CN101067551A - 光纤基计量器 - Google Patents

Abstract

一种光纤计量器，通过改变施加在光纤轴向上的压力来给与光纤物理上的压力。根据本发明用于具有光纤的光纤应变计量器的计量器载体，其包括：支撑条，其沿所述载体的纵向轴延展；第一、第二固定表面，分别设置于所述支撑条的一端，并与其坚固地固定，上述支撑条用于把所述应变计量器固定在测试样本的表面上；第一、第二光纤固定元件，其纵向地互相分隔，从而把所述光纤固定成与所述载体的纵向轴平行；所述第一光纤固定元件坚固地接合到所述第一固定表面，所述支撑条延展于第一光纤固定元件及第二光纤固定元件之间，其中：所述支撑条至少有一部分相对沿所述载体的纵向轴的膨胀，压缩或膨胀压缩是弹性的。

Description

光纤基计量器

交叉引用

本申请要求2007年2月6日提交的美国临时申请60/765,547。该申请在这里全部引入作为参考。

技术领域

本发明涉及一种光纤基计量器。

背景技术

近几年，光纤光学基应变计量器在市场上已经获得接受，作为传统电学计量器的替代，这些电学计量器基于例如电阻，感应系数或者电容的改变。在很多应用中，例如建筑结构检测，井下油气应用，以及海运和航空应用，光纤光学计量器比传统的计量器有更好的优点。与其他电学计量器不同，光纤基计量器对电磁干扰不敏感，并且适于使用在电噪声环境中。光纤基计量器还容易进行复用，允许更多的计量器在单独光纤上远距离操作。光纤基计量器可以被做得很小很轻，并且在狭小的空间中使用。光纤基计量器还可以被制备成忍受高温和腐蚀的环境。

现在已经可以得到多种光学计量器，他们运用多种光学性质来测试感兴趣目标的物理性质。通过改变振幅，相位，极性状态，或者设计，这些计量器被设计成响应被测试的物理性质，这些光学性质中的一个或多个可以通过询问单元被监视，并且转换成感兴趣的物理性质。

目前的发明涉及光学计量器，设计成测量测试样品表面的应变。本发明的计量器被设计成以与传统的电学金属薄片应变计量器相似的风格，安装并使用，但是具有所有光学计量器的优点。构造本发明的计量器，以便允许该测试样品表面的被转移到包括布拉格光栅的光纤长度。当应变运用到该光纤时，该光谱中心波长通过布拉格光栅波长的转换显示出来。该波长转换可以直接转换成应变单位。

在该种计量器中，该光纤经常被固定在一个载体上用于固定在测试样品的轻松和操作的轻松。该计量器载体典型地由塑料膜或薄金属垫片组成。塑料膜在计量器运用于具有环氧树脂或其他粘合剂的测试样品应用中工作良好。金属载体通常用在计量器被点焊于测试样品上时。应变计量器固定在金属载体上是通用的，因为他们可以被快速连接在不同测试样品上。该载体可以被以各种方式连接在样品上，例如运用环氧树脂或电焊。尽管载体的使用显著的改善了操作和固定，他的使用也会降低计量器的表现。该计量器载体位于测试样品和感测元件之间，要求来自测试样品的应变通过载体到达光纤。这可以产生敏感度的丧失。进一步，计量器载体必须仔细地固定，这样应变才能充分并统一地通过载体，而不会使载体变形。除了纯粹的线性应变，对载体的扭曲，可以产生测试准确度的丧失，因为感应元件没有暴露于测试样品中的真正应变中。此外，通过加强测试样品的强度，载体材料的硬度自身也会影响应变测量。这发生在电学计量器和光学计量器中。

发明内容

本发明提供了一种计量器载体设计，用于与光纤应变传感器一起使用，包括一个或多个光纤布拉格光栅(FBG)，该光栅提供载体的优点，用于使操作和固定轻松而不会降低计量器的表现。

本发明提供一种光纤光学应变计量器，它可以提供预先固定应变计量器的优点，而不会降低计量器的表现。该计量器快速和容易地被连接在测试样品上。该计量器包括载体，该载体具有用于测试样品固定的装置，以及装置用于保持光线的持续长度。在一个特殊的实施方式中，该载体是金属载体。在另一个实施方式中，该载体由金属制成，该金属可以被焊接在测试样品上，并且特别是该金属可以被焊接在一个测试样品上，该测试样品使用通常被使用以便将传统的金属支撑的电学薄片应变计量器焊接到测试样品上。在一个替代的实施方式中，该载体可以使用环氧树脂或者其他合适的粘合剂连接到测试样品上。该计量器载体选择性的服从沿着应变测量的轴。该载体提供非常少的沿着测量轴向应变的阻力；因此，该测试样品不需要向着金属计量器载体的硬度相反的方向工作。

包括一个或者多个光纤布拉格光栅的光纤在这里的计量器中是有效的应变感应传感器。在促进光纤布拉格光栅作为应变计量器的使用方面，该计量器载体提供多个不同的目的。该计量器载体用作光纤保持固定，提供能够很容易操作的封装的器件。该计量器载体在安装和使用期间对光纤提供保护。该计量器载体还提供一些特点，允许快速和可靠地与测试样品连接。

根据本发明的另外的方面，是光纤布拉格光栅应变计量器显示了计量器的准确和敏感度，该计量器没有被预先固定在载体上，虽然提供了预先固定的计量器的方便。在优选的实施方式中，至少该计量器载体的部分关于伸展、压缩或者均沿着他的长轴是弹性的，因此允许在两点之间距离的改变，其中该计量器载体连接在测试样品上。在该实施方式中，设计该计量器载体以便在一个或更多的载体区域中允许弹性，虽然该载体的其余部分仍然是充分刚性的。在一个特别的实施方式中，本发明的计量器载体用作为两个独立的刚性光线固定元件，由顺从或柔性元件所分离。这种构造，允许该光纤刚性地固定在该测试样品两点处，而没有在应变带来的连接两点之间相对距离中构造变化。

在本发明的一个示例载体和应变计量器中，该计量器载体的弹性由通过单一体中产生的通道系统所提供，优选的通道垂直地导向长轴。单一体中的通道系统可以在单一体中产生一个或多个弹簧，在一个实施例中，弹簧的配置包括，但是不限于，折叠束弹簧(folded beam spring)。

在本发明的另一个示例性载体和应变计量器中，该计量器的弹性由在光纤连结点之间支撑条中的载体引入一个或多个空穴来提供。该空穴或多个空穴可以在支撑条或者单一体中产生一个或多个弹簧，在一个特殊的实施方式中，一个或两个弓形弹簧形成在载体的支撑条上。

使用普通的焊接技术，本发明的应变计量器载体很容易连接到测试样品上。此外，他们可以使用环氧树脂或其他粘结剂被连接在测试样品上。光纤应变计连器连接具有粘合剂，当随后具有合适的表面准备，清洁和粘合剂加工过程，该粘合剂在很多应用中表现良好。

在另外的实施方式中，该计量器载体被装备在除了金属的其他材料上。该计量器载体的点焊至测试样品需要金属载体。当该计量器使用粘合剂、夹子或螺丝被连接时，非金属载体(例如陶器或塑料)可以被使用。

本发明提供应变测量系统包括一个或多个本发明的计量器，结合用于将合适波长范围的光结合到该计量器的光纤中，并且结合检波器用于监视从光纤中光纤布拉格光栅反射出的光，和/或用于监视通过光纤布拉格光栅的光(例如切口光谱(Notchspectrum))。在感应系统中，本发明的计量器可以选择性地串联或并连连接，具有从光源光的合适供给，和通过光纤布拉格光栅反射或传输的光的合适监视。

本发明还提供了多种测量器件，结合本发明的光纤应变计量器的一个或多个。这些器件与其他的一起，包括温度和压力测量计量器，加速度计和位移传感器。

本发明此外还提供了用于在测试样品中测量应变的的方法，运用本发明的一个或多个应变计量器。在该方法中，该应变计量器以预期的位置被固定在一个测试样品上。在一个特殊的实施方式中，该计量器被固定在测试样品上这样该计量器的长轴与将被测试应变的测试样品的轴校准。合适波长的光被结合入该应变计量器的光纤中，并且光由被测试的光纤的光纤布拉格光栅反射。可以通过探测反射的实现探测，或者间接地通过该光纤布拉格光栅传输的探测光来探测(探测产生自通过光纤布拉格光栅反射的切口)。通过光纤布拉格光栅反射的波长的改变涉及计量器和该测试样品中的应变。

附图说明

图1是显示一个示例光纤布拉格光栅应变计量器的示意图。

图2是显示图1的应变计量器的示例计量器载体的示意图。

图3是该计量器载体的示例弹性区域一个更详细的视图。在这种情况下，支撑条中的通道的引入在支撑条的部分中形成了折叠束弹簧。

图4是从该计量器载体的示例光纤紧固元件的更详细的视图。

图5A和B是本发明的另一个示例性计量器载体的示意图，具有紧固在计量器位置的布拉格光栅的光纤，在这种情况下，两个分开的空穴被引入该载体的支撑条，并在支撑条上形成弹簧，可以是弓形弹簧。图5A是该计量器和他的载体的下侧的透视图。当固定在测试样品上时，该载体的下侧与该测试样品接触。图5B是该计量器和他的载体的上层透视图。显示该载体的这一面具有可选择的焊接袋以促进该机量起到测试样品的固定。

具体实施方式

参考附图时，相近数字代表相近元件，而在多于一个附图中出现的相同数字代表相同元件。此外，全文套用以下的定义：

“弹性”指的是材料，物件，装置或装置元件相对一个或多个实际尺寸增加或减少尺寸的能力。弹性材料可以是可延展的，可压缩的或两者皆是。弹性指的是带有弹性的材料，物件，装置或装置元件的特性。

“坚固”指的是弹性不良或缺乏弹性的材料。

“单一物体”指的是物体或物件，其由连绵的或连续的材料制成或由互相相连的独立组件制成。单一物体并不包括实际分离，不相连的元件。优选的单一物体由单一材料所制成。不过，单一物体可包括多个互相通过连接物相连的组件，当中的连接物例如焊接，粘合剂，环氧化物，螺丝，螺栓，夹钳，夹扣或任何与其等同之物。

“平行于纵向轴”指的是方向由一个沿相同方向延展的轴所限定，而且每一点都与纵向轴保持相同距离。

“垂直于纵向轴”指的是方向由一个与纵向轴成90度的轴所限定。

说明书中相对例如校准，方向，装置元件的相对位置以及装置元件的形状应理解为在对所述装置或装置元件的功能无碍下与所描述的校准，方向，位置或形状有一定程度偏差是可以接受的。例如，在某实施例中，所述载体优选为与相对一个或多个所述载体的轴对称。这应理解到在没有功能损耗下相对装置元件形状的不对称程度是可以容许的。

“弹簧”指的是可在扭曲后能恢复其原来形状的弹性物体或装置。本发明的弹簧可有多种弹性模量，例如与不锈钢合金弹簧相关的模量。本发明的弹簧可包括弯曲或屈曲的物体，其可以压成较小的空间而在释放后恢复其初始的形状。“弓型弹簧“此词指的是有一个或多个优选为长方形或U形的腔的材料或物体，其可在受力的情况下压缩或延展。“摺叠弹簧”此词指的是有至少一个通道的材料或物体，由此产生带有一个或多个摺叠的梁，其可在受力的情况下压缩或延展。把本发明的载体的弹簧优选造成令所述载体可以沿其纵向轴压缩或延展。

图1展示本发明的载体固定的光纤布拉格光栅应变计量器的示例性实施例。图2展示所述计量器的支持光纤的载体部分。图3展示所述计量器的弹性区域的特写。图4展示了示例性的光纤固定元件的详情，其对本发明的任何载体固定的应变计量器通常有用。

具体地，图1提供装有光纤的组合计量器100的透视图。该计量器包括计量器载体200，光纤102，光纤中的布拉格光栅103，以及可选的缓冲管104以用作保护光纤。作为参考，图1展示计量器及其载体的长度，阔度及厚度。图1展示计量器及其载体的纵向轴207。可以理解的是该载体有一个横向轴没有显示，垂直轴也没有显示。所述横向轴垂直于纵向轴并平行于载体的阔度，所述垂直轴垂直于纵向轴及横向轴并平行于载体的厚度。所述三个轴在载体的中心点相遇。在示例性实施例中，所述载体实质对称于一个或多个轴。在具体的实施例中，所述载体实质对称于纵向轴。如图所示，该光纤被固定于载体中并与载体接合于两个光纤固定元件202a及202b。如以下更详尽的描述，该光纤优选在固定到载体上前预受压。该光纤沿所述计量器及其载体的纵向轴放置。沿着光纤固定在载体上的两点之间的长度中，该光纤带有至少一个光纤布拉格光栅。

当进行测量应变的操作时，该计量器连接到一个测试样本，来自适当光原的光被接入光纤中而被布拉格光栅反射的光或被传送通过布拉格光栅的光受到合适的探测器所监察。被布拉格光栅反射的光的波长随施加于包含布拉格光栅的光纤的应变而改变。

图2显示了本发明的计量器载体的示例实施方式，能够提供该计量器方便的操作和固定而不会影响表现。该显示的载体200包括一个支撑条201，一个第一光纤扣紧元件202a，一个第二光纤扣紧元件202b，一个第一固定表面203a，何一个第二固定表面203b，以及一个弹性区域204。该载体选择地具有应变释放元件205a和/或205b，以保护该计量器载体的入口、出口处的光纤，或者两者均保护。固定表面提供场所用于将该计量器连接到测试样品。提供该固定表面用于固定将要分别连接的元件215a和215b，至支撑条的每一个末端。可以提供该光纤扣紧元件在固定元件的每一个中显示，或可以在支撑条的每一个末端被分别定位。该光纤扣紧元件刚性连接到该固定表面，例如通过通过形成在或者刚性连接在固定元件，该表面带有固定表面，这样当计量器刚性固定在该测试样品上时，该光纤扣紧元件每一个刚性连接在该测试样品上。该支撑条在载体中光线刚性连接的点之间延伸，并且该支撑条具有至少一个塑料的区域。

实践中，计量器100通过任何装置被固定在该测试样品上，获得一个刚性连接，诸如通过在测试样品和固定表面每一个的至少一个之间形成粘合剂粘合，或者通过点焊固定表面到该测试样品上去。图5B中显示的焊接袋选择性地提供以促进焊接。

该光纤刚性连接在该计量器载体上具有两个独立的光纤扣紧装置202a和202b。通过计量器载体将第一光纤扣紧元件和第一固定表面从第二光纤扣紧元件和第二固定表面相分离。

弹性区域能够起到弹簧的作用，并且可以有两个目的。该弹性区域提供顺从这样该计量器载体可以扩展并且与沿着长轴作用运用很小的力。这允许两个扣紧元件202a和202b以跟随该测试样品的移动，使其服从应变。因为光纤扣紧元件202a和202b的相对距离改变，运用到光纤上的张力成比例改变并且布拉格光栅103的光学带宽的中心波长与计量器张力成比例改变。该中心波长直接涉及该测试样品中表现的应变。弹性区域204的第二个功能是提供一个弹簧力，用于预先延伸光纤102。在优选的实施方式中，在将光纤连结到光纤扣紧元件202a和202b的过程之中，张力应用到光纤。当光纤因此预先延伸时，剩余的张力仍然在光纤中，允许该计量器在张力和压力中操作。

每一个固定表面203a和203b，位于接近并且分别刚性连接到相应的光纤扣紧元件202a和202b。一旦该计量器载体通过该固定表面203刚性连接到一个测试样品，该光纤接着刚性连接，并且亲密机械连接到该测试样品。在这个配置中，应变被直接从测试样品转移到光纤。优选的见效从该测试样品到光纤的连接点的机械路径，以最大化计量器敏感度。

在特别的实施方式中，支撑条，固定表面，固定元件和光纤扣紧元件形成一个单一体。优选的，该载体的功能元件通过合适的机械方法从选择的机械材料的单一连续片形成，例如不锈钢的连续片或者其他合适的可加工金属。这里使用词“连续”是指一个器件，其中该器件的功能元件进行连接的时候，从他们形成的材料中没有损毁。

在图2和3中显示的优选实施方式，在支撑条中产生多个通道301，提供有关沿着长轴的压缩、扩展或者两者的弹性。如显示的通道的引入，可以被用于在支撑条的部分形成弹簧结构。如在图2，3中显示的那样，通道301从侧边延伸入并且通过条的宽度，并且垂直导向长轴207。该通道具有选择的长度和通道宽度，并且延伸穿过条的厚度。该通道被选择的距离S所分离，在特别的实施方式中，比邻的通道从条的相对侧延伸入条，如图3显示得那样，并且被距离S所分离。在特别的实施方式中，一或多对比邻的通道通过选择的距离S所分离，形成支撑条的弹性区域，通道从支撑条的相对边延伸入该支撑条。从支撑条的相对边延伸入该支撑条的通道对的系统产生一个折叠的结构，该结构的功能作为支撑条中的折叠束弹簧(folded beam spring)，允许该载体在光纤扣紧点之间的载体的运动，以实质上平行于该载体的长轴的方向。通道之间的长度、宽度和距离可以改变以在载体中获得预期的弹性水平。在特殊的实施方式中，该通道延伸通过交叉该载体长轴的支撑条的宽度多于中途。在特殊的实施方式中，所有的通道具有同样的宽度和长度。在特殊的实施方式中，弹性区域包括两、三或四对通道对。

如前所述，在支撑条区域中形成弹性元件的通道可以被引入单一体，该单一体从邻近材料形成通过合适的加工形式。在其他的实施方式中，该单一体可以通过成型技术形成。

该载体元件，和特别是该载体的支撑条部分可以包括任何材料能够显示弹性，但是能够对光纤扣紧和连接点202a和b提供刚性支撑。在优选的实施方式中，单一体220从材料的邻近片制作形成。对邻接材料的使用优选的使该载体的植被简单化，并且降低评估的成本。然而，本发明包括的实施方式，其中该在载体的单一体从多个元件制备，该元件可操作的通过合适的扣紧装置连接，包括但是不限于一个焊接点，胶合，环氧树脂，螺丝，夹子，螺钉，扣子或任何这些的等同。

在图3中显示了该弹性折叠束弹簧(folded beam spring)更多的细节，是给本申请的计量器载体提供弹性的一种装置。在本发明中，可以运用任何弹簧配置，只要它提供有关沿着该载体长轴压缩获延伸的弹性，并且实质上包括沿着所有其他维运动。本发明的弹簧可以具有一个范围的弹簧包括允许所有的运用到光纤的预载负荷有用范围。此外，本发明的计量器载体可以具有多个弹簧。本发明可选择的实施方式包括折叠束弹簧具有多个折叠，并且在折叠中具有多个束横截面。其他备选的实施方式中包括两个折叠束弹簧在支撑条上分开，并且更特别地位于接近支撑条的反向长末端。额外的实施方式包括电子或聚合物材料，结合到该支撑条以提供预期的弹性。

在优选的实施方式中，附图2的该计量器载体200提供一种装置锚固该光纤。该支撑条具有一个轴向缝，沿着长轴207延伸，用于接收光纤并且由选择的容纳一个管，用于保护该光纤。该缝沿着第一和第二固定元件以允许该光纤延伸通过整个载体。

光纤102包括硅光纤102和保护层102b位于轴向缝206，并且沿着长轴207延伸。单一体201具有一个洞403位于两个光纤扣紧元件202a和b的每个上。该洞403垂直于长轴207，洞403形成一个袋406，其中环氧树脂，合金焊料，或玻璃焊料可以被放置。在实施方式中，金属或合金焊料，诸如铅，锡，金，银或铟可以被使用。洞403还包括粘合剂或焊料材料单元直到他凝固。该粘合剂或焊料被捕获在洞里403并且填充光纤覆盖物406和洞403之间的空间。因为该洞的轴向垂直于光线轴向，它阻止粘合剂滑落，因为沿着光纤轴向运用的张力。在载体中和本发明的计量器中有用的光纤保持元件包括那些如图4中显示的在美国公开的申请2006/0285813中有细节描述，这里通过参考结合在这里，整体描述了本发明中有用的光纤保持器的描述，在优选的实施方式中，该载体包括蠕变阻抗光线连接机构，在美国公开的申请2006/0285813中有描述，并且这里引用作为参考。示例本深情的计量器载体包括，但是不限于那些具有任何光纤扣紧元件，提供扣紧光线的装置给该单一体，包括粘合剂，焊料，夹子或卷曲(crimp)。

图5A，5B说明了本发明中的应变计量器和载体的另一优选实施例.图5A说明了由一连续的物料(如不锈钢或其它金属)组成的单一体220，包括计量器100的底面和一载体200。计量器的底面是该计量器跟测试样本接触的面。应注意该光纤优选地应尽量靠近测试样本的表面，却不与之接触。如所示，计量器上的光纤102系紧于计量器载体上，且置于狭缝206之中并沿纵轴207延伸。镶嵌组件215a，b和镶嵌表面203a，b，光纤扣紧组件202a，202b和支撑条201俱由单一体220中的连续的物料所组成。

载体中的支撑条部位包括一个或优选地两个分隔的凹处503a和503b，为支撑条在光纤连接点202a，202b之间提供弹性。凹处的形状和大少会影响支撑条和计量器的弹性，能透过选择这些参数来调整弹性。该凹处延伸于支撑条的整个宽度。该凹处可以是能带给支撑条弹性的任何形状。优选地，该凹处的内壁是弧形的或拱形的，而避免带角。如图5A所示，该凹处可以呈圆形，椭圆形或带圆角的长方形。该凹处可以是“D”形，其“D”形弧线的顶端与载体/计量器的纵轴相交。在特定的实施例中，凹处的长轴与计量器的纵轴(207)成直角。在优选实施例中，该支撑条中的凹处对称于载体/计量器的纵轴。在特定的实施例中，凹处的长轴比支撑条宽度的50％更长。该载体的支撑条中的凹处能在支撑条中形成一个或多个弓形弹簧，为载体/计量器的纵轴提供弹性。

图5B说明了图5A中的计量器的顶面。该视图展示了单一体上可选择性的焊接囊510a，b，c，d，其功能是帮助把计量器点焊接到测试样本上。焊接囊为点焊接提供了一个或多个位置。每一焊接囊优选地包括多于一个提供点焊接的位置，如512a，b，c。图5B说明了载体的横轴。在优选实施例中，计量器载体相对于其纵轴和横轴呈对称形状。

在特别实施方式中，该计量器的光纤被预先延伸了允许张力以及压力应变的测量。在这种情况下，该载体提供充分的弹簧力，用于预先延伸光纤。在实施方式中，该光纤被预先延伸，早于将其紧固在计量器上，通过该光纤的选择重力的应用。该光纤优选的预先延伸这样在光纤中提供5000微应变。优选的计量器展示+/-2500微应变测量范围。

本发明的该计量器包括一个或多个光纤布拉格光栅至少一个位于载体固定点之间的光纤的长度处。光纤布拉格光栅可以提供具有一个保护的聚酰亚胺覆盖层，或者保护金属，或者金属合金覆盖。

该光纤被扣紧再改再上，以多种方式，运用多个扣紧设计。在实施方式中，使用粘合剂例如环氧树脂将该光纤扣紧在载体上，在另一个方式中，使用机械装置，例如夹子或者扣子。还可以进一步使用焊料，例如，金属或者金属合金焊料，或者低温玻璃焊料。

本发明的应变计量器提供，具有一个单一光纤连接，从计量器或者从计量器发散的双末端光纤连接延伸。

图5A，5B说明了本发明的载体，其单一体(220)包括一支撑条部份(201)，表面贴装组件215a，b，和光纤扣紧组件(202a，b)。该载体可以有一致的长，宽和厚度，但优选地其厚度会沿着载体的长度而变化。优选地，载体的宽度和长度的变化是对称于载体的纵轴或同时对称于纵轴和横轴。如图2，图5A，B所示，载体中心部份的宽度(如支撑条部份)可以小于贴装组件部份的宽度。如图所示，支撑条可以在贴装组件的弹性部份较宽。

在特定的实施例中，如图5A，5B所述的应变计量器由不锈钢制造(计量器长24mm，重1.1g；尺寸为36mm×8mm×1mm)，应变规系数公差于21oC时为+/-1.0％，可以于温度范围-40至12oC内操作(可短暂地暴露于高达150oC)，应变量度限度为+/-2500微应变，疲劳寿命为＞20×106循环，+/-1000微应变。

被引入载体的支撑条的弹性，可减低光纤扣紧点的相对横向运动。在优选实施例中，支撑条的长度对称于载体的纵轴，在测试样本被传送到系上的计量器时，可以减低其横向运动。

在优选实施例中，载体的厚度远低于其宽度，当被贴装在测试样本上，呈现低棱线。在特定的实施例中，其宽度是10x或更高于载体的厚度，在进一步的实施例中，其宽度是20x或更高于载体的厚度。

本发明的载体可以用多种材料制的，可以提供预期的弹性性质，就像前面讨论的那样，并且在特殊的载体中或者载体的功能元件可以通过不锈钢制备，低延展性系数金属合金，陶器，复合材料，塑料或聚合材料。

本发明进一步提供光纤基传感器系统包括一个或多个本发明的应变计量器。该系统进一步包括多个应变，配置在连续的配置中，其中，临近或者结合的光纤包括多个光纤布拉格光栅在多个计量器之间延伸(这里，在配置中每个应变计量器是至少一个光纤布拉格光栅)。该系统可以选择或者结合包括多个并连的配置的计量器其中该计量器的光纤不是光学彼此连接。在该系统中，提供一个或多个合适的光源以及一个或多个合适的光探测。不同的光源和光线探测现有技术是一致的，用在这里的计量器应用中。一般来说这里的光纤应变计可以在任何意志的光纤应变计量器系统中运用，其中光纤布拉格光栅被运用了。在实施方式中，多个应变计量器被运用作为元件，在至少一个用于被测应变的测试样品的的多轴应变计量器中。在这些系统中，计量器的长轴沿着测试样品的轴向。

该应变计量器和载体用在测量位移，力，压力，温度或加速度的器件中。在这些测量系统中的应变计量器的使用可以用在已知或能理解的系统中。在这些器件中，应变计量器连接在响应物理性质的材料或物体上。响应材料或物体中引入的应变的性质由应变计量器测量。在优选的情况下，响应材料或物体是可预测的，可重复的方式当暴露于要被测试的性质中，理想的反应是线性的。在实施方式中，响应材料或物体是位移传感器(测试位移或者距离变化)，大块可以被用来测量加速度，力应用的负载单元(测试力)，震动膜用来响应压力(测试压力)，以及材料或物体伸展或者缩短(contract)温度(测试温度)。

例如环氧树脂与加工药剂混合，并且将一个薄的膜用在计量器的固定表面，定位该计量器到预期的测试样品，并且与被粘合区域平的夹持压力夹持。允许该环氧树脂优选在室温古话，并且在25华氏度(15摄氏度)处后持阶段的应用，最大的优选的操作温度用于获得不会蠕变表现。

现有技术已知的温度补偿方法也可以被用在本发明的计量器中。这些方法典型地涉及使用第二补偿虚拟计量器与有源测量计量器相同。该虚拟计量器固定在材料的压力释放片上与有源计量器固定的材料相同并且固定在尽可能接近有源计量器的地方，这样两个计量器共享相同的温度，在该配置中，该虚拟计量器与有源计量器以相同的方式与响应温度，提供热量输出的直接测量。在一些应用中，补偿虚拟计量器可以在应变测量中扮演一个有源的角色。在挠度束应用中，例如，一个计量器可以被固定在束的上表面而第二计量器固定在该束的底面。当挠度负载运用到该束，一个计量器处在压力中而另一个计量器在相同但是相反的压力中。在两个计量器之间的波长之间的差别提供了一个2X应变的读数。热量引入的应变会使两个计量器以相同的方向移动有效的取消彼此。

本申请的光纤应变计量器可以被运用作为多个器件中的器件元件，包括但是不限于，温度传感器，压力传感器，用于测量力的工具，加速度计，位移传感器。

更特别的事，本发明提供一种器件用于测量力，包括任何本发明的应变计量器，其中该应变计量器被连接于负载单元响应被测试的力。还提供作为测量压力的器件，包括本发明的应变计量器的任何一个，其中该应变计量器连接在薄膜上，响应要被测量的压力。加速度计，包括本发明的应变计量器，进一步提供那些其中应变计连接在大块上，响应要被测量的加速度。

在特殊的实施方式中，计量器载体包括支持条，沿着载体的长轴向延伸，第一和第二固定表面，每一个定位并刚性连接在支持条的末端，用于将该应变计量器固定在测试样品的表面和第一和第二光纤扣紧元件上。该光纤扣紧元件沿着载体长度的方向被彼此间隔，用于固定平行于载体长轴向的光纤。该第一和第二扣紧元件分别刚性连接在第一和第二固定表面。该支撑条在第一和第二扣紧元件之间延伸，并且至少该支撑条的一部分有关沿着该载体长轴的延伸，压缩或者两者是弹性的。

该支撑条包括一个或多个弹簧元件，这里由从条的材料的移动来形成。在优选的实施方式中，该支撑条是一个单一体，并且更优选的从材料的单独相邻片形成。引入一个或多个弹性区域进入该支撑条，通过从条中移动材料以在条中形成通道或者空穴。在另外的优选实施方式中，该固定表面，光纤扣紧远见和支撑条形成单一体，并且更特别的这些援建从材料的单独相邻片形成。

该载体选择性的包括一条缝，用于接收沿着该载体长轴的光纤。该载体还选择性地包括应变释放元件，定位以支撑从载体入口和出口的光纤。

在示例的载体中，支撑条的弹性部分，通过多个通道形成，其中该通道垂直定向该载体的长轴。例如多个通道，能够包括空间隔开的通道对，从该支撑条的相对边，沿着支撑条的宽度至少一部分。在特殊的实施方式中，每个通道具有充分的长度，沿通过载体的长轴延伸。形成的多个通道可以以这样的方式，该方式有关该载体的长轴是均匀的。在支撑条中形成的通道可以以这样的方式，有关该栽的长轴和水平轴是均匀的。

当多于一个空穴用来在支撑条上形成弹簧结构，该空穴形成在一起，对于有关该载体的长轴是均匀的，或者有关该载体的长轴或水平轴是均匀的。在一些实施方式中，引入该载体的空穴提高了支撑条的弹性，能够具有一个形状，可以展示长轴，并且在优选的方式中，在支撑条中产生该空穴，这样他的长轴与该载体的长轴垂直。在示例的方式中，该支撑条具有一个弹性区域，(例如弹簧结构)位于与支撑条的一个末端比邻。在另一个示例方式中，该支撑条具有两个弹性区域*(例如弹簧结构)定位于该支撑条彼此比邻。此外的方式中，支撑条的弹性区域能够使用人造橡胶材料来形成。

该计量器载体可以由单一体形成，其中该计量器的功能元件可以被操作地用一个或多个扣件连接在彼此，可以从下列组成的组中选择：焊接连接，胶合，环氧树脂，或者其他粘合剂，螺丝，夹子，螺钉或者扣子。

在特别的实施方式中，该载体具有充分的弹性以允许在第一和第二光纤连接元件之间的距离的改变，沿着长轴在250到750微米之间，并且优选的小于500微米，优选的本发明的计量器载体提供光纤的刚性连接，例如通过光纤扣紧元件和固定表面，在两点到达测试样品，而在沿着长轴向的连接点之间距离的变化，具有很小的阻力。该配置提供改善的计量器灵敏度。

当马库什群组(Markush group)或其它群组在这里使用，群组中所有个别组件及所有组合及所有群组的有可能的亚组合(subcombinations)都包括在本发明中。除非另有说明，这里所描述或示例的每个组件的组合都可用作实施本发明。任何熟知现有技术的人都可理解到不但那些具体示例的，方法，装置元件，以及材料都可以。

Claims (33)

1.一种用于具有光纤的光纤应变计量器的计量器载体，其包括：

支撑条，其沿所述载体的纵向轴延展；

第一固定表面及第二固定表面，分别设置于所述支撑条的一端，并与其坚固地固定，上述支撑条用于把所述应变计量器固定在测试样本的表面上；

第一光纤固定元件及第二光纤固定元件，其纵向地互相分隔，从而把所述光纤固定成与所述载体的纵向轴平行；

所述第一光纤固定元件坚固地接合到所述第一固定表面，而且所述第二光纤固定元件坚固地接合到所述第二固定表面，所述支撑条延展于第一光纤固定元件及第二光纤固定元件之间，其中：

所述支撑条至少有一部分相对沿所述载体的纵向轴的膨胀，压缩或膨胀压缩是弹性的。

2.如权利要求1所述的计量器载体，其中：

所述第一固定表面及所述第二固定表面，所述第一光纤固定元件及所述第二光纤固定元件，以及所述支撑条形成一个单一物体。

3.如权利要求2所述的计量器载体，其中：

所述单一物体由连续材料制成。

4.如权利要求1所述的计量器载体，其中：

所述支撑条的弹性部分是形成在所述支撑条中的多个通道；其中所述通道布置成垂直于所述载体的纵向轴。

5.如权利要求4所述的计量器载体，其中：

所述多个通道包括多对分隔通道，其由所述支撑条的对面延展越过所述支撑条的宽度的至少一部分。

6.如权利要求5所述的计量器载体，其中：

所述每个通道延展越过所述载体的纵向轴。

7.如权利要求5所述的计量器载体，其中：

所述多个通道形成一个图案，其与所述载体的纵向轴对称。

8.如权利要求1所述的计量器载体，其中：

所述支撑条的弹性部分是一个或多个弹簧结构，其放置或形成于所述第一光纤固定元件及所述第二光纤固定元件之间。

9.如权利要求8所述的计量器载体，其中：

所述支撑条的弹性部分是单一弹簧结构。

10.如权利要求8所述的计量器载体，其中：

所述支撑条的弹性部分是有两个分隔在所述支撑条上的弹簧结构所形成。

11.如权利要求8所述的计量器载体，其中：

所述弹簧结构是由所述支撑条中的腔所形成。

12.如权利要求11所述的计量器载体，其中：

所述腔在所述支撑条中形成弓形弹簧。

13.如权利要求8所述的计量器载体，其中：

所述腔对称于所述载体的纵向轴。

14.如权利要求8所述的计量器载体，其中：

所述腔的长度垂直于所述载体的纵向轴。

15.如权利要求1所述的计量器，其中：

所述支撑条有一个弹性区域与所述支撑条的一端相邻。

16.如权利要求1所述的计量器，其中：

所述支撑条有两个弹性区域与所述支撑条的各端相邻。

17.如权利要求16所述的计量器，其中：

所述载体有横向轴，其垂直于所述纵向轴并平行于所述载体的宽度，而且把所述载体分为二个弹性区域，其中所述两个弹性区域与所述横向轴对称。

18.如权利要求1所述的计量器，其中：

所述弹性区域包括弹性材料或由弹性材料所制成。

19.如权利要求1所述的计量器，其中：

所述载体有足够弹性从而容许沿着纵向轴在所述第一光纤连接元件及所述第二光纤连接元件之间的由250到750微米的距离改变。

20.如权利要求1所述的光纤应变计量器载体，其在沿着纵向轴的所述连接点之间提供对距离改变的小阻抗的同时，提供所述光纤到测试样本在两点上的坚固接合。

21.如权利要求1所述的计量器载体，其给弹簧提供力以供所述光纤的预受压，从而容许张力及压缩应变的测量。

22.如权利要求1所述的计量器载体，其还包括沿着所述载体的纵向轴的轴向槽以供当所述光纤与所述载体在所述第一光纤固定元件及所述第二光纤固定元件坚固接合时接收所述光纤。

23.一种光纤应变计量器，包括：

光纤沿着其长度在两端进行固定，并与权利要求1中的计量器载体并行设置，其中光纤包括一个或多个光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅中至少一个的长度是在固定点至载体之间的长度。

24.如权利要求23所述的应变计量器，其中光纤固定到载体前进行预受压，从而计量器可以在张力和压力中操作。

25.如权利要求23所述的应变计量器，其中使用玻璃、金属或者金属合金焊料将光纤固定到计量器上。

26.如权利要求23所述的应变计量器，其中使用低温玻璃焊料将光纤固定到计量器上。

27.一种光纤感测系统，包括一个或多个权利要求23所述的应变计量器。

28.一种测量位移的检测装置，包括权利要求23所述的应变计量器。

29.一种包括权利要求23所述的应变计量器的感测压力的装置，其中应变计量器固定在响应待检测压力的负载单元上。

30.一种包括权利要求23所述的应变计量器的感测压力的装置，其中应变计量器固定在响应待检测压力的隔板上。

31.一种加速器，包括权利要求23所述的应变计量器。

32.一种温度检测装置，包括权利要求23所述的应变计量器。

33.在测试样本中检测应变的方法，其包括在测试样本上安放权利要求28-40中任意一种应变检测器，将合适的波长的光线连接到应变计量器的光纤上，并检测由光纤布拉格光栅反射的光线或者从光纤布拉格光栅传导的光线，以检测计量器以及测试样本的应变。

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