阅读说明：本技术 基于光纤光栅传感的位移传感器及位移监测装置 (Displacement sensor and displacement monitoring device based on fiber bragg grating sensing ) 是由 刘凯 叶仲韬 胡俊亮 梅秀道 郭翠翠 王金霞 史雪峰 王鸣辉 周浩 李明 王胡鹏 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：本申请涉及基于光纤光栅传感的位移传感器及位移监测装置,包括外壳、旋转轴、推杆、导向机构、转动组件,外壳内部设有两个等强度梁,各等强度梁上均设有应变光栅,两应变光栅通过光纤串联并与光纤光栅解调仪相连；旋转轴穿设于外壳上并与外壳转动连接,旋转轴垂直连接套杆；旋转轴上设有齿轮；推杆上设有齿条,齿条与齿轮啮合,推杆两端分别与两等强度梁的自由端接触；导向机构与推杆连接,并用于引导推杆在垂直于旋转轴轴向的方向上自外壳的一侧壁朝另一侧壁做直线运动；转动组件一端用于固定设置,并可绕该端转动；另一端活动地插接于套杆内,并用于驱动旋转轴绕自身轴线转动以使齿轮驱动推杆往复运动。本申请具有长期可靠性和稳定性的优点。(The displacement sensor comprises a shell, a rotating shaft, a push rod, a guide mechanism and a rotating assembly, wherein two equal-strength beams are arranged in the shell, strain gratings are arranged on the equal-strength beams, and the two strain gratings are connected in series through optical fibers and connected with a fiber grating demodulator; the rotating shaft penetrates through the shell and is rotationally connected with the shell, and the rotating shaft is vertically connected with the loop bar; a gear is arranged on the rotating shaft; the push rod is provided with a rack which is meshed with the gear, and two ends of the push rod are respectively contacted with the free ends of the two equal-strength beams; the guide mechanism is connected with the push rod and used for guiding the push rod to do linear motion from one side wall of the shell to the other side wall in the direction perpendicular to the axial direction of the rotating shaft; one end of the rotating component is fixedly arranged and can rotate around the end; the other end is movably inserted in the loop bar and is used for driving the rotating shaft to rotate around the axis of the rotating shaft so as to drive the gear to drive the push rod to reciprocate. The method has the advantages of long-term reliability and stability.)

基于光纤光栅传感的位移传感器及位移监测装置

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，特别涉及基于光纤光栅传感的位移传感器及位移监测装置。

背景技术

桥梁在受到上部行车载荷、温度作用、结构自重等因素的影响时会产生一定的移位。在桥梁的长期使用过程中，由于外力引起的桥梁位移最为严重，例如梁体承受极端荷载(例如大量重车偏载行驶)、汽车制动力、离心力等引起的梁***移会直接导致桥梁限位装置的破坏、梁体挡块的破坏及梁体移位，严重影响桥梁的运行安全，甚至会出现桥梁坍塌事故。

通过监测下部支座位移量可以反映桥梁移位程度。

早期对桥梁支座检测，通常采用人工定期检测方式，通过人工定期查看桥梁支座的运行状态，采用目视、拍照或者无人机巡检拍照等手段，对桥梁支座状况进行调查，这些手段都无法做到实时性，准确性也严重依赖工作人员的经验。

目前对桥梁支座检测，主要采用电子类位移计，以实现在线监测，对于这类监测设备，其一方面，由于这些电子类位移计布置在桥梁现场，需要对这些电子类位移计供电，其二方面，由于这些电子类位移计布置在室外，加上本身带有电，易受电磁干扰和雷击，其三方面，还存在采样频率不够高的缺点。因此，电子类位移计存在长期可靠性和稳定性不好等诸多缺点。

因此，研制一种专用于桥梁支座位移监测的传感器，对桥梁支座所受偏载的程度进行长期、实时、动态的监测具有非常重要的意义。

发明内容

本申请实施例提供基于光纤光栅传感的位移传感器及位移监测装置，以解决相关技术中存在的长期可靠性和稳定性不好的缺点。

第一方面，提供了一种基于光纤光栅传感的位移传感器，其包括：

外壳，其内部设有两个间隔布置的等强度梁，各所述等强度梁上均设有应变光栅，两所述应变光栅通过光纤串联并用于与光纤光栅解调仪相连；

旋转轴，其穿设于所述外壳上并与所述外壳转动连接，所述旋转轴穿出所述外壳的一端上垂直连接有中空的套杆；所述旋转轴上设有齿轮，所述齿轮位于所述外壳内；

推杆，其上设有沿其长度方向布置的齿条，所述齿条与齿轮啮合，所述推杆两端分别与两所述等强度梁的自由端接触；

导向机构，其位于所述外壳内并与推杆连接，所述导向机构用于引导推杆在垂直于旋转轴轴向的方向上自所述外壳的一侧壁朝另一侧壁做往复的直线运动；

转动组件，其一端用于固定设置，并可绕该端转动；另一端活动地插接于所述套杆内，并用于驱动旋转轴绕自身轴线转动以使所述齿轮驱动推杆往复运动。

一些实施例中，所述导向机构包括组设于所述外壳内的两个第一立柱，两所述第一立柱分别位于所述旋转轴两侧，所述第一立柱上开设有导向孔；

所述推杆两端分别活动地穿过对应的第一立柱的导向孔，且所述齿条位于两所述第一立柱之间。

一些实施例中，所述导向机构包括组设于所述外壳底壁上的导轨，所述推杆可移动地组设于所述导轨上。

一些实施例中，所述导向机构包括组设于所述外壳顶壁上的导轨，所述推杆可移动地组设于所述导轨上。

一些实施例中，所述外壳内还设有温度补偿光栅，所述温度补偿光栅通过所述光纤与所述应变光栅串联。

一些实施例中，所述等强度梁的长度方向与所述推杆的直线运动方向大致垂直。

一些实施例中，所述转动组件包括固定板、万向球座和传导轴，所述万向球座与所述固定板连接，所述传导轴一端与所述万向球座相连，另一端插接于所述套杆内。

一些实施例中，所述套杆与所述转动组件之间设有用于防止所述套杆与所述转动组件互相脱离的防脱件。

一些实施例中，所述防脱件为弹性体，所述弹性体固设于所述套杆内，且所述转动组件位于所述套杆内的一端与所述弹性体相连。

第二方面，提供了一种位移监测装置，其包括：

光纤光栅解调仪；

如上任一所述的基于光纤光栅传感的位移传感器，所述光纤穿出所述外壳，并与所述光纤光栅解调仪相连。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了基于光纤光栅传感的位移传感器及位移监测装置，在使用时，将转动组件的顶端固定于支座上顶板的底面上，将外壳固定于支座下底板顶面上。当桥梁支座的支座上顶板与支座下底板之间发生相对移动时，转动组件顶端跟随支座上顶板移动，由于转动组件可绕该端转动，故可以带动套杆转动，进而带动旋转轴转动，使固定于旋转轴上的齿轮产生转动，在齿轮的推动作用下，使与齿轮啮合的齿条移动，进而使得推杆发生位移，推杆位移使等强度梁产生应变，贴于等强度梁上的应变光栅感知等强度梁的应变并将应变信号通过光纤传递到光纤光栅解调仪中，通过感知等强度梁的应变来获得支座位移量。

因此，本实施例提供的位移传感器采用光纤传感技术，其一方面，现场无需供电，避免了电磁干扰和雷击影响；其二方面，光纤的主要材料为二氧化硅，是一种高绝缘、化学性能稳定的物质，进一步避免了雷击影响；其三方面，该位移传感器的采样频率是由光纤光栅解调仪确定，在使用时与光纤光栅解调仪相连接，可以通过光纤光栅解调仪选择高采样频率，故本申请大大提高了传感器的长期稳定性和可靠性，使其尤其适合在野外环境中应用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为本申请实施例提供的基于光纤光栅传感的位移传感器示意图；

图2为图1中外壳内部结构示意图；

图3为本申请实施例提供的基于光纤光栅传感的位移传感器安装于支座上的示意图；

图4为本申请实施例提供的基于光纤光栅传感的位移传感器剖面图。

图中：1、外壳；2、旋转轴；3、套杆；4、齿轮；5、推杆；50、齿条；6、等强度梁；7、应变光栅；8、光纤；9、温度补偿光栅；10、导向机构；100、第一立柱；11、转动组件；110、固定板；111、万向球座；112、传导轴；113、壳体；114、球体；115、滚珠；12、弹性体；13、支座上顶板；14、支座下底板；15、轴承；16、第二立柱。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了基于光纤光栅传感的位移传感器，其能解决相关技术中存在的长期可靠性和稳定性不好的缺点。

参见图1和图2所示，基于光纤光栅传感的位移传感器，其包括外壳1、旋转轴2、推杆5、导向机构10、转动组件11。在本实施例中，外壳1采用了方体结构。

参见图1和图2所示，外壳1内部设有两个间隔布置的等强度梁6，各等强度梁6上均设有应变光栅7，两应变光栅7通过光纤8串联并用于与光纤光栅解调仪相连；

参见图1所示，旋转轴2穿设于外壳1上并与外壳1转动连接，旋转轴2位于两个等强度梁6之间，旋转轴2穿出外壳1的一端上垂直连接有中空的套杆3；旋转轴2上设有齿轮4，齿轮4位于外壳1内；

参见图1和图2所示，推杆5位于外壳1内，推杆5上设有沿其长度方向布置的齿条50，齿条50与齿轮4啮合，推杆5两端分别与两等强度梁6的自由端接触；

参见图1和图2所示，导向机构10位于外壳1内并与推杆5连接，导向机构10用于引导推杆5在垂直于旋转轴2轴向的方向上自外壳1的一侧壁朝另一侧壁做往复的直线运动；推杆5的直线运动方向与其长度方向相同；

参见图1所示，转动组件11一端用于固定设置，并可绕该端转动；另一端活动地插接于套杆3内，并用于驱动旋转轴2绕自身轴线转动以使齿轮4驱动推杆5往复运动。

本申请实施例的原理如下：

结合图1和图2，参见图3所示，在使用时，通过装配螺栓或焊接登方式，将转动组件11的顶端固定于支座上顶板13的底面上，将外壳1固定于支座下底板14顶面上。当桥梁支座的支座上顶板13与支座下底板14之间发生相对移动时，转动组件11顶端跟随支座上顶板13移动，由于转动组件11可绕该端转动，故可以带动套杆3转动，进而带动旋转轴2转动，使固定于旋转轴2上的齿轮4产生转动，在齿轮4的推动作用下，使与齿轮4啮合的齿条50移动，进而使得推杆5发生位移，推杆5位移使等强度梁6产生应变，贴于等强度梁6上的应变光栅7感知等强度梁的应变并将应变信号通过光纤8传递到光纤光栅解调仪中，通过感知等强度梁的应变来获得支座位移量。

因此，本实施例提供的位移传感器采用光纤传感技术，其一方面，现场无需供电，避免了电磁干扰和雷击影响；其二方面，光纤的主要材料为二氧化硅，是一种高绝缘、化学性能稳定的物质，进一步避免了雷击影响；其三方面，该位移传感器的采样频率是由光纤光栅解调仪确定，在使用时与光纤光栅解调仪相连接，可以通过光纤光栅解调仪选择高采样频率，一般情况下，采样频率可达成百上千Hz。故本申请大大提高了传感器的长期稳定性和可靠性，使其尤其适合在野外环境中应用，且可连续长期采集位移数据，实现支座位移实时长期监测。

此外，本申请通过将支座位移转化为等强度梁的应变，且二者对应关系为简单线性对应关系，根据相关参数，可以快速得到计算公式，进而快速得到支座位移。

为了方便光纤8与光纤光栅解调仪连接，外壳1上开设有过线孔，光纤8通过过线孔进出外壳1。

由于在载荷作用下，支座上顶板13与支座下底板14之间会发生相对移动，故转动组件11活动地插接于套杆3内，在设计时，确保在极限情况下，一方面，转动组件11不会与套杆3互相脱离，另一方面，转动组件11位于套杆3内的一端不会抵顶在套杆3内的底部。

参见图2所示，在一些优选的实施例中，导向机构10包括组设于外壳1内的两个第一立柱100，两第一立柱100分别位于旋转轴2两侧，第一立柱100上开设有导向孔；推杆5两端分别活动地穿过对应的第一立柱100的导向孔，且齿条50位于两第一立柱100之间。通过两个第一立柱100，推杆5悬空，从而可以方便地在齿轮4的作用下，借助两个导向孔的导向，推杆5做往复的直线运动。

在一些优选的实施例中，导向机构10包括组设于外壳1底壁上的导轨，推杆5可移动地组设于导轨上，比如滑动连接，或者借助滚轮或者弹珠进行滚动连接。在本实施例中，齿轮4位于齿条50上面。

在一些优选的实施例中，导向机构10包括组设于外壳1顶壁上的导轨，推杆5可移动地组设于导轨上，比如滑动连接，或者借助滚轮或者弹珠进行滚动连接。在本实施例中，齿轮4位于齿条50下面，故推杆5需要与导轨卡接，以防止推杆5与导轨互相脱离。

参见图1和图2所示，在一些优选的实施例中，外壳1内还设有温度补偿光栅9，温度补偿光栅9通过光纤8与两个应变光栅7串联，设置温度补偿光栅9，可以提高测量精度。

参见图1所示，在一些优选的实施例中，等强度梁6的长度方向与推杆5的直线运动方向大致垂直。

参见图1和图4所示，在一些优选的实施例中，转动组件11包括固定板110、万向球座111和传导轴112，固定板110用于固定在支座上顶板13的底面上，万向球座111与固定板110连接，传导轴112一端与万向球座111相连，另一端插接于套杆3内。

更为具体地，参见图4所示，万向球座111包括壳体113、球体114以及设于壳体113与球体114之间的滚珠115，壳体113固定在固定板110上，传导轴112与球体114相连。

在一些优选的实施例中，套杆3与转动组件11之间设有用于防止套杆3与转动组件11互相脱离的防脱件。

参见图4所示，在一些优选的实施例中，防脱件为弹性体12，弹性体12固设于套杆3内，且转动组件11位于套杆3内的一端与弹性体12相连。本实施例中，弹性体12采用弹簧，弹簧一端与传导轴112底端相连，另一端固定在套杆3内部。

当然了，在另一些实施例中，防脱件包括互相配合的第一挡块和第二挡块，第一挡块设于套杆3内壁且靠近套杆3的顶端，而第二挡块设于传导轴112侧壁且靠近传导轴112的底端。

参见图1和图2所示，在一些优选的实施例中，外壳1的一对相对的侧壁上分别组设有一个轴承15，轴承15的外圈与外壳1固定连接，旋转轴2一端与其中一个轴承15的内圈固定，另一端与另一个轴承15的内圈固定，并依次穿过该内圈以及外壳1的侧壁。通过轴承15，实现旋转轴2在外壳1上沿自身轴线旋转。

参见图1和图2所示，在一些优选的实施例中，外壳1内还设有两个第二立柱16，两个第二立柱16分设于旋转轴2两侧，且两个第一立柱100均位于两个第二立柱16之间，两个等强度梁6的固定端分别组设于两个第二立柱16上。

本申请还提供了一种位移监测装置，其包括光纤光栅解调仪以及如上任一的基于光纤光栅传感的位移传感器，光纤8穿出外壳1，并与光纤光栅解调仪相连。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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申请和简化描述，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申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。