CN101140160A - 一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感技术领域，提供一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法。本发明包括光纤光栅应变传感器增减敏理论、增减敏系数的公式、传感器的结构以及封装方法。这种光纤光栅应变传感器的封装方法不仅有效的保护了裸光纤光栅，而且可以改变光纤光栅的应变灵敏度，其增减敏系数可以根据封装材料的尺寸制定，满足不同的测量需求。本发明的效果和益处是，基于这种封装方法的光纤光栅应变传感器为大型工程结构的表面及内部应变测量提供了大应变量程和高测量精度的监测手段。

Description

一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法

技术领域

本发明属于传感技术领域，涉及到一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法。

背景技术

光纤光栅是近几年发展最为迅速的新一代光无源器件，在光纤通信和光纤传感等相关领域发挥着愈来愈重要的作用。以光纤光栅为传感元件研制的应变传感器，具有如灵敏度高、体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射等优点；克服了传统电类传感器易受电磁辐射干扰，精度低、长期稳定性差以及信号传输距离短的缺点；能够满足在土木工程、航天、石油工业等恶劣工作环境中的测量需要。多个光纤光栅还可以组成准分布式传感系统，采用一根光缆，可实现准分布式测量。

目前，光纤光栅应变传感器封装方式主要有基片式、嵌入式和管式封装等。这些封装方式具有结构简单、易于安装等优点。但容易产生应变传递损耗，使得测量精度有所降低；而且由于胶粘剂直接接触光纤光栅区域，容易产生反射波长多峰值的现象。

对于光纤光栅应变传感器的增减敏问题，特别是光纤光栅的应变增敏技术，国内外已有较多的研究，而且取得了较大进展。但是目前已有的增敏技术结构较为复杂，增减敏方式单一，实际增敏系数与理论值相差比较大，难以实现工程应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法。该方法不仅有效的保护了裸光纤光栅，而且可以改变光纤光栅的应变灵敏度，其增减敏系数可以根据封装材料的尺寸制定，满足实际工程的测量需求。增敏型应变传感器提高了光纤光栅的应变灵敏度，可以应用于应变量程小、测量精度要求高的应变测试中；而减敏型应变传感器相对降低了光纤光栅的应变灵敏度，适合于应变量程大、测量精度相对低的测量需求。基于这种封装方法的光纤光栅应变传感器，为大型工程结构的表面及内部应变测量提供了大应变量程和高测量精度的监测手段。

本发明所采用的技术方案是这样实现的：

传感器由光纤光栅、两个封装部件、两个夹持部件以及两个固定支点组成。其中封装部件与夹持部件均为钢管。采用胶接的方法将光纤光栅两端固定于两个封装部件内，由于胶粘剂没有直接封装光纤光栅区域，消除了胶粘剂对光纤光栅应变传递的影响；然后将两个封装部件分别置于两个夹持部件内，并使用胶粘剂粘接封装部件和夹持部件；最后使用铆固、焊接或胶接的方式将夹持部件与固定支点连接。

封装部件材料为钢管；设两个固定支点的距离为L，两个封装部件之间的光纤的长度为L_f，两个封装部件的长度为L_s。假设两固定支点间发生ΔL的轴向变形，相应封装部件和光纤光栅的变形分别为ΔL_s和ΔL_f。忽略钢管内胶层和光纤之间的应变损耗影响，由材料力学基本原理可得

${\mathrm{\ΔL}}_s=\frac{P_s{L}_s}{E_s{A}_s}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ΔL}}_f=\frac{P_f{L}_f}{E_f{A}_f}---\left(2\right)$

其中，E_s和E_f分别为钢和光纤的弹性模量；A_s和A_f分别为封装钢管和光纤的截面积；P为传感器结构的内力。结构内部内力处处相等，由此可得

$\frac{\frac{{\mathrm{\ΔL}}_s}{L_s}}{\frac{{\mathrm{\ΔL}}_f}{L_f}}=\frac{E_f{A}_f}{E_s{A}_s}---\left(3\right)$

即 $\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{\ϵ}}_f}=\frac{E_f{A}_f}{E_s{A}_s}---\left(4\right)$

钢的弹性模量约为光纤的3倍，当封装钢管的截面积A_s远大于光纤的截面积A_f时，相对于光纤，封装钢管的应变量可以忽略。此时，传感器所承受的外界变形量主要集中在了光纤上，即ΔL≈ΔL_f。由此，传感器总应变ε与光纤光栅应变ε_f的关系为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}\≈\frac{{\mathrm{\ΔL}}_f}{L}=\frac{L_f}{L}{\mathrm{\ϵ}}_f---\left(5\right)$

定义传感器的增减敏系数 $K=\frac{L_f}{L},$ 代入式(5)可得

ε＝Kε_f    (6)

由式(6)可以看出，通过调整增减敏系数K的值，即L_f与L的比值，可以改变传感器的应变测量灵敏度。当K＜1，传感器为光纤光栅增敏型应变传感器；当K＞1，传感器为光纤光栅减敏型应变传感器。

本发明的效果和益处是，基于这种封装技术的光纤光栅应变传感器具有结构简单、受力明确、造价低廉的优点；由于胶粘剂没有直接接触光纤光栅区域，不仅消除了胶粘剂对光纤光栅应变传递的影响，而且避免了光纤光栅区域粘接不均匀带来的反射波长多峰值的现象；传感器的增减敏系数可以根据实际需要通过改变固定支点的位置来确定；通过一些辅助构件，传感器不仅可以采用铆固、焊接或胶接的方式安装于被测结构的表面，也可以埋入结构内部进行应变测量。基于这种封装方法的光纤光栅应变传感器，为大型工程结构的表面及内部应变测量提供了大应变量程和高测量精度的监测手段。

附图说明

附图1是光纤光栅增敏型应变传感器封装结构的示意图。

附图2是光纤光栅减敏型应变传感器封装结构的示意图。

图中：1光纤，2封装部件，3夹持部件，4光纤光栅，5固定支点。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的最佳实施例。

本发明提出的光纤光栅增减敏应变传感器封装结构的示意图如附图1和附图2所示。封装的具体做法是，首先剥离光纤光栅4其中一端的光纤1表面的涂敷层，将光纤1置于封装部件2中，使用精密光纤调整架调整其位置，使光纤1的剥离区域处于中央部位，接着灌入胶粘剂粘接光纤1于封装部件2内，待胶粘剂固化后，采用同样的方式处理另一端的光纤1和封装部件2；然后将两个夹持部件3分别套入光纤光栅两端的封装部件2内，灌入胶粘剂粘接夹持部件3与封装部件2，待胶固化后即完成封装过程。

Claims (2)

1.一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法，其特征是，传感器的增减敏系数 $K=\frac{\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\ϵ}}_f}=\frac{L_f}{L},$ 其中，L_f为两个封装部件之间的光纤的长度，L为两个固定支点的距离；当K＜1时，传感器为光纤光栅减敏型应变传感器；当K＞1时，传感器为光纤光栅增敏型应变传感器。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅增减敏应变传感器，其特征是：传感器是由光纤光栅(4)、两个封装部件(2)、两个夹持部件(3)及两个固定支点(5)组成；采用胶接的方法将光纤光栅(4)两端固定于两个封装部件(2)内，然后将两个封装部件(2)分别置于两个夹持部件(3)内，并使用胶粘剂粘接封装部件(2)和夹持部件(3)，最后使用铆固、焊接或胶接的方式将夹持部件(3)与固定支点(5)连接。

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