一种同时测量实时速率与位移的光纤光栅传感器

本发明涉及光纤光栅传感器领域，特别涉及一种同时测量实时速率与位移的光纤光栅传感器。

背景技术：

1、天然气水合物(化学式ch4·6h2o)是一种具有发展前景的可持续清洁能源，是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质，因其外观像冰且遇火可燃烧，所以又被称作“可燃冰”。在海洋可燃冰开采过程中，潜在的地质工程风险已成为安全高效开发的主要不确定因素之一。蠕变是产生地质工程风险的主要诱因之一，基于二维和三维地震反射数据对海底陆面边坡失稳的研究表明，蠕变引起的滑坡在海底边坡中广泛分布。其中，可燃冰解离是否会导致蠕变滑移是值得关注的问题。

2、海底是一个极其复杂的环境，具有极深、低温、高压的特点，加上可燃冰具有易燃的特性，用于检测可燃冰解离是否产生侧向蠕变的位移传感器具有很高的要求。传统的电磁式位移传感器因其需要电源供能，不适用于易燃易爆的环境，并且易受电磁干扰、不能远距离和长时间检测的缺点，限制了将其应用在海底环境的位移检测。

3、光纤光栅传感是一种以光波长为载体、布拉格光栅为敏感单元、光纤为传输媒介的新技术，具有安全、高精度、响应速度快、对工作环境要求低以及适用于长时间和远距离检测等优势，能够在恶劣环境中对物理量进行精确的检测，受到了科研人员和工程师的关注，广泛应用于位移检测领域。

4、在位移检测的过程中，速率不仅能描述当前位移发生的快慢，还能准确预测将要产生的位移，这两点对于预防滑坡等安全事故具有重要意义。然而，当前光纤光栅传感器主要用于检测应变和温度两个领域，而用于检测实时速率的光纤光栅传感器并不多见。光纤光栅位移传感器主要有悬臂梁结构、弹簧结构和两端固定式结构，三种结构的原理仅使用光纤的轴向应变，因此不能实现同时测量实时速率与位移的需求，而且存在体积大，结构确定之后存在量程与灵敏度的制约关系，不能根据实际需求的变化做相应的简单改变的缺点，所以有必要设计一款能同时检测实时速率和位移的光纤光栅传感器来满足可燃冰解离时针对蠕变的测量。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种同时测量实时速率与位移的光纤光栅传感器，以达到同时检测实时速率和位移的目的，具有安全、大量程、高灵敏度以及极高的灵活性和实用性特点。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种同时测量实时速率与位移的光纤光栅传感器，包括壳体，所述壳体一端设置可移动的探头，所述壳体内部设置支座、齿条一、齿条二、齿轮一、齿轮二、探针、复位装置、光纤和弹簧一；所述支座位于壳体内底部，所述齿条一穿过支座顶部的凹槽，齿条一的一端连接探头，另一端连接弹簧一的一端，所述弹簧一的另一端固定于壳体的内侧壁上；所述齿条二的两端通过滑动杆安装于壳体内侧壁的滑槽内；所述齿轮一和齿轮二固定连接，并通过同心轴安装于壳体的内壁上；所述齿轮一的半径小于齿轮二的半径，所述齿轮一与齿条一的上表面啮合，所述齿轮二与齿条二的下表面啮合，所述齿条二的上表面为波浪形；

4、所述复位装置固定于壳体内壁顶部，所述复位装置下端连接探针，初始状态下，所述探针的针头位于齿条二上表面的波浪形的波谷内；所述光纤中部粘于探针侧面，一端位于壳体内，另一端拉紧后粘贴在壳体内表面后引出，位于探针两侧的光纤上分别刻有光栅一和光栅二。

5、上述方案中，所述复位装置包括外壳和位于外壳内的弹簧二，所述弹簧二与探针尾部连接，所述外壳内壁纵向开设四个条形槽，所述探针侧面设置四个滑片，所述滑片位于条形槽内。

6、上述方案中，所述探头为圆盘状，背面与齿条一固定连接，边缘与壳体内壁接触且可在壳体内壁上滑动。

7、上述方案中，所述探头为圆柱型，一端穿出壳体用于检测位移，另一端与齿条一固定连接。

8、上述方案中，所述光纤位于壳体内的一端为自由状态。

9、上述方案中，所述光纤位于壳体内的一端固定在壳体内侧壁上，另一端施加预拉力。

10、上述方案中，所述齿轮一和齿轮二为插拔式固定，齿轮一上开设插孔，齿轮二上设置插头，所述插头位于插孔内。

11、通过上述技术方案，本发明提供的一种同时测量实时速率与位移的光纤光栅传感器具有如下有益效果：

12、1、本发明首先绘制出反射中心波长漂移量随时间变化的函数曲线，经短时傅里叶变换算法或小波变换对函数曲线做时频分析后，标定探头移动的速率与上述函数曲线频率的关系，即可实现速率的检测。同时将反射中心波长最大值的次数与齿条二上表面波峰-波谷距离相乘得到位移信息，实现速率与位移的同时测量。

13、2、本发明采用光波长作为信息传输，具有安全、高精度、响应速度快、对工作环境要求低以及适用于长时间和远距离检测等优势，适用于更多应用场景。

14、3、本发明将光纤直接固定在探针和外壳，探针跳动使光纤发生轴向形变，与其他添加弹性装置的位移传感器相比，该发明具有更高的灵敏度。

15、4、本发明可以通过增长齿条一和齿条二的长度增加传感器的量程，增大齿条二波浪齿形的深度增加传感器的灵敏度，减小相邻波峰之间的距离以及增加齿轮一和齿轮二构成的放大装置的放大倍数提高传感器的分辨率。综上，该传感器克服了以往光纤光栅位移传感器量程与灵敏度的制约关系，可以同时具备大量程、高灵敏度、高分辨率测量的能力。

16、5、本发明的传感器可以根据实际需求仅作放大装置的替换即可满足现实需求，具有极高的灵活性和实用性的优势。

技术特征：

1.一种同时测量实时速率与位移的光纤光栅传感器，其特征在于，包括壳体，所述壳体一端设置可移动的探头，所述壳体内部设置支座、齿条一、齿条二、齿轮一、齿轮二、探针、复位装置、光纤和弹簧一；所述支座位于壳体内底部，所述齿条一穿过支座顶部的凹槽，齿条一的一端连接探头，另一端连接弹簧一的一端，所述弹簧一的另一端固定于壳体的内侧壁上；所述齿条二的两端通过滑动杆安装于壳体内侧壁的滑槽内；所述齿轮一和齿轮二固定连接，并通过同心轴安装于壳体的内壁上；所述齿轮一的半径小于齿轮二的半径，所述齿轮一与齿条一的上表面啮合，所述齿轮二与齿条二的下表面啮合，所述齿条二的上表面为波浪形；

2.根据权利要求1所述的一种同时测量实时速率与位移的光纤光栅传感器，其特征在于，所述复位装置包括外壳和位于外壳内的弹簧二，所述弹簧二与探针尾部连接，所述外壳内壁纵向开设四个条形槽，所述探针侧面设置四个滑片，所述滑片位于条形槽内。

3.根据权利要求1所述的一种同时测量实时速率与位移的光纤光栅传感器，其特征在于，所述探头为圆盘状，背面与齿条一固定连接，边缘与壳体内壁接触且可在壳体内壁上滑动。

4.根据权利要求1所述的一种同时测量实时速率与位移的光纤光栅传感器，其特征在于，所述探头为圆柱型，一端穿出壳体用于检测位移，另一端与齿条一固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种同时测量实时速率与位移的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤位于壳体内的一端为自由状态。

6.根据权利要求1所述的一种同时测量实时速率与位移的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤位于壳体内的一端固定在壳体内侧壁上，另一端施加预拉力。

7.根据权利要求1所述的一种同时测量实时速率与位移的光纤光栅传感器，其特征在于，所述齿轮一和齿轮二为插拔式固定，齿轮一上开设插孔，齿轮二上设置插头，所述插头位于插孔内。

技术总结
本发明涉及光纤光栅传感器领域，公开了一种同时测量实时速率与位移的光纤光栅传感器，包括壳体，壳体一端设置可移动的探头，壳体内部设置支座、齿条一、齿条二、齿轮一、齿轮二、探针、复位装置、光纤和弹簧一；齿条一的一端连接探头，另一端连接弹簧一；齿轮一和齿轮二固定连接；齿轮一与齿条一的上表面啮合，齿轮二与齿条二的下表面啮合；复位装置下端连接探针，探针的针头位于齿条二上表面的波浪形的表面；光纤中部粘于探针侧面，一端位于壳体内，另一端拉紧后粘贴在壳体内表面后引出，位于探针两侧的光纤上分别刻有光栅一和光栅二。本发明所公开的传感器可以同时检测实时速率和位移，具有大量程、高灵敏度和实用性的特点。

技术研发人员：赵强,范好好,杜大伟,刘文锋,李遵伟
受保护的技术使用者：山东省科学院海洋仪器仪表研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15