CN101701860A - 一种光纤光栅冰力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有较好稳定性的接触式光纤光栅冰力传感器，属于传感技术领域。其特征是由金属底板、金属保护壳、金属受力面板、夹持片、等强度梁、微型光纤光栅应变传感器以及传输光缆构件组成接触式光纤光栅冰力传感器。该传感器通过金属底板安装在结构上，夹持片通过螺丝将微型光纤光栅应变传感器固定在等强度梁上，金属受力面板可以根据施力结构的不同而更换不同的形状；此外，传感器的测量灵敏度可以根据实际需求通过改变器件尺寸进行调整，能够适用于不同种类的模型试验。该冰力传感器通过测量应变间接地测量冰压力，利用光纤光栅自身的性质提高了传感器的压力灵敏度系数，不受材料的影响。本发明可以很好的消除偏心受力对测量值的影响，并可以实现温度自补偿；同时克服了传统电类传感器易受电磁干扰、长期稳定性差等缺点，具有精度高、体积小、质量轻，对结构自身的性质影响小等优点。

Description

一种光纤光栅冰力传感器

技术领域

本发明属于基于传感技术的压力测量工具领域，涉及到一种基于光纤光栅技术的冰压力传感器。

背景技术

光纤光栅是20世纪90年代发展起来的一种新型全光纤无源器件，光纤光栅传感器是用光纤光栅制成的一种新型传感器，通过检测写入光纤内部的光栅反射或透射布拉格波长光谱，实现被测结构的应力、应变和温度量值的绝对测量。由于光纤传感器具有常规监测技术不可比拟的诸多优点，如抗电磁干扰、灵敏度高、体积小和结构简单等，同时能实现“传”和“感”的合二为一。因此，近年来它在许多工程结构健康监测中得到了广泛应用。

目前，基于光纤技术的冰压力传感器研究主要适合海洋平台以及类似原型结构的冰压力测试，标定时采取的是冰压力与等强度梁梁端位移之间的关系，二者之间的关系相对于冰压力与应变之间的表达式来说显得有些复杂，不便于应用；此外，其体积和尺寸均较大，重量也不轻，应用起来不是很方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种通过测量应变间接测量压力的光纤光栅冰力传感器，该传感器能够对冰激桥墩振动室内模型试验中的动冰力进行有效测量；与光纤光栅对压力的灵敏度低相反，光纤光栅对应变十分敏感。该传感器利用光纤光栅自身的性质提高了传感器的压力灵敏度系数，不受材料的影响；同时传感器的测量灵敏度可以根据实际需求通过改变器件尺寸进行调整，能够适用于不同种类的模型试验。

本发明的技术方案如下：

首先根据光纤光栅的工作原理可知，光纤光栅的波长变化Δλ为波长变化与应变ε的关系为下列式(1)：

Δλ＝K_ε·ε

该(1)式中，K_ε为光纤光栅应变传感灵敏度系数。对于纤芯是纯石英的光纤情况，中心波长为1550nm附近的光纤光栅，K_ε约等于1.2pm/με。其次根据材料力学，对于等强度梁如图1所示，梁上各个截面的应变与外力的关系为下列式(2)：

$F=\frac{{\mathrm{Bh}}^{2}E}{6L}\mathrm{\ϵ}$

该(2)式中L为等强度梁的长度，E为梁的弹性模量，B为梁中最大截面的宽度，h为梁的厚度，由式(2)可以看出，只要保证梁的尺寸不变，则应变ε是一定值。令

则式(2)可写下列式(3)F＝Kε；由(3)式可以看出，梁端压力与梁轴线应变呈线性关系，故可以采用光纤光栅传感器测应变的方法测量压力。

在应变测量方面，采用对光纤光栅进行两端夹持的封装方式，这种封装方式可以通过调整两端固定支点的距离L_Δ，两端夹持部件内侧端点间距L_f之间的比值关系来改变传感器的灵敏度系数。在整个传感器的结构中，夹持部件的应变可以忽略。固定支点之间的变形量几乎全部加载在光纤上。对于中心波长处于1550nm波段的光纤光栅，传感器中心波长变化与外界应变的关系为下列(4)式：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{L_f}{L_{\mathrm{\Δ}}}{\mathrm{\ϵ}}_f=\frac{L_f\mathrm{\Δ\λ}}{{1.2L}_{\mathrm{\Δ}}};$

将(4)式带入式(2)中，可得式(5)：

$F=\frac{{\mathrm{KL}}_f}{1.2L_{\mathrm{\Δ}}}\mathrm{\Δ\λ}=K_f\mathrm{\Δ\λ};$

其中，

当K_f一定时，光纤光栅的波长变化Δλ与外界压力F成线性关系，且可以通过调整L_f与L_Δ的比值，可以改变传感器的压力测量灵敏度。根据上述原理，利用本发明的光纤光栅冰力传感器，便可用于监测外界对结构正面的压力。

这种传感器通过对等强度梁的应变进行测量进而测得梁端压力，其改进方法是在悬臂梁的上下各布置一个夹持光纤光栅应变传感器的方式，来实现对冰力传感器进行温度补偿；同时采用双悬臂梁的形式来消除力矩的影响，用两个相同的悬臂梁作为变形构件，受力面板用螺栓同时固定于两个悬臂梁之上，由于采用螺栓连接，螺栓和悬臂梁之间可以发生微小变形，因此将受力面板与两个悬臂梁之间视为简支连接。

本实用新型的效果和益处是提供了一种造价较低，结构简单、精度高、具有较好稳定性的接触式光纤光栅冰压力传感器，该传感器通过金属底板安装在结构上，金属受力面板可以根据施力结构的不同而更换不同的形状。该冰压力传感器通过测量应变间接地测量冰压力，利用光纤光栅自身的性质提高了传感器的压力灵敏度系数，不受材料的影响，可以根据实际需求通过改变器件尺寸进行调整，能够适用于不同种类的模型试验。此外，本实用新型可以很好的消除偏心受力对测量值的影响，并可以实现温度自补偿；同时克服了传统电类传感器易受电磁干扰、长期稳定性差等缺点，具有精度高、体积小、质量轻，对结构自身的性质影响小等优点。

附图说明

图1(a)是悬臂梁整体受力图。

图1(b)是悬臂梁截面尺寸图。

图1(c)是悬臂梁截面受力图。

图2是光纤光栅冰力传感器结构设计图。

图3是光纤光栅冰力传感器件剖面示意图。

图中：1光纤；2光纤光栅；3夹持部件；4封装部件；5固定支座；6 0.8mm钢管A；7 1.0mm钢管；8光纤光栅；9 0.8mm钢管B；10光纤。

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具体实施例。

实施例1

本发明的光纤光栅冰力传感器封装结构的示意图分别如图2和图3所示。光纤光栅传感器的封装结构包括金属底板、金属保护壳、金属受力面板、夹持片、等强度梁、微型光纤光栅应变传感器以及传输光缆。传感器可以通过金属底板安装在结构上，夹持片通过螺丝将微型光纤光栅应变传感器固定在等强度梁上，金属受力面板可以根据施力结构的不同而更换不同的形状。

该光纤光栅冰力传感器由光纤光栅2、封装部件4、夹持部件3和固定支座5组成；将光纤光栅2两端采用胶接的方法固定于封装部件4内，然后将封装部件4分别置于夹持部件3内，并使用胶粘剂粘接封装部件4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与固定支座5连接；

上述的光纤光栅制作封装如下：使用光纤涂敷机对光纤光栅8部位进行涂敷，并将其两端分别置于钢管6和钢管9中，然后使用精密光纤调整架将光纤光栅8的位置调整到中央部位，进而灌入环氧树脂胶，在钢管6和9外部安装钢管7，待环氧树脂胶固化后完成封装。

Claims (2)

1.根据权利要求1所述的一种光纤光栅冰力传感器，其特征在于：该光纤光栅冰力传感器由光纤光栅(2)、封装部件(4)、夹持部件(3)和固定支座(5)组成；将光纤光栅(2)两端采用胶接的方法固定于封装部件(4)内，然后将封装部件(4)分别置于夹持部件(3)内，并使用胶粘剂粘接封装部件(4)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)与固定支座(5)连接；

所述的光纤光栅制作封装如下：使用光纤涂敷机对光纤光栅(8)部位进行涂敷，并将其两端分别置于钢管(6)和钢管(9)中，然后使用精密光纤调整架将光纤光栅(8)的位置调整到中央部位，进而灌入环氧树脂胶，在钢管(6)和(9)外部安装钢管(7)，待环氧树脂胶固化后完成封装。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅冰力传感器，其特征还在于：

在悬臂梁的上下各布置一个夹持光纤光栅应变传感器，实现对冰力传感器进行温度补偿；同时采用双悬臂梁消除力矩的影响，用两个相同的悬臂梁作为变形构件，受力面板用螺栓同时固定于两个悬臂梁之上。

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