CN101539403B - 光纤光栅应变、温度同时测量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光纤光栅应变、温度同时测量传感器，它是利用第二不锈钢管封装裸光纤光栅形成光纤光栅应变传感器，利用金属管封装裸光纤光栅形成不受应变影响的光纤光栅温度传感器，并采用环氧树脂将光纤光栅应变传感器和温度传感器并排封装在第一不锈钢管中。当传感器安装于工程结构上时，在结构发生应变和温度变化时，第一不锈钢管产生变形并通过环氧树脂将结构的温度和应变传递给内部的光纤光栅应变传感器和不受应变影响的光纤光栅温度传感器，利用温度传感器对应变传感器的测量值进行补偿，达到对结构应变和温度的同时测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种工程结构应变和温度测量装置，尤其是对土木工程结构在长期使用过程中的温度和应变状态同时监测的传感器。
背景技术
目前，基于电阻原理或者振动原理的传感器安装于工程结构上，可测量结构的温度和应变反应。但是此类传感器在工程应用中尚有一定的局限性，如容易受到电磁干扰而产生信号失真、长期使用过程中会产生漂移和徐变现象、导线复杂等。也有一部分基于光学原理的应变或者温度传感器可用于结构的应变、温度测量，但是都只是对单一物理量的测量，不能满足结构监测传感器集成化的要求。
为了开发性能更为优良的传感器用于结构的状态监测，选用基于光纤光栅原理的传感器是有效的途径之一。光纤布拉格光栅传感(Fiber Bragg Grating，FBG)是一种新型的传感原理，它以光波为信号载体，并采用波长调制，不受光强的影响，信号稳定，在土木工程结构的各种场合都具有良好的传感性能。利用光纤光栅原理制作的应变和温度传感器能有效的测量结构的温度和应变，且制作出的传感器具有体积小、测量精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可靠性和稳定性好、耐久性好等优点。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种光纤光栅应变、温度同时测量传感器，它能对工程结构的应变、温度进行准确的测量；同时，传感器安装于结构后，能达到对应变和温度的同时测量。
技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明的光纤光栅应变、温度同时测量传感器，该传感器包括光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器、第一不锈钢管、第一环氧树脂；其中光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器布置在第一不锈钢管管腔中，所述第一环氧树脂填充在第一不锈钢管的管腔中；光纤光栅应变传感器的第一尾纤和第二尾纤分别穿过第一不锈钢管的两端；
所述光纤光栅温度传感器包括第二裸光纤光栅、第三环氧树脂、第四环氧树脂、金属管、导热液体；其中金属管的两端分别用第三环氧树脂、第四环氧树脂封闭，金属管的管腔中封闭有导热液体；第二裸光纤光栅的一端穿过第三环氧树脂伸入金属管内的导热液体处于管腔中，与第四环氧树脂内表面不接触，第二裸光纤光栅另一端处于金属管的管腔外形成第三尾纤，第三尾纤穿过第一不锈钢管的一端与穿过第一不锈钢管同一端的第一尾纤焊接连接。
本发明的光纤光栅应变、温度同时测量传感器，所述光纤光栅应变传感器由第一裸光纤光栅、第二环氧树脂、第二不锈钢管组成；第一裸光纤光栅布置在第二不锈钢管中，所述第二环氧树脂填充在第二不锈钢管中，第一裸光纤光栅的一端从第二不锈钢管的一端穿出并在管腔外形成第一尾纤，第一裸光纤光栅的另一端从第二不锈钢管的另一端穿出并在管腔外形成第二尾纤；
本发明的光纤光栅应变、温度同时测量传感器，第一不锈钢管是带凹槽的矩形不锈钢片。
本发明的光纤光栅应变、温度同时测量传感器，所述金属管的材质为铝。
本发明的光纤光栅应变、温度同时测量传感器，第一不锈钢管的横截面是圆型或者矩形。
有益效果：利用金属管封装的光纤光栅温度传感器的温度测量值对第二不锈钢管封装的光纤光栅应变传感器进行补偿，达到同时测量结构应变和温度变化的效果，具有精度高、传感器集成度高、对结构影响小、抗电磁干扰能力强、长期稳定性好等优点。另外，本发明将封装了光纤光栅的第二不锈钢管和金属管封装在第一不锈钢管中，结构简单，制作安装方便。
附图说明
图1是本发明的结构纵剖面构造示意图；
图2是A-A方向的剖面构造图；
图3是光纤光栅应变传感器14的结构纵剖面构造示意图；
图4是光纤光栅温度传感器15的结构纵剖面构造示意图。
图中有：第一尾纤1；第一不锈钢管2；第一环氧树脂3；第二尾纤4；第三尾纤5；第二不锈钢管6；第二环氧树脂7；第一裸光纤光栅8；第三环氧树脂9；金属管10；第四环氧树脂11；第二裸光纤光栅12，导热液体13。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1～图4所示，本发明的光纤光栅应变、温度同时测量传感器包括第一尾纤1；第一不锈钢管2；第一环氧树脂3；第二尾纤4；第三尾纤5；第二不锈钢管6；第二环氧树脂7；第一裸光纤光栅8；第三环氧树脂9；金属管10；第四环氧树脂11；第二裸光纤光栅12，导热液体13；其中将第二不锈钢管6采用酒精洗净烘干后固定于实验台座，第一裸光纤光栅8的光栅段去除涂敷层并用脱脂棉球蘸酒精擦净后穿过第二不锈钢管6，分别在两端形成第一尾纤1和第二尾纤4，调整实验台座使第一裸光纤光栅8具有一定的预拉应变并保持平直且位于第二不锈钢管6的中心，在第二不锈钢管6中灌入第二环氧树脂7，加热使第二环氧树脂7凝固；将金属管10采用酒精洗净烘干后固定于实验台座，利用第四环氧树脂11将金属管10右端封闭，加热使第四环氧树脂11凝固，在金属管10中灌满导热液体13，第二裸光纤光栅12的光栅段去除涂敷层并用脱脂棉球蘸酒精擦净后剪除右端尾纤，并将第二裸光纤光栅12从左端穿入金属管10并使光纤右端与第四环氧树脂11内表面有一定距离，第二裸光纤光栅12的另一端在金属管10的管腔外形成第三尾纤5，调整实验台座使第二裸光纤光栅12位于金属管中心，利用第三环氧树脂9将金属管10左端封闭，加热使第三环氧树脂9凝固；将第二不锈钢管6封装的第一光纤光栅8和金属管10封装的第二光纤光栅12并排放置于第一不锈钢管2中心，在第一不锈钢管2中灌入第一环氧树脂3，加热使第一环氧树脂3凝固；将第一尾纤1和第三尾纤5在第一不锈钢管2的外部焊接连接。
第二不锈钢管6和金属管10的内径略大于第一裸光纤光栅8的直径、璧厚尽量小，第一不锈钢管2的内径比第二不锈钢管6和金属管10的外径之和略大，第一不锈钢管2的壁厚可以根据结构测试的实际需要进行调整，第一不锈钢管2也可换成带凹槽的矩形不锈钢片。金属管10的材质可为铝或其他金属材料；第一不锈钢管2的横截面也可做成圆型或者矩形。
第一不锈钢管2作为传感器的外部结构，它主要起保护内部结构和将工程结构的应变和温度传递给内部结构的作用；第二不锈钢管6封装的第一裸光纤光栅8构成应变传感器14，金属管10封装的第二裸光纤光栅12构成不受应变影响的温度传感器15，它们是传感器的主体。当结构同时产生应变和温度变化时，第一不锈钢管2通过第一环氧树脂3将应变和温度同时传递给第二不锈钢管6和金属管10。金属管10内部的第二裸光纤光栅12与金属管10内壁分离，可以自由伸缩，不会由于金属管10的应变而产生工作波长漂移，而温度则会通过导热液体13传播至第二裸光纤光栅12而引起其工作波长的漂移，从而通过金属管10封装的第二裸光纤光栅12作为温度传感器14只能测得结构的温度变化。第二不锈钢管6内部的第一裸光纤光栅8通过第二环氧树脂7的传递作用同时感受结构的应变和温度变化，引起第一裸光纤光栅8工作波长漂移而作为应变传感器15。利用温度传感器14的温度测量值对应变传感器15的波长漂移进行补偿，从而得到结构的应变。
Claims (4)
1.一种光纤光栅应变、温度同时测量传感器，其特征在于：该传感器包括光纤光栅应变传感器(14)、光纤光栅温度传感器(15)、第一不锈钢管(2)、第一环氧树脂(3)；其中光纤光栅应变传感器(14)和光纤光栅温度传感器(15)布置在第一不锈钢管(2)管腔中，所述第一环氧树脂(3)填充在第一不锈钢管(2)的管腔中；光纤光栅应变传感器(14)的第一尾纤(1)和第二尾纤(4)分别穿过第一不锈钢管(2)的两端；
所述光纤光栅温度传感器(15)包括第二裸光纤光栅(12)、第三环氧树脂(9)、第四环氧树脂(11)、金属管(10)、导热液体(13)；其中金属管(10)的两端分别用第三环氧树脂(9)、第四环氧树脂(11)封闭，金属管(10)的管腔中封闭有导热液体(13)；第二裸光纤光栅(12)的一端穿过第三环氧树脂(9)伸入金属管(10)内的导热液体(13)处于管腔中，与第四环氧树脂(11)内表面不接触，第二裸光纤光栅(12)另一端处于金属管(10)的管腔外形成第三尾纤(5)，第三尾纤(5)穿过第一不锈钢管(2)的一端与穿过第一不锈钢管(2)同一端的第一尾纤(1)焊接连接；
所述光纤光栅应变传感器(14)由第一裸光纤光栅(8)、第二环氧树脂(7)、第二不锈钢管(6)组成；第一裸光纤光栅(8)布置在第二不锈钢管(6)中，所述第二环氧树脂(7)填充在第二不锈钢管(6)中，第一裸光纤光栅(8)的一端从第二不锈钢管(6)的一端穿出并在管腔外形成第一尾纤(1)，第一裸光纤光栅(8)的另一端从第二不锈钢管(6)的另一端穿出并在管腔外形成第二尾纤(4)。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅应变、温度同时测量传感器，其特征在于：第一不锈钢管(2)是带凹槽的矩形不锈钢片。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅应变、温度同时测量传感器，其特征在于：所述金属管(10)的材质为铝。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅应变、温度同时测量传感器，其特征在于：第一不锈钢管(2)的横截面是圆型或者矩形。
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