的所述应变梁使得所述光纤光栅产生应变； 探头，所述探头与所述斜面连接； 分析模块，所述分析模块根据所述光纤光栅的应变的组合而得到外界位移。
2.根据权利要求I所述的位移传感器，其特征在于所述斜面为一个，所述至少两个应变梁的接触件分时间地处于所述斜面上，或者分别处于所述斜面的不同高度上。
3.根据权利要求I所述的位移传感器，其特征在于所述斜面为两个或两个以上，所述至少两个应变梁的接触件分别能够在一个或一个以上斜面上相对移动。
4.根据权利要求3所述的位移传感器,其特征在于在同一时刻,仅有一个接触件处于斜面上，或者不同的接触件分别处于不同的斜面上。
5.根据权利要求I所述的位移传感器，其特征在于所述斜面是平面或曲面。
6.根据权利要求2至5任一所述的位移传感器，其特征在于所述分析模块用于根据所述光纤光栅的应变的组合而获知外界位移所处的量程、灵敏度区间。
7.光纤光栅位移传感方法，所述传感方法包括以下步骤 (Al)外界具有位移时，探头推动斜面运动，至少两个应变梁上的接触件与所述斜面的相对位置信息的组合发生变化，从而使得分别与应变梁连接的至少两个光纤光栅发生应变； (A2)分析所述至少两个光纤光栅的应变的组合，从而获知外界位移。
8.根据权利要求7所述的传感方法，其特征在于所述步骤(A2)采用的分析方法为 (BI)根据所述相对位置信息的组合而得出外界位移所处的量程区间； (B2)根据所述光纤光栅的应变而导致的对光的波长的影响、所述区间而获知对应于不同灵敏度的外界位移。
9.根据权利要求7所述的传感方法，其特征在于在斜面和接触件的相对移动过程中，至少两个接触件分时间地处于斜面上，或同时处于不同的斜面上。
10.根据权利要求9所述的传感方法，其特征在于在相对移动过程中，接触件至少在一个斜面上发生相对移动。
11.根据权利要求7至10任一所述的传感方法，其特征在于所述斜面是平面或曲面。
全文摘要
本发明提供了一种光纤光栅位移传感方法，所述传感方法包括以下步骤(A1)外界具有位移时，探头推动斜面运动，至少两个应变梁上的接触件与所述斜面的相对位置信息的组合发生变化，从而使得分别与应变梁连接的至少两个光纤光栅发生应变；(A2)分析所述至少两个光纤光栅的应变、所述相对位置信息的组合，从而获知对应于不同灵敏度的外界位移。本发明具有测量量程大、灵敏度高等优点。
文档编号G01B11/02GK102749035SQ20121023590
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者刘胜利, 张艳辉, 陈建华 申请人:聚光科技(杭州)股份有限公司