CN101915594A - 光纤应力/应变传感器件无胶连接方法 - Google Patents

光纤应力/应变传感器件无胶连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤应力/应变传感器件无胶连接方法，对光纤传感元件表面进行镀膜处理，在光纤传感元件表面形成镀膜处理层，将镀膜处理后的光纤传感元件预固定在待测构件表面，向光纤传感元件、待测构件表面喷射高能气化金属微粒，高能气化金属微粒冷却后形成将光纤传感元件和待测构件表面完全包裹的金属结合体。本发明还公开了按前述方法直接得到的无胶连接的光纤应力/应变传感器。本发明的有益技术效果是：提供了一种无胶连接的光纤应力/应变传感器及其连接方法，摈弃了现有技术中的有机粘接剂，传感器的测量效果和使用寿命得到大幅提高。

Description

光纤应力/应变传感器件无胶连接方法
技术领域
本发明涉及一种光纤传感技术，尤其涉及一种光纤应力/应变传感器件无胶连接方法。
背景技术
光纤应力/应变传感器件利用光纤的固有特性来获取与传输应变/应力信息，具有天然的绝缘及抗电磁干扰能力，特别是制作光纤的二氧化硅材料具有天然的耐腐蚀、长寿命的特点，这使它可以方便有效地用于各种强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中；另外光纤应力/应变传感器还具有纤细性、灵敏性、可组网特性、复用特性等优点，大大优于现有的电学量应变/应力传感器；目前，光纤应力/应变传感器已经在一些重要工程和尖端技术领域中，如航空航天飞行器、潜艇、高速列车、汽车、桥梁等金属/非金属构件的结构检测与监测中，展现出了良好的应用前景。
为了获取结构的应力/应变信息，最直接、简单的方法就是利用环氧类粘接剂将光纤光栅或光纤珐珀等裸光纤器件直接粘贴于被测部位表面，利用固化后的粘接剂作为应力/应变的传递层使裸光纤传感器件与被测构件协同变形，从而实现对被测构件应力/应变的测量；由于光纤纤细质脆、完全不能承受剪切力作用，而这种直接粘贴的方法又完全依赖操作者的技艺与感觉，因此稍有不慎裸光纤传感器件就会遭受破坏，故传感器的实际存活率极低；此外在现场粘接过程中，很难保证施工工艺的一致性，使得粘接胶的涂覆厚度以及沿光纤器件长度方向皆变化不均，导致由此粘接剂形成的应力/应变传递层对结构应变的传递系数成为一个无法确定的随机值，因此即使光纤裸传感器件能够勉强存活，其应变传递测量数据的准确性不高、一致性差。
为了克服前述直接粘贴过程中出现的成活率低、数据一致性差的问题，国内外都采用工厂化批量生产方法生产标准的光纤应力/应变传感器，以提高存活率及一致性，即在工厂内按照标准工艺条件，将光纤应力/应变传感器用环氧类粘接剂固定在金属应变体上、并外加金属基座或保护外壳等，形成一种标准传感器，然后将传感器用焊接或螺栓的方法固定在被测构件表面；这样制作出的传感器及其连接方法，在传感器件的存活率上较直接粘贴的方法有了很大的进步，但在应变传递的准确性、一致性上却几乎没有改进。这种标准化传感器需要经过金属基座、应变体、环氧胶应变等中间环节后，才能将待测构件的应变传递到光纤裸传感器件上，因此传感器的安装固定效果、传感器自身的结构、传感器采用的环氧粘接剂质量等诸多因素皆会影响光纤裸传感器件感知结构应变的精确程度；如果将标准化光纤传感器焊接/螺栓固定在被测结构上，则焊接/栓接的质量影响会应力传递的准确性，而焊点的应力释放、栓接点机械蠕动还会严重影响传感器的数据稳定性；
另外，金属/环氧/二氧化硅介质层之间应力传递，是以环氧粘接剂固化后作为一个中间层的方式实现的，环氧粘接剂作为一种有机粘接剂，其材料特性与金属及光纤传感器有极大差异，故以环氧粘接剂作为力学传递环节的中间层，难以保证金属/环氧/二氧化硅之间精确、有效的应力传递，且环氧粘接剂的长期蠕变特性几乎不可避免，会间接大幅度降低光纤应变/应力传感器的高灵敏度与高稳定度特性。
综合以上，必须在测量环节中尽量避免有机胶的存在，并尽可能减少应力传递环节，才能保证测量结构能够充分发挥光纤应力/应变传感器本身高灵敏、高精度、高稳定的特点。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种光纤应力/应变传感器件无胶连接方法，它包括光纤传感元件和待测构件，其改进在于：对光纤传感元件表面进行镀膜处理，在光纤传感元件表面形成镀膜处理层，将镀膜处理后的光纤传感元件预固定在待测构件表面，向光纤传感元件、待测构件表面喷射高能气化金属微粒，高能气化金属微粒冷却后形成将光纤传感元件和待测构件表面完全包裹的金属结合体。
所述的镀膜处理，是通过化学镀、真空镀膜、磁控溅射或高温挤压成型方法在光纤传感元件外形成镀膜处理层。
所述的镀膜处理层为金属膜层或非金属膜层。
所述的高能气化金属微粒，包括在高温、减压条件下得到的高能气化金属微粒。
所述的喷射，包括采用静电场或压力差方法，对高能气化金属微粒进行定向加速。
本发明还提出了一种基于前述工艺方法的无胶连接的光纤应力/应变传感器，该传感器包括光纤传感元件、镀膜处理层和金属结合体，其中，镀膜处理层包裹在光纤传感元件外表面，镀膜处理层与待测构件表面紧密接触，金属结合体将光纤传感元件和待测构件包裹在一起，使得金属结合体、镀膜处理层和待测构件表面两两之间紧密连接。
本发明的有益技术效果是：提供了一种无胶连接的光纤应力/应变传感器及其连接方法，摈弃了现有技术中的有机粘接剂，使传感器的测量效果和使用寿命得到大幅提高。
附图说明
图1、镀膜处理后的光纤传感元件结构示意图；
图2、金属材料气化处理示意图；
图3、气化金属微粒定向加速喷射示意图；
图4、光纤应力/应变传感器件无胶连接结构示意图；
图5、光纤应力/应变传感器件无胶连接实物图。
具体实施方式
本发明的无胶连接方法，其工艺为：包括光纤传感元件1和待测构件2，对光纤传感元件1表面进行镀膜处理，在光纤传感元件1表面形成镀膜处理层3，将镀膜处理后的光纤传感元件1预固定在待测构件2表面，向光纤传感元件1、待测构件2表面喷射高能气化金属微粒，高能气化金属微粒冷却后形成将光纤传感元件1和待测构件2表面完全包裹的金属结合体4。
其作用原理为：采用前述工艺制作好传感器后，待测构件2的形变被金属结合体4所感知，然后由金属结合体4将形变量传递到镀膜处理层3，再由镀膜处理层3传递到光纤传感元件1并实现测量；本发明的工艺，屏弃了有机粘结剂作为中间传递层的方式，使传感器寿命得到了大幅提高，而且镀膜处理层3和光纤传感元件1之间的接触面积，以及镀膜处理层3和金属结合体4之间的接触面积都十分大，几乎达到全表面接触，这是传感器测量的精确度得到了保证。
所述的镀膜处理，是通过化学镀、真空镀膜、磁控溅射或高温挤压成型方法在光纤传感元件1外形成镀膜处理层3。
所述的镀膜处理层3为金属膜层或非金属膜层。
所述的高能气化金属微粒，包括在高温、减压条件下得到的高能气化金属微粒。
所述的喷射，包括采用静电场或压力差方法，对高能气化金属微粒进行定向加速。采用本发明方法得到的传感器为：该传感器包括光纤传感元件1、镀膜处理层3和金属结合体4，其中，镀膜处理层3包裹在光纤传感元件1外表面，镀膜处理层3与待测构件2表面紧密接触，金属结合体4将光纤传感元件1和待测构件2包裹在一起，使得金属结合体4、镀膜处理层3和待测构件2表面两两之间紧密连接。

Claims (6)

1.一种光纤应力/应变传感器件无胶连接方法，它包括光纤传感元件(1)和待测构件(2)，其特征在于：对光纤传感元件(1)表面进行镀膜处理，在光纤传感元件(1)表面形成镀膜处理层(3)，将镀膜处理后的光纤传感元件(1)预固定在待测构件(2)表面，向光纤传感元件(1)、待测构件(2)表面喷射高能气化金属微粒，高能气化金属微粒冷却后形成将光纤传感元件(1)和待测构件(2)表面完全包裹的金属结合体(4)。
2.根据权利要求1所述的光纤应力/应变传感器件无胶连接方法，其特征在于：所述的镀膜处理，是通过化学镀、真空镀膜、磁控溅射或高温挤压成型方法在光纤传感元件(1)外形成镀膜处理层(3)。
3.根据权利要求1所述的光纤应力/应变传感器件无胶连接方法，其特征在于：所述的镀膜处理层(3)为金属膜层或非金属膜层。
4.根据权利要求1所述的光纤应力/应变传感器件无胶连接方法，其特征在于：所述的高能气化金属微粒，包括在高温、减压条件下得到的高能气化金属微粒。
5.根据权利要求1所述的光纤应力/应变传感器件无胶连接方法，其特征在于：所述的喷射，包括采用静电场或压力差方法，对高能气化金属微粒进行定向加速。
6.一种无胶连接的光纤应力/应变传感器，其特征在于：该传感器包括光纤传感元件(1)、镀膜处理层(3)和金属结合体(4)，其中，镀膜处理层(3)包裹在光纤传感元件(1)外表面，镀膜处理层(3)与待测构件(2)表面紧密接触，金属结合体(4)将光纤传感元件(1)和待测构件(2)包裹在一起，使得金属结合体(4)、镀膜处理层(3)和待测构件(2)表面两两之间紧密连接。
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