CN102384805A - 基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，主要是：受监测的弹簧(10)的两端分别与一多圈微弯元件的两端固定在一起，多圈微弯元件可以由多种结构构成，这以曲线型壳体(4)为例说明：在曲线型壳体(4)内部的相对两侧布设有多个变形齿，两侧变形齿间夹持有信号光纤(6)。弹簧(10)在应力作用下长度变化，从而使两端与弹簧(10)固定在一起的曲线型壳体(4)长度变化，引发其内部相对两侧变形齿间的位置变化，使信号光纤(6)的弯曲曲率变化，从而改变了信号光纤(6)的微弯损耗，测试单元(5)检测到该微弯损耗变化并由处理单元(7)计算出弹簧(10)应力的大小。本装置精度高、成本低，具有广阔的前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种应力监测装置，更确切地说，涉及一种基于光纤弯曲损耗变化来检测弹簧应力的装置。
背景技术
弹簧是工业、人们生活中最常用的零件之一，其用途和种类非常多，但在多数情况下，我们只能通过模拟的方式获得弹簧受到的应力大小，虽然有电子式的数字化方式，如依靠应变片来测试，但在易燃易爆强电磁干扰及远距离监测等条件下的使用受到限制。
中国专利申请号为200910032860.2的《分布式光纤大变形测量传感器》的专利，提出了一种在监测大变形的弹簧丝上安置有光纤、并通过布里渊散射光时域反射计(BOTDR)来监测光纤应力变化的方案，其优点是可以进行远距离、分布式、大形变进行监测，并可抗电磁干扰，但缺点也比较突出，布里渊散射光时域反射计(BOTDR)是一种价格较高的精密设备，动辄几十万、上百万元的价格限制了该光纤传感器的使用范围。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，其结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、应用范围广，并且在整个生产、使用、维护过程中成本均较低。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，其特征在于：受监测的弹簧10的两端分别与一多圈微弯元件的两端分别固定在一起，多圈微弯元件内包含有信号光纤6，信号光纤6通过延长光纤1接测试单元5，测试单元5后接处理单元7。
所述的多圈微弯元件的一端与一辅助弹簧15连接，受监测的弹簧10的两端分别与多圈微弯元件和辅助弹簧15的另一端固定在一起。
所述的受监测的弹簧10的两端固定有上基板23和下基板24。
所述的多圈微弯元件的两端分别通过上基板23和下基板24与受监测的弹簧10的两端固定在一起。
所述的与多圈微弯元件有一端固定在一起的辅助弹簧15的另一端和多圈微弯元件的另一端分别通过上基板23和下基板24与受监测的弹簧10的两端固定在一起。
所述的多圈微弯元件是由单层的平板锯齿型微弯元件构成，即两块锯齿板18构成。
所述的多圈微弯元件是由单层的平板锯齿型微弯元件构成，且所述的信号光纤6以螺旋盘绕的方式形成多圈结构并夹持于平板锯齿型微弯元件中。
所述的多圈微弯元件是由两层或两层以上的平板锯齿型微弯元件构成，即由三块或三块以上的锯齿板18构成。
所述的多圈型微弯元件是由一个曲线型壳体4构成，布设在所述的曲线型壳体4内部相对两侧的多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2，所述的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2呈交错布设，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2对应布设在信号光纤6的两侧。
所述的多圈型微弯元件是由一个弹簧型的、在相邻两圈弹簧丝8上布设有相互交错对应变形齿的微弯元件构成，两列变形齿间夹有信号光纤6。
所述的多圈型微弯元件是由一个波纹管20构成，在波纹管20的管壁2的内凹处的相对两个侧面上安置有多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2，所述的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2呈交错布设，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2对应布设在信号光纤6的两侧。
位于所述的多圈微弯元件中的信号光纤6的一端安置有光反射装置46，如反射镜或光纤光栅。
所述的信号光纤6的另一端与1X2分路器45的1口连接，1X2分路器45的2口与测试单元5的连接。
二个或二个以上的多圈型微弯元件中的信号光纤6串联在一根光纤。在任意两个多圈型微弯元件之间安置有光反射装置46，优选的做法是低反射损耗的反射镜或光纤光栅。
这里选取由曲线型壳体4构成的多圈微弯元件举例说明，当受监测的弹簧10应力变化时，辅助弹簧15和曲线型壳体4的长度也发生了变化，曲线型壳体4的长度变化导致曲线型壳体4内的相对两侧的变形齿之间的距离改变，这样使夹持在相对两侧变形齿间信号光纤6的弯曲曲率变化，测试单元5通过检测信号光纤6内部传输光信号功率的变化获取曲线型壳体4的长度变化，测试单元5将检测到的信号传递给处理单元7，处理单元7计算出受监测的弹簧10应力变化情况。
所述的上基板23和下基板24上分别固定有上护筒28和下护筒29。
所述的下基板上安置有调整螺杆50
所述的多圈型微弯元件内部填充有阻水油膏。
所述信号光纤6为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤6也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，具有结构简单、设计合理、使用方式灵活、灵敏度高；
2、本发明的基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，因基于光纤微弯损耗原理，使本装置具有抗电磁干扰、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、可远距离检测、便于复用组网等诸多优点；
3、本发明的基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，由于可以采用的光源-光功率法测试，从而可以大幅度降低测试单元5的成本，从而使本装置的整体成本大幅度降低，使本装置具有广阔的使用范围。
4、本发明的基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，也可以使用光时域反射计(简称OTDR)构成测试单元5，检测串联在一根光纤上的多个包含在多圈微弯元件(如曲线型壳体4)中的信号光纤6的状态，从而可以低成本、高效的完成多个不同点的弹簧10应力的监测，使该装置在泥石流、滑坡、水坝、铁路或公路路基等方面的监测能以较低的成本来实现。
综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，并具有成本低、可以远距离分布式检测、易组网复用等优点，使本发明的装置具有良好的使用前景。
下面通过附图和实施例，对发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明第一具体实施方式的结构示意图。
图2为本发明第一具体实施方式中曲线型壳体4的横截面结构示意图。
图3为本发明第二具体实施方式的结构示意图。
图4为本发明第二具体实施方式中弹簧丝8及其变形齿、信号光纤6的局部横截面结构示意图。
图5为本发明第三具体实施方式的结构示意图。
图6为本发明第四具体实施方式的结构示意图。
图7为本发明第四具体实施方式中波纹管20的局部横剖面结构示意图。。
图8为本发明第五具体实施方式的结构示意图。
图9为本发明第六具体实施方式的结构示意图。
图10为本发明第七具体实施方式的结构示意图。
附图标记说明：
| 1-延长光纤； | 2-管壁； | 4-曲线型壳体； |
| 5-测试单元； | 6-信号光纤； | 7-处理单元； |
| 8-弹簧丝； | 10-弹簧； | 15-辅助弹簧； |
| 17-平垫圈； | 18-锯齿板； | 20-波纹管； |
| 23-上基板； | 24-下基板； | 28-上护筒； |
| 29-下护筒； | 30-导轨； | 31-导槽； |
| 45-1X2光分路器； | 46-光反射装置； | 4-1-A侧变形齿； |
| 4-2-B侧变形齿； | 50-调整螺杆。 |
具体实施方式
实施例1
如图1、图2所示，本实施例中，多圈微弯元件是由曲线型壳体4构成，受监测的弹簧10的两端固定有上基板23和下基板24，一辅助弹簧15的一端固定于上基板23上，曲线型壳体4的一端固定于下基板24上，辅助弹簧15和曲线型壳体4的另一端共同固定于平垫圈17处，布设在所述的曲线型壳体4内部相对两侧的多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2，所述的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2呈交错布设，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2对应布设在信号光纤6的两侧，信号光纤6通过延长光纤1接测试单元5，测试单元5后接处理单元7。
当受监测的弹簧10应力变化时，弹簧10的长度就会变化，使辅助弹簧15和曲线型壳体4的长度也发生了变化，曲线型壳体4的长度变化导致曲线型壳体4内的相对两侧的变形齿之间的距离改变，这样使夹持在相对两侧变形齿间信号光纤6的弯曲曲率变化，测试单元5通过检测信号光纤6内部传输光信号功率的变化获取曲线型壳体4的长度变化，测试单元5将检测到的信号传递给处理单元7，处理单元7计算出受监测的弹簧10长度和应力变化情况。
所述的曲线型壳体4的横截面优选的做法是一个封闭的环形，这样可以防止环境对信号光纤6的侵蚀，同时，在封闭的曲线型壳体4中可填充阻水油膏，来延长信号光纤6的使用寿命。
所述信号光纤6为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤6也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤。
实施例2
如图3、图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是：多圈微弯元件是由一个弹簧型的相邻两圈弹簧丝8上有相互交错对应变形齿的元件构成，两列变形齿间夹有信号光纤6。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
实施例3
如图5所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述的信号光纤6夹持在两锯齿板18之间，在下基板24上安置有调整螺杆50，上基板23通过辅助弹簧15与锯齿板18接触，通过改变调整螺杆50可以改变辅助弹簧15的长度以及两锯齿板18之间的压紧力，通常用于本测试装置的初始状态以及修正测试结果时使用。弹簧10在应力变化下其长度变化，辅助弹簧15的长度就变化，从而使两锯齿板18之间的压紧力变化，两锯齿板18之间的距离也就变化，使信号光纤6的弯曲曲率变化，测试单元5检测到该变化，并传递给处理单元7，处理单元7计算出上基板23与下基板24之间距离的变化，从而获取弹簧10长度及应力的变化。
信号光纤6可以以螺旋盘绕的方式敷设于两锯齿板18之间，延长信号光纤6的有效长度，提高测试的精度。
当然也可以由三个或三个以上的锯齿板18构成两层或两层以上的微弯结构，延长信号光纤6的有效长度，提高检测的精度。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
实施例4
如图6、图7所示，本实施例中，与实施例1不同的是：在下基板24上安置有调整螺杆50，多圈微弯元件是由一个波纹管20构成，通过改变调整螺杆50可以改变辅助弹簧15的长度以及波纹管20的长度，在波纹管20的管壁2上的凹处的相对两个面上分别布设有多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2，所述的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2呈交错布设，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2对应布设在信号光纤6的两侧。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
实施例5
如图8所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述的信号光纤6的一端安置有光反射装置46，信号光纤6的另一端通过延长光纤1连接一1X2光分路器45的1口，1X2光分路器45的2口接测试单元5。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
实施例6
如图9所示，本实施例中，与实施例1不同的是：上基板23和下基板24分别由上护筒28和下护筒29代替，其中上护筒28表面上有导轨30与下护筒29的导槽31是滑动配合，这样可以防止外界环境的干扰侵蚀，也可防止上护筒28和下护筒29的相对旋转造成的扭转力影响测试结果。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
实施例7
如图10所示，本实施例中，与实施例1不同的是：有两个曲线型壳体4中的信号光纤6通过延长光纤1串联在一起，形成准分布式光纤传感系统，在两个曲线型壳体4中之间的延长光纤1上安置有光反射装置46，如光纤光栅，当然优选的做法是选用低反射率的布拉格光纤光栅。这时测试单元5的优选是使用光时域反射计(OTDR)，通过光时域反射计的测试曲线可以得到任意一个弹簧10的应力变化，进一步的可以通过测量光反射装置46的光反射高度反应出该光反射装置46前面的弹簧10的应力变化，从而进一步提高测试精度。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (12)
1.基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，其特征在于：受监测的弹簧(10)的两端分别与一多圈微弯元件的两端分别固定在一起，多圈微弯元件内包含有信号光纤(6)，信号光纤(6)通过延长光纤(1)接测试单元(5)，测试单元(5)后接处理单元(7)。
2.按照权利要求1所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，其特征在于：所述的多圈微弯元件的一端与一辅助弹簧(15)的一端连接，受监测的弹簧(10)的两端分别与多圈微弯元件和辅助弹簧(15)的另一端固定在一起。
3.按照权利要求1或2所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，其特征在于：所述的受监测的弹簧(10)的两端固定在上基板(23)和下基板(24)。
4.按照权利要求1至3所述的任意一项基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，其特征在于：所述的多圈微弯元件是由单层的平板锯齿型微弯元件构成，即两块锯齿板(18)构成。
5.按照权利要求4所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，其特征在于：所述的信号光纤(6)以螺旋盘绕的方式形成多圈结构并夹持于平板锯齿型微弯元件中。
6.按照权利要求1至3所述的任意一项基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，其特征在于：所述的多圈微弯元件是由两层或两层以上的平板锯齿型微弯元件构成，即由三块或三块以上的锯齿板(18)构成。
7.按照权利要求1至3所述的任意一项基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，其特征在于：所述的多圈型微弯元件是由一个曲线型壳体(4)构成，布设在所述的曲线型壳体(4)内部相对两侧的多个A侧变形齿(4-1)和多个B侧变形齿(4-2)，所述的A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)呈交错布设，A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)对应布设在信号光纤(6)的两侧。
8.按照权利要求1至3所述的任意一项基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，其特征在于：所述的多圈型微弯元件是由一个弹簧型的、在相邻两圈弹簧丝(8)上布设有相互交错对应变形齿的微弯元件构成，两列变形齿间夹有信号光纤(6)。
9.按照权利要求1至3所述的任意一项基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，其特征在于：所述的多圈型微弯元件是由一个波纹管(20)构成，在波纹管(20)的管壁(2)的内凹处的相对两个侧面上安置有多个A侧变形齿(4-1)和多个B侧变形齿(4-2)，所述的A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)呈交错布设，A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)对应布设在信号光纤(6)的两侧。
10.按照权利要求1至3所述的任意一项基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，其特征在于：位于所述的多圈微弯元件中的信号光纤(6)的一端安置有光反射装置(46)。
11.按照权利要求10所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，其特征在于：所述的信号光纤(6)的另一端与1X2分路器(45)的1口连接，1X2分路器(45)的2口与测试单元(5)的连接。
12.按照权利要求1至3所述的任意一项基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置，其特征在于：二个或二个以上的多圈型微弯元件中的信号光纤(6)串联在一根光纤。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN2010102762321A CN102384805A (zh) | 2010-08-27 | 2010-08-27 | 基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置 |
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| CN2010102762321A CN102384805A (zh) | 2010-08-27 | 2010-08-27 | 基于光纤弯曲损耗的弹簧应力监测装置 |
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Country Status (1)
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| CN (1) | CN102384805A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103076122A (zh) * | 2013-01-14 | 2013-05-01 | 温州大学 | 螺旋弹簧表面主应力测量方法与装置 |
| CN104390600A (zh) * | 2014-11-19 | 2015-03-04 | 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 | 一种用于大变形柔性结构的应变传感器的设计方法 |
| CN106500823A (zh) * | 2016-12-05 | 2017-03-15 | 华南理工大学 | 基于细径多模光纤实现高灵敏度分布式声波传感的装置 |
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2010
- 2010-08-27 CN CN2010102762321A patent/CN102384805A/zh active Pending
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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Application publication date: 20120321 |