CN112344881B - 一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器，包括玻璃盖体、玻璃筒、玻璃块、十字架玻璃杆、等强度钢化玻璃梁、第一光纤光栅、第二光纤光栅；所述玻璃筒上部的内壁设置有内螺纹，与玻璃盖体圆柱面的外螺纹通过螺纹连接形成一个密闭的空间；所述等强度钢化玻璃梁固定在玻璃盖体上，所述十字架玻璃杆固定在等强度钢化玻璃梁的下方，所述玻璃块固定在十字架玻璃杆的下端；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅均固定在等强度钢化玻璃梁的表面，第一光纤光栅和第二光纤光栅的尾端光纤均从玻璃盖体的光纤出入孔引出。本发明解决了现有倾角传感器灵敏度不高、结构复杂及测量时间过长等问题，延长了传感器的寿命，适用范围广。

Description

一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及到光纤传感技术，具体涉及一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器。

背景技术

随着检测手段的不断发展，除了常规的温度、压力和加速度等物理量的测量外，越来越多的场合需要测量物体的倾斜状态；在一些工程建设中，还有许多测量问题亟待解决，且工程结构的形变监测及结构的角度测量也是其中很重要的方面，因此，这就需要倾角传感器来检测。倾角传感器用于测量一个对象相对于参考面或基准线的角偏转。它们也经常被用于航空领域(如监测飞机着陆的姿态)、水利工程(如堤坝和斜坡的倾斜量)和土木工程(如监测塔和桥梁支架的倾斜)等大型基础设施。

倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。倾角传感器一般采用非接触式测量，实时检测被测量物体当前的姿态倾角，使用简单，无需找回相对变化的两个面安装，内置MCU控制系统，内置垂直陀螺仪和加速度计，集成姿态解算器。

目前，一般固体类型的倾角传感器有明确的摆长和摆心，而在实用中产品类型较多为电磁摆式，虽然其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，应用也较为广泛，但易受电磁干扰，且在连续性、实时性和测量灵敏度等方面也越来越难以满足现今的监测要求。光纤光栅作为一种新类型的传感器已被广泛应用于温度、应变、压力、拉力、加速度和倾角的测量。光纤光栅倾角传感器不仅具有避免电磁干扰、电绝缘性好、耐久性强、耐高温、抗腐蚀、灵敏度高、便于组网、可实现分布式测量等特点，还适合用于隧道、边坡等野外恶劣环境中。

现有技术中存在的主要问题和不足包括：

现有的光纤光栅倾角传感器，其各个部件的组成中，有玻璃材质的光纤光栅元件、金属材质的外壳、金属元件的弹性元件等等，各个不同材料的部件的热胀冷缩特性不相同，导致在温度大范围变化的环境中工作时，不同零部件热应变存在巨大差异，进而导致传感器易出现裂纹、光纤光栅元件的粘贴脱落等问题，严重影响传感器的性能。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题和不足，本发明提供了一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器，解决了现有倾角传感器灵敏度不高、结构复杂及测量时间过长等问题，延长了传感器的寿命，适用范围广。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器，包括玻璃盖体、玻璃筒、玻璃块、十字架玻璃杆、等强度钢化玻璃梁、第一光纤光栅、第二光纤光栅；所述玻璃筒上部的内壁设置有内螺纹，与玻璃盖体圆柱面的外螺纹通过螺纹连接形成一个密闭的空间；所述等强度钢化玻璃梁固定在玻璃盖体上，所述十字架玻璃杆固定在等强度钢化玻璃梁的下方，所述玻璃块固定在十字架玻璃杆的下端；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅均固定在等强度钢化玻璃梁的表面，第一光纤光栅和第二光纤光栅的尾端光纤均从玻璃盖体的光纤出入孔引出。

优选地，所述玻璃盖体包括圆柱面、正方体块和长方体块，所述圆柱面带有外螺纹，与玻璃筒上部的内螺纹紧密连接；所述正方体块的两侧对称开设有4个螺纹孔，且在两侧中心位置的竖直方向开设有2个光纤出入孔，正方体块与等强度钢化玻璃梁的上部通过螺纹连接，等强度钢化玻璃梁紧密固定在正方体块的两侧；所述长方体块共有两个，对称布置在正方体块的下方，在中心位置开设有2个通孔，与十字架玻璃杆的顶端连接并限定其只在一个维度上发生摆动。

优选地，所述圆柱面、正方体块和长方体块是一体化结构。

优选地，所述十字架玻璃杆包括上部分的2个横杆、下部分的2个推杆和尾部的外螺纹。

优选地，所述玻璃块的顶部中心位置开设有一个螺纹孔，与带有外螺纹的十字架玻璃杆通过螺纹连接的方式结合成一体。

优选地，所述十字架玻璃杆上部分的2个横杆与长方体块中心位置开设的通孔连接，并且对十字架玻璃杆的径向进行限定，从而保持限定在一个维度上的摆动。

优选地，所述十字架玻璃杆下部分的2个推杆始终与正方体块两侧固定的等强度钢化玻璃梁自由端贴合在一起。

优选地，所述十字架玻璃杆上部分的2个横杆、下部分的2个推杆和尾部的外螺纹都是一体化玻璃浇注加工成型，所述横杆和推杆径向所指的方向处于垂直关系。

优选地，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅均通过玻璃焊料方式将栅区固定在等强度钢化玻璃梁的中心位置。

优选地，所述等强度钢化玻璃梁采用钢化玻璃制造而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)传感器所有零部件均为玻璃，同质性好，热胀冷缩完全一致，避免了由于热膨胀差异引起的传感器裂纹等问题；同时，玻璃耐腐蚀性强，传感器寿命更长。

(2)传感器所有零部件均为玻璃，所有零部件均不受电磁作用影响，克服了现有光纤光栅传感器中因有金属部件而易受强电磁干扰影响的弊端。

(3)本发明所提出的一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器，本身是不带有任何电信号的，相比于其他类型的倾角传感器更能适应于易燃、易爆等高危环境。

(4)温度可自行补偿。本传感器采用的是光纤光栅布置结构，且两个光纤光栅对称的分布在正方形块两侧；当一侧的光纤光栅因被测结构的倾斜量而被拉伸时，则另一侧的光栅因没有受到玻璃块的分力而在原处保持不动，并作为被拉伸光纤光栅的温度补偿，采用两个光纤光栅波长漂移的差分输出即可消除温度和应变交叉敏感的问题，从而达到传感器温度自补偿的效果。

附图说明

图1是本发明所提供的一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器的主视结构示意图。

图2是本发明所提供的一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器的侧视结构示意图。

图3是本发明所提供的一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器中玻璃盖体的主视结构示意图。

图4是本发明所提供的一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器中玻璃盖体的侧视结构示意图。

图5是本发明所提供的一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器中十字架玻璃杆的主视结构示意图。

图6是本发明所提供的一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器的十字架玻璃杆的侧视结构示意图。

附图标记说明：1、玻璃盖体；2、玻璃筒；3、玻璃块；4、十字架玻璃杆；5、等强度钢化玻璃梁；6、第一光纤光栅；7、第二光纤光栅；1-1、圆柱面；1-2、正方体块；1-3、长方体块；4-1、横杆；4-2、推杆；4-3、外螺纹。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1和图2所示，本发明公开了一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器，包括：玻璃盖体1、玻璃筒2、第一光纤光栅6、等强度钢化玻璃梁5、第二光纤光栅7、十字架玻璃杆4、玻璃块3；所述玻璃筒2上部分的内壁设置有内螺纹，与玻璃盖体1圆柱面的外螺纹通过螺纹连接形成一个密闭的空间；所述玻璃盖体1是由圆柱面1-1、正方体块1-2和长方体块1-3三部分组成，正方体块1-2的两侧对称开设有4个螺纹孔，且在两侧中心位置的竖直方向开设有2个光纤出入孔，长方体块1-3在中心位置开设有2个通孔；所述等强度钢化玻璃梁5通过螺纹连接的方式将其固定在正方体块1-2的两侧；所述十字架玻璃杆4，在与顶端固定在长方体块1-3的垂直方向还设置有两个推杆4-2，且推杆4-2均与等强度钢化玻璃梁5的自由端相切，在十字架玻璃杆4尾端的圆柱面上还设置有外螺纹4-3；所述第一光纤光栅6和第二光纤光栅7通过玻璃焊料固定在等强度钢化玻璃梁5的表面上，然后光纤光栅的尾端光纤在从玻璃盖体1的光纤出入孔引出。

具体地，如图3和图4所示，所述玻璃盖体1，是由三部分组成：第一部分是圆柱面1-1，且该圆柱面1-1是带有外螺纹的，与玻璃筒2上部分的内螺纹紧密连接；第二部分是正方体块1-2，其开设的4个螺纹孔对称的分布在两侧，可与等强度钢化玻璃梁5的上部分通过螺纹连接紧密固定在正方体块1-2两侧，并且在两侧中心位置的竖直方向开设有2个光纤出入孔；第三部分是2个长方体块1-3，在其中心位置开设有2个通孔，与十字架玻璃杆4的顶端连接并限定其只在一个维度上发生摆动；且所述圆柱面1-1、正方体块1-2和长方体块1-3是一体化结构。

具体地，所述玻璃块3，在其顶部的中心位置开设有一个螺纹孔，与带有外螺纹的十字架玻璃杆4通过螺纹连接的方式将两者结合为一体。

具体地，如图5和图6所示，所述十字架玻璃杆4上部分的2个横杆4-1、下部分的2个推杆4-2和尾部的外螺纹4-3都是一体化玻璃浇注加工成型。

具体地，所述玻璃盖体1和玻璃筒2是通过螺纹连接的方式构成一个密封空间，就是将圆柱面1-1的外螺纹与玻璃筒2上部分内壁的内螺纹进行连接而形成的。

具体地，所述十字架玻璃杆4下部分的2个推杆4-2，始终与正方体块1-2两侧固定的等强度钢化玻璃梁5自由端贴合在一起，保证在外界发生倾斜时直接将作用分力及时传递给的等强度钢化玻璃梁5自由端。

具体地，所述十字架玻璃杆4上部分的2个横杆4-1，与长方体块1-3中心位置开设的通孔连接，并且对十字架玻璃杆4的径向进行限定，从而保持限定在一个维度上的摆动。

具体地，根据玻璃块3的重量、十字架玻璃杆4的长度和两个推杆4-2与等强度钢化玻璃梁5的贴合距离大小都可以实现对倾角传感器在实际测量应用中的灵敏度、精度及量程的不同需求进行实时调节。

实施例

一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器，包括：玻璃盖体1、玻璃筒2、第一光纤光栅6、等强度钢化玻璃梁5、第二光纤光栅7、十字架玻璃杆4、玻璃块3；所述玻璃筒2上部分的内壁设置有内螺纹，与玻璃盖体1圆柱面的外螺纹通过螺纹连接形成一个密闭的空间；所述玻璃盖体1是由圆柱面1-1、正方体块1-2和长方体块1-3三部分组成，正方体块1-2的两侧对称开设有4个螺纹孔，且在两侧中心位置的竖直方向开设有2个光纤出入孔，长方体块1-3在中心位置开设有2个通孔；所述等强度钢化玻璃梁5通过螺纹连接的方式将其固定在正方体块1-2的两侧；所述十字架玻璃杆4，在与顶端固定在长方体块1-3的垂直方向还设置有两个推杆4-2，且推杆4-2与等强度钢化玻璃梁5的自由端相切，在十字架玻璃杆4尾端的圆柱面上还设置有外螺纹4-3；所述第一光纤光栅6和第二光纤光栅7通过玻璃焊料固定在等强度钢化玻璃梁5的表面上，然后光纤光栅的尾端光纤在从玻璃盖体1的光纤出入孔引出。

本实施例中，在正方体块1-2的两侧对称固定2个等强度钢化玻璃梁5，通过玻璃焊料将光纤的栅区全粘贴在等强度钢化玻璃梁5的表面上，其在玻璃盖体1开设的2个光纤出入孔的中心位置与光纤处于同一直线上，以便于在贴合好后的光纤光栅直接引出玻璃盖体1的外部，防止光纤光栅在测量时发生弯曲。

在具体实施时，首先将十字架玻璃杆4通过间隙配合连接在长方体块1-3上，且十字架玻璃杆4的尾端与玻璃块3的顶部相连接；然后再将光纤光栅粘贴在等强度钢化玻璃梁5上，通过螺纹连接的方式将等强度钢化玻璃梁5固定在正方体块1-2的两侧；最后通过螺纹连接的方式将玻璃盖体1和玻璃筒2连接在一起，保证传感器在实际测量时是一个密封设计的结构，能够适应更多的复杂环境。

具体使用时，将本传感器竖直地固定于被测结构上，当结构倾角发生变化时，传感器也发生相同倾斜角度的变化，此时玻璃块3因重力的作用而发生摆动，则十字架玻璃杆4直接将重力分力传递给等强度钢化玻璃梁5的自由端，使得等强度钢化玻璃梁5的自由端产生挠度，光纤光栅因此产生轴向应变，从而导致光纤光栅的中心波长发生漂移，根据中心波长的变化与倾角的对应关系即可检测出倾角的大小和方向。

本发明的工作原理如下：将此传感器直接附着于被测结构上，当外界在没有发生倾斜时，玻璃块3一直处于静止状态，第一光纤光栅6和第二光纤光栅7也就不会产生轴向应变；当外界发生倾斜时，此时，玻璃块3会感知倾斜在一个维度上发生摆动，因十字架玻璃杆4与玻璃块3是连接在一起的，所以，十字架玻璃杆4下部分的2个推杆4-2直接将玻璃块3分力作用于一侧的等强度钢化玻璃梁5的自由端，使得自由端产生挠度，则第一光纤光栅6就会随之产生轴向应变，而另一侧的第二光纤光栅7没有受到玻璃块3分力作用，就会在原处保持不动，并作为产生轴向应变光纤光栅的温度补偿，导致光纤光栅的中心波长发生变化。通过检测光纤光栅中心波长的变化量，就可以测出被测结构的倾斜角度变化，这种新型的光纤光栅倾角传感器具有很好的线性关系。

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

Claims (8)

1.一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器，其特征在于：包括玻璃盖体(1)、玻璃筒(2)、玻璃块(3)、十字架玻璃杆(4)、等强度钢化玻璃梁(5)、第一光纤光栅(6)、第二光纤光栅(7)；所述玻璃筒(2)上部的内壁设置有内螺纹，与玻璃盖体(1)圆柱面的外螺纹通过螺纹连接形成一个密闭的空间；所述等强度钢化玻璃梁(5)固定在玻璃盖体(1)上，所述十字架玻璃杆(4)固定在等强度钢化玻璃梁(5)的下方，所述玻璃块(3)固定在十字架玻璃杆(4)的下端；所述第一光纤光栅(6)和第二光纤光栅(7)均固定在等强度钢化玻璃梁(5)的表面，第一光纤光栅(6)和第二光纤光栅(7)的尾端光纤均从玻璃盖体(1)的光纤出入孔引出；

所述玻璃盖体(1)包括圆柱面(1-1)、正方体块(1-2)和长方体块(1-3)，所述圆柱面(1-1)带有外螺纹，与玻璃筒(2)上部的内螺纹紧密连接；所述正方体块(1-2)的两侧对称开设有4个螺纹孔，且在两侧中心位置的竖直方向开设有2个光纤出入孔，正方体块(1-2)与等强度钢化玻璃梁(5)的上部通过螺纹连接，等强度钢化玻璃梁(5)紧密固定在正方体块(1-2)的两侧；所述长方体块(1-3)共有两个，对称布置在正方体块(1-2)的下方，在中心位置开设有2个通孔，与十字架玻璃杆(4)的顶端连接并限定其只在一个维度上发生摆动；

所述圆柱面(1-1)、正方体块(1-2)和长方体块(1-3)是一体化结构。

2.根据权利要求1所述的一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器，其特征在于：所述十字架玻璃杆(4)包括上部分的2个横杆(4-1)、下部分的2个推杆(4-2)和尾部的外螺纹(4-3)。

3.根据权利要求2所述的一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器，其特征在于：所述玻璃块(3)的顶部中心位置开设有一个螺纹孔，与带有外螺纹(4-3)的十字架玻璃杆(4)通过螺纹连接的方式结合成一体。

4.根据权利要求2所述的一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器，其特征在于：所述十字架玻璃杆(4)上部分的2个横杆(4-1)与长方体块(1-3)中心位置开设的通孔连接，并且对十字架玻璃杆(4)的径向进行限定，从而保持限定在一个维度上的摆动。

5.根据权利要求2所述的一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器，其特征在于：所述十字架玻璃杆(4)下部分的2个推杆(4-2)始终与正方体块(1-2)两侧固定的等强度钢化玻璃梁(5)自由端贴合在一起。

6.根据权利要求2所述的一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器，其特征在于：所述十字架玻璃杆(4)上部分的2个横杆(4-1)、下部分的2个推杆(4-2)和尾部的外螺纹(4-3)都是一体化玻璃浇注加工成型，所述横杆(4-1)和推杆(4-2)径向所指的方向处于垂直关系。

7.根据权利要求1所述的一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅(6)和第二光纤光栅(7)均通过玻璃焊料方式将栅区固定在等强度钢化玻璃梁(5)的中心位置。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种全玻璃制造的光纤光栅倾角传感器，其特征在于：所述等强度钢化玻璃梁(5)采用钢化玻璃制造而成。

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