一种倾角测量装置的制作方法

1.本发明涉及结构倾角检测技术领域，特别涉及一种倾角测量装置。


背景技术：

2.为了获取物体结构的健康状况，确保建筑的安全性，特别是在建筑领域，能及时获取桥梁结构的变形情况，可以有效防止安全事故的发生。而倾角检测是判断结构是否失稳和破坏的条件之一，当建筑的承重构件发生超过一定的倾角变形时，说明结构即将发生失稳破坏。
3.光纤光栅传感器凭借其结构简单可以实现对温度、应变等物理量的直接测量和敏感度高的特点在光纤传感领域中得到广泛应用与研究，但由于布拉格光纤光栅对应变和温度同时敏感度，所以在应用光纤光栅作为传感器时，需要通过一定手段将光纤光栅对温度和应变的影响分别测量出来。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种倾角测量装置，能够有温度修正功能，提高检测精度。
5.根据本发明的第一方面实施例，提供一种倾角测量装置，包括：
6.壳体，一端设置为固定端，所述壳体的底部用于与被检测结构连接；
7.悬臂梁，设置于所述壳体内，所述悬臂梁的一端与所述壳体的固定端固定连接，以使所述壳体与所述悬臂梁发生等同的角度倾斜，所述悬臂梁的另一端上设有重物，所述重物的自重作用于所述悬臂梁上；
8.第一布拉格光纤光栅，设置在所述悬臂梁的表面上，用于检测所述悬臂梁的倾斜角度；
9.第二布拉格光纤光栅，靠近所述悬臂梁的固定端设置，位于所述悬臂梁的中心线上方位置，以使所述第二布拉格光纤光栅不受外力影响，用于检测所述悬臂梁的温度变化，所述第一布拉格光纤光栅和所述第二布拉格光纤光栅串联连接。
10.有益效果：此倾角测量装置利用光纤光栅技术对温度和变形的交叉敏感特性，当被检测物体发生微小的倾斜角度，重物重力作用在悬臂梁上的力发生变化，引起第一布拉格光纤光栅的波长的变化，根据波长的变化推算出被检测结构的倾斜角度，同时在装置中内置另一个不受外力影响的第二布拉格光纤光栅用于测量温度变化的影响，从而对受拉光栅进行补偿。
11.根据本发明第一方面实施例所述的倾角测量装置，所述第一布拉格光纤光栅设置为受拉传感器，所述第二布拉格光纤光栅设置为温度补偿传感器。
12.根据本发明第一方面实施例所述的倾角测量装置，所述悬臂梁的顶面设有光纤引出孔，所述第一布拉格光纤光栅的检测端从所述光纤引出孔引出。
13.根据本发明第一方面实施例所述的倾角测量装置，所述重物包括钢球盒和设置在
所述钢球盒内的若干钢球，所述钢球盒的内壁紧贴各所述钢球。
14.根据本发明第一方面实施例所述的倾角测量装置，所述悬臂梁、所述壳体和所述钢球盒均通过3d打印制成。
15.根据本发明第一方面实施例所述的倾角测量装置，所述壳体设置为长方形的杆状构件。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
17.图1为本发明实施例的结构示意图；
18.图2为图1中a的放大图。
具体实施方式
19.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
20.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
21.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
22.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
23.参照图1至图2，一种倾角测量装置，包括：壳体10、悬臂梁20、第一布拉格光纤光栅41和第二布拉格光纤光栅42，其中壳体10的一端设置为固定端，壳体的底部用于与被检测结构连接；其中悬臂梁20设置于壳体10内，优选的壳体10的延伸方向与悬臂梁20相同，悬臂梁20的一端与壳体10的固定端固定连接，以使壳体10与悬臂梁20发生等同的角度倾斜，悬臂梁20的另一端上设有重物30，重物30的自重作用于悬臂梁20上，重物30随着角度的倾斜会对悬臂梁20产生不同的重力作用，方便第一布拉格光纤光栅41检测，其中重度增大，装置检测敏感程度会随之提高；其中第一布拉格光纤光栅41设置在悬臂梁20的表面上，用于检测悬臂梁20的倾斜角度；其中第二布拉格光纤光栅42靠近悬臂梁20的固定端设置，位于悬臂梁20的中心线上方位置，以使第二布拉格光纤光栅42不受外力影响，用于检测悬臂梁20的温度变化，第一布拉格光纤光栅41和第二布拉格光纤光栅42串联连接。此倾角测量装置
利用光纤光栅技术对温度和变形的交叉敏感特性，当被检测物体发生微小的倾斜角度，重物30重力作用在悬臂梁20上的力发生变化，引起第一布拉格光纤光栅41的波长的变化，根据波长的变化推算出被检测结构的倾斜角度，同时在装置中内置另一个不受外力影响的第二布拉格光纤光栅42用于测量温度变化的影响，从而对受拉光栅进行补偿。
24.优选的，第一布拉格光纤光栅41设置为受拉传感器，第二布拉格光纤光栅42传感器设置为温度补偿传感器。当被检测结构发生一定角度的倾斜时，本装置与被检测物体发生等同的角度倾斜，此时装置内部的重物30的重力在悬臂梁20的作用力发生变化，从而拉伸第一布拉格光纤光栅41使其拉伸变形，外接解调仪可采集到其波长发生变化的数值。
25.优选的，悬臂梁20的顶面设有光纤引出孔，第一布拉格光纤光栅41的检测端从光纤引出孔引出。
26.优选的，重物30包括钢球盒32和设置在钢球盒32内的若干钢球31，钢球盒32的内壁紧贴各钢球31。用于限制内部的钢球31晃动，避免其影响检测结果。具体钢球31数量、大小及重量需视检测要求而确定，理论上钢球31数量增加，重度增大，装置检测敏感程度提高。
27.优选的，悬臂梁20、壳体10和钢球盒32均通过3d打印制成。
28.优选的，壳体10设置为长方形的杆状构件。
29.一种倾角测量装置的制造方法，包括以下步骤：
30.确认待使用的钢球31数量以及直径；
31.通过3d打印自下而上地打印壳体10、悬臂梁20和钢球盒32，其中悬臂梁20的一端连接于壳体10的固定端内侧，悬臂梁20的另一端与钢球盒32连接，先打印壳体10，然后在壳体10内打印悬臂梁20，当打印到悬臂梁20与壳体10的连接处时，优先完成悬臂梁20的打印：
32.当打印到悬臂梁20与钢球盒32的连接处时，根据钢球31数量以及直径确认钢球盒32的大小，保证钢球盒32的底面及四个侧面能紧贴待使用的钢球31，将各钢球31放入钢球盒32内，然后完成钢球盒32的顶面打印；
33.将第一布拉格光纤光栅41和第二布拉格光纤光栅42串联连接，其中第二布拉格光纤光栅42埋设于靠近悬臂梁20的固定端处，且第二布拉格光纤光栅42位于悬臂梁20的中心线上方位置，用于检测悬臂梁20的温度变化，其中第一布拉格光纤光栅41设置在悬臂梁20的表面上，用于检测悬臂梁20的倾斜角度。
34.此倾角测量装置的工作原理为：将长方形的壳体10的底部与被检测结构紧密贴合，在被检测结构未发生角度倾斜时，钢球31自重g1作用在悬臂梁20上，此时悬臂梁20与水平线的夹角为θ1，对应的布拉格波长为λ1。当被检测结构发生一定角度的倾斜时，本发明装置与被检测物体发生等同的角度倾斜，使得悬臂梁20与水平线的夹角为θ2，此时装置内部的钢球31的重力在悬臂梁20的作用力为g2，从而拉伸第一布拉格光纤光栅41，使其拉伸变形，外接解调仪可采集到其波长发生变化值为λ2，已知悬臂梁20长度l和钢球31质量m，根据光纤光栅传感器基本原理可得下列公式：
35.δλ
b
＝λ
b
(1
‑
p
b
)ε#(1)
36.ε＝ε
y
s
x
#(2)
37.[0038][0039]
p
y
＝mg cosθ#(5)
[0040][0041]
p
x
＝mg sinθ#(7)
[0042]
将公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)和(7)联立得：
[0043][0044]
式中：λ
b
——布拉格反射初始波长；
[0045]
δλ
b
——变化波长；
[0046]
p
b
——光纤有效弹光常数；
[0047]
ε——悬臂梁20的总应变；
[0048]
ε
y
——垂直于悬臂梁20长度方向上的变形；
[0049]
s
x
——沿悬臂梁20长度方向上的应变；
[0050]
a，b——光纤有效长度的相对起点和终点坐标；
[0051]
c——光纤有效长度；
[0052]
e——悬臂梁20的弹性模量；
[0053]
i——悬臂梁20的截面惯性矩；
[0054]
l——悬臂梁20的长度。
[0055]
在公式(6)中θ1对应的光栅波长为λ1，θ2对应的光栅波长为λ2，联立方程组可推算出当光纤光栅波长发生变化时悬臂梁20发生的倾斜角度，进而等于测出被检测物体的倾斜角度。
[0056]
例如取光纤有效弹光常数p
b
为0.22，布拉格反射初始波长λ
b
为1550.000nm，，在不考虑温度影响的情况下，当θ为0
°
时，布拉格发射波长λ
b
为1565.543nm；当为
±
0.1
°
时，布拉格发射波长λ
b
为1565.553nm，故装置发生
±
0.1
°
的角度倾斜时，δλ
b
为10pm。
[0057]
由于装置内部第一布拉格光纤光栅41为受拉传感器，第二布拉格光纤光栅42为温度补偿传感器，故当第一布拉格光纤光栅41和第二布拉格光纤光栅42同时作用时，在检测结构倾斜角度得同时还可以消除环境温度对其产生的影响。
[0058]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。