一种光纤倾角传感器及其检测系统的制作方法

本发明涉及一种倾角传感器，更具体的说涉及一种光纤倾角传感器及其检测系统，属于大型工程结构倾角测量及光纤传感技术领域。

背景技术：

各种地面上的大型结构如高层建筑、桥梁、大坝、大型装备都要经常监测它们相对于铅垂线的倾斜角度。目前，倾角测量传感器从工作原理上可分为气体摆式、液体摆式、固体摆式三种，气体摆式倾角传感器有较强的抗振动或冲击能力，但气体运动控制比较复杂，且测量精度不高；液体摆式倾角传感器系统稳定，在高精度测量系统中，应用较为广泛，但测量范围较小，对测量环境要求较高；固体摆式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，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，但易受电磁干扰，复用性差，组网困难，难以满足工程大规模监测要求。

由于上述传统的倾角测量技术存在着种种弊端，近年来有人提出将光纤光栅传感技术应用于倾角测量。基于光纤光栅传感技术开发的倾角传感器具有如下优点：一是可靠性好，能够实现绝对测量；二是抗电磁干扰，电绝缘，能于易燃易爆环境下工作；三是复用性好，多个光纤传感器可以很容易地串接在同一光纤上，便于组成测量网络。例如，中国发明专利申请《光纤光栅倾角传感器》(申请号：200310113187.8)提供的倾角测量传感器包括支架、摆锤、光栅，摆锤悬挂在支架上，能够自由地摆动，光纤光栅以能够阻止摆锤摆动的方式连接摆锤和支架，当被测物发生倾斜时，由于重力的作用，摆锤有发生摆动的趋势，从而使对称布置的光栅波长移动互为相反，通过测量光栅反射光的波长移动量来计算倾斜角度。中国发明专利申请《一种摆锤-等截面梁光纤光栅倾角传感器》(申请号：201110023193.9)中将摆锤与等强度梁连接，被测物发生倾斜时，摆锤的重力惯性作用传递到等强度梁上，使对称粘贴于等强度梁正反面的光栅光谱移动方向互为相反，通过测量光谱的移动来计算倾斜的角度。但是，上述基于光纤光栅传感技术开发的倾角传感器存在以下缺点：第一，以光纤光栅作为传感元件，结构设计较复杂，且容易损坏，不适合在工程中做长期监测使用；第二，当测量倾角较大时(大于5°时)，由于结构设计造成的非线性，难以保证较高的测量精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述问题，提供一种光纤倾角传感器及其检测系统。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种光纤倾角传感器，包括外壳、摆锤，所述的摆锤布置在外壳内下部，摆锤两侧通过阻尼与外壳内壁连接，摆锤顶部通过摆臂与转轴连接，所述的转轴位于外壳内上部，所述的摆臂上设有中心孔，所述的中心孔上设有滤光片，对应滤光片在外壳两侧分别开设光输入口和光输出口，且在滤光片与光输入口之间、滤光片与光输出口之间均设置有准直器，所述的准直器与滤光片同轴。

还包括有安装底座，所述的外壳固定在安装底座上。

所述的准直器安装在支架上。

所述的支架为u形架，该u形架包括2个固定臂和底部的安装臂，两个准直器分别固定在2个固定臂上，安装臂固定在安装底座上。

所述的转轴由氧化锆陶瓷轴承制作而成。

包括宽带光源、波长解调仪、2个1×n分路器、n个光纤倾角传感器，所述的n个光纤倾角传感器位于2个1×n分路器的n个端口之间、且n个光纤倾角传感器分别与2个1×n分路器的n个端口连接，所述的宽带光源输出端与1个1×n分路器连接，所述的波长解调仪输入端与另1个1×n分路器连接，该处的n≤10。

所述的n个光纤倾角传感器中相邻光纤倾角传感器的透射光波长λ1,λ2...λn的间距满足|λi-λi-1|＞1nm(2≤i≤n)。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

1、本发明中光纤倾角传感器采用滤光片替代光纤光栅作为倾角传感器的传感元件，不仅具有光纤光栅传感器抗电磁干扰、易组网等优点，而且传感结构简单，测量精度高、长期稳定性好。

2、本发明中光纤倾角传感器检测系统采用1对分路器将多个光纤倾角传感器复用到一根光纤上，提高了传感网络的容量，降低了测量成本。

附图说明

图1是本发明中光纤倾角传感器结构示意图。

图2是本发明中光纤倾角传感器检测系统结构示意图。

图3是本发明实施例一中的光纤倾角传感器。

图中：安装底座1，外壳2，转轴3，摆臂4，摆锤5，滤光片6，支架7，光输入口8，准直器9，光输出口10，阻尼11。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，一种光纤倾角传感器，其为一种干涉型光纤倾角传感器，包括外壳2、摆锤5。所述的摆锤5布置在外壳2内下部，摆锤5两侧通过阻尼11与外壳2内壁连接，摆锤5顶部通过摆臂4与转轴3连接；所述的转轴3位于外壳2内上部，转轴3与外壳2内顶连接，所述的摆锤5、转轴3、摆臂4构成一个只能在唯一平面内摆动的单摆系统。所述的摆臂4上设有中心孔，所述的中心孔上设有滤光片6，对应滤光片6在外壳2两侧分别开设光输入口8和光输出口10；且在滤光片6与光输入口8之间、滤光片6与光输出口10之间均设置有准直器9，所述的准直器9与滤光片6同轴。滤光片6是传感元件，透射光的波长决定于滤光片6的厚度、材料折射率和倾角(倾角即滤光片6表面与竖直线的夹角)，初始倾角通常设计不为零，其根据倾角传感器的测量量程而定，原则是在测量区间内倾角与波长的线性度越高越好。当一束宽带光通过准直器9射向滤光片6时，其透射光波长与滤光片6的倾角成近似线性关系，通过测量透射光的波长，即可计算出倾角数据。

参见图1，进一步的，本光纤倾角传感器还包括有安装底座1，所述的外壳2固定在安装底座1上。

参见图1，进一步的，所述的准直器9安装在支架7上。具体的，所述的支架7为u形架，该u形架包括2个固定臂和底部的安装臂，两个准直器9分别固定在2个固定臂上，安装臂固定在安装底座1上，所述的摆臂4和摆锤5位于2个固定臂之间。

参见图1，进一步的，所述的转轴3由氧化锆陶瓷轴承制作而成。

参见图1至图2，一种基于波分复用的光纤倾角传感器检测系统，包括宽带光源、波长解调仪、2个1×n分路器、n个光纤倾角传感器；所述的n个光纤倾角传感器位于2个1×n分路器的n个端口之间、且n个光纤倾角传感器分别与2个1×n分路器的n个端口连接，所述的宽带光源输出端与1个1×n分路器连接，所述的波长解调仪输入端与另1个1×n分路器连接。所述的n为自然数、且n≤10。光纤倾角传感器中的滤光片6与宽带光源要匹配，即保证所有倾角传感器在工作过程中，滤光片6透射光的波长均在宽带光源的波长带宽范围内。工作时，宽带光源发出的光经过1个1×n分路器被分成n路宽带光，分别经过n个光纤倾角传感器后，再经过另1个1×n分路器合成1路光信号后由波长解调器解调。

参见图1至图2，进一步的，为了能够更好地解调波长，所述的n个光纤倾角传感器中相邻光纤倾角传感器的透射光波长λ1,λ2...λn的间距满足|λi-λi-1|＞1nm(2≤i≤n)。

参见图1至图2，本光纤倾角传感器及其检测系统的工作原理是：当被测结构产生倾斜时，安装在结构上的光纤倾角传感器也同时发生倾斜，光纤倾角传感器中的摆锤5由于重力惯性作用保持竖直方向不变，此时准直器9入射光线与滤光片6表面夹角发生了变化，夹角变化量与结构倾斜角度相同，实际使得入射光通过滤光片6的光程发生变化，因干涉而透过滤光片6的光波波长也相应地发生变化，且透射光波长的变化与倾斜角度变化成近似线性关系，因而通过测量透射光的波长移动，就可以测量结构的倾斜角度。

实施例一：

参见图3，设计一款倾角测量范围为±3°的光纤倾角传感器，对其传感性能进行测试，并采用波分复用方法组成传感网络，其中：1)光纤倾角传感器的初始倾角均为8°；2)4个光纤倾角传感器透射光初始波长分别为1294.25nm、1300.15nm、1307.20nm和1314.08nm；3)采用1对1×4分路器对4个光纤倾角传感器进行波分复用，即n＝4；4)波长解调系统采用的光源带宽为40nm(1284nm～1324nm)。实验测得4个光纤倾角传感器的灵敏度及线性度如图3所示，有图3可知光纤倾角传感器线性度好、灵敏度高、一致性好。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。