光纤光栅倾角传感器的设计与智能检测

光纤光栅倾角传感器的设计与智能检测

付迪

河北美泰电子科技有限公司   河北省石家庄市  050200

摘要：倾角检测是现代结构健康检测中的一项重要指标,能够反映结构的健康状况。随现代化建设步伐的加快,电力设施、通信设施以及土木工程的大规模建设,且近年来自然灾害的频繁发生,为了保证人民的生命和财产安全,降低工程事故的发生,需要对桥梁、铁塔等大型结构进行的安全监测。光纤Bragg光栅倾角传感器是用来测量倾斜度的一种仪器,以其安装方便、使用灵活、容易确立基准以及能适应恶劣环境下长期工作等优点和性能,在铁塔、桥梁以及其他大型建筑变形监测中被广泛应用。相对于传统的传感器而言,其具有准分布式传感、绝对测量、抗腐蚀性强、抗干扰性强、结构简单、易构成传感网络、又具有抗腐蚀、无源及抗电磁干扰等显著优点,在大型建筑的结构检测中被广泛的应用。

关键词：光纤光栅；倾角传感器；设计；检测

1传感器智能检测的概述

倾角传感器的性能是由倾角传感器的静态指标来说明的｡检测倾角传感器的性能指标是否符合工程实际检测的需求,要对倾角传感器进行检测｡现对倾角传感器的检测,使用标准角度块得倾斜角度作为智能检测系统的输入值,获取倾角传感器检测信号作为输出的信号,系统采集数据并进行处理可获得倾角传感器的静态工作性能｡

智能测试的方法主要是通过电､光､算等元件构成更高精度的元件,标准角度块为标准器;智能检测系统可实现倾角传感器的自动检测,取代传统的手工检测的方法;使用数字设备采集倾角传感器的检测数据,取代传统的人工采集并记录检测数据的方式,智能检测采用面向对象的思想进行设计以实现技术的复用,倾角传感器的本质上为轴向上的移动,检测设备的连接轴上连接不同接口就可以实现不同倾角传感器的检测。

图1智能检测的方法图

倾角传感器在正常时,使传感器的角度发生均匀的变化,但是一旦传感器的精度需要标定时,倾角传感器就会产生出一定的非线性误差｡我们均匀的改变倾斜的角度值,并检测倾角传感器的输出值并以此来判断倾角传感器的特性,测得倾角传感器是否符合标准｡在整个倾角传感器的检测过程中,倾斜角度的和传感器检测到的数据需要经过正反､行程多次实验,必须要电､光､算等各元件之间进行紧密配合bsl｡智能检测系统通过通信接口实现数据的采集､存储,并且对检测数据进行显示､统计和计算以得到光纤光栅倾角传感器的参数和误差｡

2光纤Bragg光栅倾角传感器的结构

本文研制一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器,如下图2所示:

图2倾角传感器的俯视结构图

活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器,结构包括水银柱金属壳,水银柱支撑架､传压活塞､传力杆､等强度悬臂梁､传感器外壳､光纤化agg光栅､水银管支架､水银等构件｡在引出的光纤空处用环氧树脂胶进行密封,并将悬臂梁的支撑柱焊接在光纤光栅倾角传感器的外壳的底部｡

其中水银式活塞式水银光纤化agg光栅倾角传感器最为主要的特点,由于水银是液态的其对倾角比较敏感,当传感器的倾角发生变化时,水银对底座的压力将会发生变化为｡传动活塞主要是在倾角发生变化将水银的压力通过传动杆传给等强度悬臂梁｡等强度悬臂梁主要是承接传动杆传回的为并产生弹性形变｡悬臂梁是传感器的测量元件,将应变传给粘贴在其上面的光纤光栅使其发生波长移位｡当倾角传感器所测对象的倾角发生变化时,水银在水银柱金属壳内的有效长度将发生改变,水银对传压活塞的压力将相应改变,水银通过传动活塞和传动杆与等强度悬臂梁相连,水银的重力作用在传动活塞上,通过传动轴挤压等强度悬臂梁,使得等强度悬臂梁的自由端发生烧度变化,最终使等强度悬臂梁的发生压缩或拉伸等弹性形变使得在悬臂梁上､下表面刚性粘贴的光纤光栅的中也波长发生移位｡传感器连接的光纤光栅解调仪检测出传感器中也波长的移位量,然后根据光纤检测的理论和角度传感模型进行计算得到检测面的倾斜角度｡环境温度和光纤肚agg光栅的静态指标有很大的关系,光纤光栅传感器在使用过程中会受到环境温度的影响,尤其是在温度比较低或者温度较高的环境中影响较大｡

在影响光纤光栅倾角传感器的性能的因素中应变和温度是最为主要的因素｡应变和温度互相影响是导致光纤光栅传感器的性能不稳定主要问题｡光纤光栅传感器在工作状态下,由于温度缓慢的变化引起的中屯波长的移位变化的频率也是相对比较低的,因此,我们可以对低频信号的滤波消除环境温度对光纤光栅测量结果的影响｡由于光纤光栅倾角传感器是有应变变化转为角度的,波长的变化是应变和温度变化共同作用的结果,在一定的范围内很难准确消除温度对传感器测量结果的影响｡而在活塞式水银光纤化agg光栅倾角传感器中的等强度悬臂梁的上､下表面都粘有光纤Bragg光栅｡当传感器倾斜时,水银对传动活塞的压力变小,对等强度悬臂梁的压为也在减小悬臂梁的上表面受到压应变,下边面为拉应变,在计算时上下波长的移位之差计算倾角的大小,两个光纤光栅处在相同的环境,因此能够抵消温度对光纤光栅波长值的影响｡

3总结

倾角检测是现代大型建筑结构健康监测的重要指标,随着光纤技术的快速发展,光纤倾角光栅在大型建筑的结构检测中的应用越来越广泛｡光纤光栅倾角传感器其具有的诸多优点,如抗电磁干扰､电绝缘性好､低损耗､可靠性强等倍受国内外专家的青睐,光纤倾角传感器准备被应用在大型的结构的健康检测中｡

参考文献

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