CN101963493A - 一种光纤应变敏感结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤应变敏感结构及其制造方法，该光纤应变敏感结构包括顺序固定连接的左光纤固定座、弹簧和右光纤固定座，左光纤固定座开设有左右相通的第一通孔，右光纤固定座开设有左右相通的第二通孔，光纤穿过左光纤固定座的第一通孔、弹簧和右光纤固定座的第二通孔，光纤经过张拉后固定在左、右光纤固定座上，光纤上的光纤应变敏感单元位于弹簧中。本发明的光纤应变敏感结构具有双向拉压应变的特点，且弹性范围大，线性好，耐疲劳，制造方法简单，成本低。

Description

一种光纤应变敏感结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及光纤传感器领域，尤其涉及一种光纤应变敏感结构及其制造方法。

背景技术

光纤传感技术由于其无电工作，本征免电磁干扰，可长距探测以及耐恶劣环境的优点，愈来愈广泛应用于各种工业和军事领域。随着光纤传感技术的发展，作为该技术领域重要角色的各种光纤应变传感器不断出现，但其应变敏感结构主要有以下几种：

一)片式结构，如金属片、胶片、复合材料片等，公开号为CN2550719Y、CN2706738Y、CN2627460Y的专利公开了这种结构。此种结构简单易行，但弹性范围小，线性差，且作为产品或元件，重复检验测试困难。

二)毛细管式结构，如各种金属毛细管、复合材料管等，公开号为CN2549430Y、CN2706739Y、US6047094的专利公开了这种结构。这一结构亦可分为三种：一种是将光纤敏感单元，如光纤光栅直接胶固于毛细管内，与毛细管一同感受应变。其与片式结构一样，弹性范围受限于毛细管材料，一般较小，且线性差。另一种结构是，将光纤敏感单元张拉悬置于毛细管内，光纤两侧胶固定于毛细管内。这一结构线性好，但弹性范围仍受限于毛细管材料。此外公开号为CN1316227C的中国发明专利提出了一种将光纤光栅毛细管应变传感器与弹簧串联构成的位移传感器，其结构若作为应变传感器，弹性范围虽然增大了，但仍受限于毛细管式结构，以及串联引起的非线性误差。第三种结构，如公开号为US6047094的美国专利，采用复合材料将光纤敏感单元包裹其中，弹性范围改善较大，但线性较差。

三)梁式结构，如公开号为US0236559A1的美国专利，公开号为CN2720406Y，CN2705777的中国专利。这一类结构，在弹性范围和线性方面均有所改善，但存在易于疲劳的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何提供一种弹性范围大、线性好、耐疲劳的光纤应变敏感结构及其制造方法。

为解决上述问题，本发明的光纤应变敏感结构包括顺序固定连接的左光纤固定座、弹簧和右光纤固定座，左光纤固定座开设有左右相通的第一通孔，右光纤固定座开设有左右相通的第二通孔，光纤穿过左光纤固定座的第一通孔、弹簧和右光纤固定座的第二通孔，光纤经过张拉后固定在左、右光纤固定座上，光纤上的光纤应变敏感单元位于弹簧中。

进一步的，本发明的光纤应变敏感结构还包括有由光纤穿过并与光纤胶粘的左光纤固定毛细管与右光纤固定毛细管，其中，左光纤固定毛细管安置并固定于左光纤固定座的第一通孔中，右光纤固定毛细管安置并固定于右光纤固定座的第二通孔中。

所述的左光纤固定座通过螺丝固定或胶接固定的方式将左光纤固定毛细管固定于第一通孔中；所述的右光纤固定座通过螺丝固定或胶接固定的方式将右光纤固定毛细管固定于第二通孔中。

在左光纤固定座的第一通孔向外开通有第一螺丝孔，所述的第一螺丝孔与左光纤固定毛细管的位置相对应；在右光纤固定座的第二通孔向外开通有第二螺丝孔，所述的第二螺丝孔与右光纤固定毛细管的位置相对应。

所述的光纤应变敏感单元为光纤光栅、光纤FP或光纤本身。

本发明的光纤应变敏感结构的制造方法为，将具有光纤应变敏感单元的光纤穿过顺序连接成一体的左光纤固定座、弹簧和右光纤固定座，光纤应变敏感单元置于弹簧中，对光纤进行固定、张拉、再固定，制得光纤应变敏感结构。

进一步的，本发明的制造方法为，光纤先穿过左、右光纤固定毛细管，并与左、右光纤固定毛细管胶粘固定后，再穿过顺序连接成一体的左光纤固定座、弹簧、右光纤固定座，使光纤应变敏感单元置于弹簧中、左光纤固定毛细管置于左光纤固定座的第一通孔中、右光纤固定毛细管置于右光纤固定座的第二通孔中，然后对光纤进行固定、张拉、再固定，制得光纤应变敏感结构。

更进一步的，本发明的制造方法的具体步骤包括：

1)将顺序设置的左光纤固定座、弹簧、右光纤固定座固定连接成为一体，形成固定组件；

2)将设置有光纤应变敏感单元的光纤穿过左光纤固定毛细管和右光纤固定毛细管，以注胶方式将光纤与左、右光纤固定毛细管胶粘为一体，形成光纤组件，其中左、右光纤固定毛细管分别位于光纤应变敏感单元的左右两侧；

3)将步骤2)的光纤组件穿过步骤1)的固定组件，使得左光纤固定毛细管位于第一通孔内，右光纤固定毛细管位于第二通孔内，光纤应变敏感单元位于弹簧内；

4)先对其中一个光纤固定座内胶粘了光纤的光纤固定毛细管进行固定，然后对露出另外一个光纤固定座的光纤进行张拉，光纤张拉后，再固定另外一个光纤固定座内的胶粘了光纤的光纤固定毛细管，制得光纤应变敏感结构。

光纤张拉时，将光纤需张拉的一端通过滑轮连接在砝码上，通过砝码因自重下降完成光纤的张拉。或者将光纤需张拉的一端通过人工或机械或电机拉动，来实现光纤的张拉，并通过力传感器或光谱仪或波长计读数控制光纤应变量。

本发明的光纤应变敏感结构由于其中弹簧弹力和张拉光纤回缩力的共同作用而具有双向拉压应变的特点，且弹性范围大，线性好，耐疲劳，制造方法简单。并且由于采用了弹簧这一通用元器件，在提高性能的同时，亦可降低制造成本。因此，可作为多种传感器的敏感元。通过不同的外部适应性设计，应用于不同场合，测试各种参量，如应变、位移、压力等等。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细的描述。

图1为本发明光纤应变敏感结构的结构示意图；

图2为本发明光纤应变敏感结构的制造方法应用的拉张光纤机构示意图；

图中的附图标记说明如下：1.光纤，2.左光纤固定座，3.第一固定螺丝，4.左光纤固定毛细管，5.弹簧，6.光纤应变敏感单元，7.右光纤固定座，8.第二固定螺丝，9.右光纤固定毛细管，11.滑轮，12.砝码，13.第一通孔，14.第二通孔，15.第一螺丝孔，16.第二螺丝孔。

具体实施方式

如图1所示，本发明的光纤应变敏感结构包括：设置有光纤应变敏感单元6的光纤1，顺序设置并且彼此固定连接的左光纤固定座2、弹簧5和右光纤固定座7，左光纤固定座2设置有左右相通的第一通孔13，右光纤固定座7设置有左右相通的第二通孔14。光纤1以注胶方式与套在光纤1上并且分别位于光纤应变敏感单元6左右两侧的左光纤固定毛细管4和右光纤固定毛细管9粘结为一体形成光纤组件。该光纤组件穿过第一通孔13，弹簧5和第二通孔14，使得左光纤固定毛细管4被安置并固定于左光纤固定座2的第一通孔13内，右光纤固定毛细管9被安置并固定于右光纤固定座7的第二通孔14内，光纤应变敏感单元6位于弹簧5内。

左光纤固定座2与左光纤固定毛细管4之间、右光纤固定座7与右光纤固定毛细管9之间，通过螺丝连接或胶粘接方式固定；当采用螺丝连接固定时，左光纤固定座2上设置有连通其第一通孔13并且与左光纤固定毛细管4的位置相对应的第一螺丝孔15和相应的第一固定螺丝3，通过拧紧第一固定螺丝3将左光纤固定毛细管4压紧固定；右光纤固定座7上设置有连通其第二通孔14并且与右光纤固定毛细管9的位置相对应的的第二螺丝孔16和相应的第二固定螺丝8，通过拧紧第二固定螺丝8将右光纤固定毛细管9压紧固定。

左光纤固定座2、弹簧5和右光纤固定座7之间的连接方式为焊接或螺丝连接或胶粘接或上述方式的复合连接。

其中，光纤1可以是单模的或多模的，可以是石英的或是Si的或是多组份的。光纤应变敏感单元6为光纤光栅、光纤FP或光纤本身。弹簧5可以是由圆钢丝或扁钢丝绕制而成，也可以是标准压簧或其他压缩型弹簧或拉簧，且弹簧5的刚度足够抵抗经过张拉的光纤1的张力。左光纤固定毛细管4和右光纤固定毛细管9可以是各种金属的或陶瓷的或玻璃的或金刚石的或宝石的。

本发明光纤应变敏感结构由于其中弹簧弹力和张拉光纤回缩力的共同作用而具有双向拉压应变的特点，且弹性范围大，线性好，耐疲劳。并且由于采用了弹簧这一通用元器件，在提高性能的同时，亦可降低制造成本。因此，可作为多种传感器的敏感元。通过不同的外部适应性设计，应用于不同场合，测试各种参量，如应变、位移、压力等等。

本发明光纤应变敏感结构的制造方法如下：

1、将顺序设置的左光纤固定座2、弹簧5、右光纤固定座7通过焊接或螺接或胶接或复合连接等方式固定连接成为一体，形成固定组件；

2、将设置有光纤应变敏感单元6的光纤1穿过并注胶牢固粘结在左光纤固定毛细管4和右光纤固定毛细管9中，形成光纤组件，其中左光纤固定毛细管4和右光纤固定毛细管9分别位于光纤应变敏感单元6的左右两侧；

3、将上述光纤组件穿过固定组件，保证左光纤固定毛细管4位于第一通孔13内，右光纤固定毛细管9位于第二通孔14内，光纤应变敏感单元6位于弹簧5内；

4、拧紧第一固定螺丝3将左光纤固定毛细管4压紧固定在左光纤固定座2的第一通孔13中。

5、如图2所示，从右光纤固定座7穿出的光纤，通过滑轮11连接在用于吊重的砝码12上，根据吊重与光纤应变的关系，控制达到所需要的光纤预应变量。

6、当光纤应变量达到所需要数值时，拧紧第二固定螺丝8将右光纤固定毛细管9压紧固定在右光纤固定座7的第二通孔14中，从而制成可拉压应变的光纤应变敏感结构。

本发明光纤应变敏感结构制造方法的其它实施例中，左光纤固定毛细管和左光纤固定座、右光纤固定毛细管和右光纤固定座各以胶接方式固定在一起，张拉光纤时不通过砝码，而是通过人工或机械或电机拉动，并通过力传感器或光谱仪或波长计读数控制光纤应变量。

以上所述只是本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则内所作的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光纤应变敏感结构，其特征在于，包括顺序固定连接的左光纤固定座、弹簧和右光纤固定座，左光纤固定座开设有左右相通的第一通孔，右光纤固定座开设有左右相通的第二通孔，光纤穿过左光纤固定座的第一通孔、弹簧和右光纤固定座的第二通孔，光纤经过张拉后固定在左、右光纤固定座上，光纤上的光纤应变敏感单元位于弹簧中。

2.如权利要求1所述的光纤应变敏感结构，其特征在于：还包括有由光纤穿过并与光纤胶粘的左光纤固定毛细管与右光纤固定毛细管，其中，左光纤固定毛细管安置并固定于左光纤固定座的第一通孔中，右光纤固定毛细管安置并固定于右光纤固定座的第二通孔中。

3.如权利要求2所述的光纤应变敏感结构，其特征在于，所述的左光纤固定座通过螺丝固定或胶接固定的方式将左光纤固定毛细管固定于第一通孔中；所述的右光纤固定座通过螺丝固定或胶接固定的方式将右光纤固定毛细管固定于第二通孔中。

4.如权利要求3所述的光纤应变敏感结构，其特征在于，在左光纤固定座的第一通孔向外开通有第一螺丝孔，所述的第一螺丝孔与左光纤固定毛细管的位置相对应；在右光纤固定座的第二通孔向外开通有第二螺丝孔，所述的第二螺丝孔与右光纤固定毛细管的位置相对应。

5.如权利要求1至4任一所述的光纤应变敏感结构，其特征在于，所述的光纤应变敏感单元为光纤光栅、光纤FP或光纤本身。

6.一种如权利要求1至5任一所述的光纤应变敏感结构的制造方法，其特征在于，将具有光纤应变敏感单元的光纤穿过顺序连接成一体的左光纤固定座、弹簧和右光纤固定座，光纤应变敏感单元置于弹簧中，对光纤进行固定、张拉、再固定，制得光纤应变敏感结构。

7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，光纤先穿过左、右光纤固定毛细管，并与左、右光纤固定毛细管胶粘固定后，再穿过顺序连接成一体的左光纤固定座、弹簧、右光纤固定座，使光纤应变敏感单元置于弹簧中、左光纤固定毛细管置于左光纤固定座的第一通孔中、右光纤固定毛细管置于右光纤固定座的第二通孔中，然后对光纤进行固定、张拉、再固定，制得光纤应变敏感结构。

8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，具体步骤包括：

1)将顺序设置的左光纤固定座、弹簧、右光纤固定座固定连接成为一体，形成固定组件；

2)将设置有光纤应变敏感单元的光纤穿过左光纤固定毛细管和右光纤固定毛细管，以注胶方式将光纤与左、右光纤固定毛细管胶粘为一体，形成光纤组件，其中左、右光纤固定毛细管分别位于光纤应变敏感单元的左右两侧；

3)将步骤2)的光纤组件穿过步骤1)的固定组件，使得左光纤固定毛细管位于第一通孔内，右光纤固定毛细管位于第二通孔内，光纤应变敏感单元位于弹簧内；

4)先对其中一个光纤固定座内胶粘了光纤的光纤固定毛细管进行固定，然后对露出另外一个光纤固定座的光纤进行张拉，光纤张拉后，再固定另外一个光纤固定座内的胶粘了光纤的光纤固定毛细管，制得光纤应变敏感结构。

9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，通过滑轮连接在砝码上，通过砝码因自重下降完成光纤的张拉。

10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，光纤张拉时，将光纤需张拉的一端通过人工或机械或电机拉动，并通过力传感器或光谱仪或波长计读数控制光纤应变量。

Images