CN102519381A - 微弯式强度调制型光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用来测量路桥、机械长臂等物体受载变形状况，采用微弯式光强度调制原理的光纤传感器。本传感器中的核心部分是一个微弯器，微弯器采用了不等高齿顶与双排挤压齿设计，前项避免了传感器装配与工作时因纤芯拉伸而引起的断裂，后项在不增大体积的情况下保证了有效齿的数量，从而保证了传感器的灵敏度。光纤长度的补偿是由补偿弹簧装置实现，而整体装配则是由定位片来保证。该传感器结构简单、体积小、重量轻、抗干扰能力强、测量灵敏度较高、稳定性较好，且价格低廉。

Description

微弯式强度调制型光纤传感器

所属技术领域

本发明是一种用来测量路桥、机械长臂等物体受载变形状况的光纤传感器。

背景技术

当今社会已进入了以光电技术与传感技术为主要特征的信息时代，光纤传感技术代表新一代传感器的发展趋势，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。

与传统的传感器相比，光纤传感器具有不受电磁场干扰，传输信号安全，可实现非接触测量，高灵敏度，高精度，适于各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用方便等优点。

当今，我国的公路交通迅猛发展，路桥的数量不断增加，这使得路桥的状态监测和维护越来越成为一项繁重复杂的工作。以往我们测量路桥受载情况，采用的是传统的应力传感器，如专利号为02289947.2的高精度钢弦式压力传感器，该类传感器往往精度不够高，对工作环境要求较高，因而适用范围小。

发明内容

本发明为微弯式光强度调制传感器，即根据光纤在机械强力作用下光传输时的能量损耗规律，外界待测信号按照一定的方式使光纤产生微弯，从而对光强进行调制，再通过测量输出光强的变化(解调)实现对外界信号的测量。

微弯式强度调制型光纤传感器实现的技术难点在于：

1.在光纤产生微弯时所产生的微弯损耗随光纤弯曲半径减小而增大，为了提高测量灵敏度，应尽量减小光纤弯曲半径且使光纤产生连续弯曲。因此光纤在微弯器中需要一定的长度，即微弯器中齿数应保持一定的数量，这无疑会加大传感器的体积；

2.根据试验数据得知，传感器装配时光纤在微弯器中应有一定的预弯量。由于微弯器的齿数较多，光纤在预弯与工作时微弯器的齿间距越来越小，致使微弯器中的光纤长度需要量增大，而光纤在挤压作用下与微弯器的齿面会产生非常大的摩擦阻力，动弹不得。同时微弯器中的光纤也会产生非常大的轴向拉应力，在光纤长度得不到补偿时极易断裂；

3.传感器的整体装配性也是微弯式强度调制型光纤传感器实现的技术难点之一。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1.微弯器采用了双排挤压齿同时参与工作，既能满足微弯器应具有一定工作齿数的要求，又不致于因微弯器尺寸过大造成整个传感器体积庞大。

2.微弯器采用了不等高齿顶设计，中间齿顶高而两边齿顶逐渐降低，在微弯器的中间齿间距变小时两边有较大的齿间距使光纤长度得到补偿。

3.光纤长度补偿时，一端采用了补偿弹簧装置，保证此端有足够的光纤补偿长度，另一端是传感器的光纤出线端，已储备了较大的自然长度。

4.本发明充分考虑了传感器的整体装配性。整体装配前，先将补偿弹簧与定位片固定在微弯器下片上，再将光纤穿绕补偿弹簧与定位片，同时横跨定位片两边的齿面后直至微弯器下片一侧的出线口，即完成传感器核心部分的装配，此过程可视性好。然后将此部分装入套筒内，再装上微弯器上片即完成了传感器整体的装配。

5.此传感器是一端出线(两个线头)，便于包装、携带、安装与操作。

本发明的有益效果是所提供的微弯式光纤传感器结构简单、体积小、重量轻、抗干扰能力强、测量精度较高、稳定性较好，价格低廉，适于测量载重车辆)对路桥的冲击引起的路桥形变以及工业生产过程中设备构件的应力变化。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：微弯式强度调制型光纤传感器装配图

图2：微弯器下片三视图

图3：定位片主视图

图4：补偿弹簧主视图

其中：

1——弹性套筒      2——微弯器上片    3——去护套光纤

4——微弯器下片    5——带护套光纤    6——定位片    7——补偿弹簧

具体实施方式

本传感器由三部分组成：弹性元件、微弯器及光纤长度补偿装置。

弹性元件可分为弹性支撑元件和弹性敏感元件，弹性支撑元件只起传力受力作用，其形变量不记入有效形变中，而弹性敏感元件不但起到传力受力作用，而且它们的形变是有效形变。本设计中采用了后者，由套筒1作为弹性敏感元件，它不但起到传力受力作用，而且它的形变是有效形变。

微弯器由微弯器上片2与微弯器下片4构成。为了保证微弯器既能满足一定工作齿数的要求，又不致尺寸过大，所以采用了双排挤压齿同时参与工作。为了避免光纤被挤压时发生拉断并能有效地得到长度补偿，采用了不等高齿顶设计，中间齿顶高而两边齿顶逐渐降低，在微弯器的中间齿间距变小时两边有较大的齿间距使光纤长度得到补偿。

定位片6有两个作用，主要作用是定位，一是传感器整体装配时能使微弯器上片2与微弯器下片4准确对位，二是在安装光纤时防止光纤的相互缠绕，起到分隔两边光纤的作用，即光纤的定位。定位片6的辅助作用是利用定位片6的下端卡住补偿弹簧7的固定端。

补偿弹簧7有两个，均为扭簧，分别安装在微弯器下片4的左右两个壁孔中，固定端由定位片6的下端卡住，作用端呈钩形，勾住环形光纤环形的封闭部分。

一般情况下光纤是带外层护套一起工作的，为了保证传感器的灵敏度，用于微弯式传感器时被挤压部分的光纤时需要去掉外层护套，所以装在传感器密封腔内的光纤部分是裸光纤。

该光纤传感器的工作过程如下：

如图1所示，微弯式光纤传感器装配并标定好后，如果测量对象是桥梁某段，先将传感器平行于公路桥面埋入路面之下(或其它待测物体中)，传感器中心线与公路伸展方向一致。检测前将传感器的任一端(带光纤连接器)连接到光功率计的激光发射口，另一端(带光纤连接器)连接到光功率计的激光入射口，启动光功率计并调整至测试状态，记录下原始值(或标定值)。

当载重车辆在该路面上行驶时，路面会产生相应的形变，这样就会使传感器处于受压(或受拉)状态，因而弹性敏感元件(套筒1)就会被纵向压缩(或拉伸)，从而导致传感器中微弯器的齿间距发生变化，是光纤产生微弯，最终反映的是光功率计上的光强数字发生变化，最后将读出值与记录的原始值(或标定值)进行比较和换算就可以测得路桥受载的形变大小。

Claims (6)

1.一种微弯式强度调制光纤传感器，在套筒(敏感弹性元件)中通过定位片安装微弯器的上下片、光纤以及光纤长度的补偿装置。其特征是：微弯器采用了不等高齿顶与双排挤压齿设计，补偿弹簧实现光纤长度的补偿，并用定位片完成整体装配，此传感器是一端出线。

2.根据权利要求1所属的微弯式强度调制光纤传感器，其特征是微弯器采用了双排挤压齿同时参与工作，既能满足微弯器应具有一定工作齿数的要求，又不致于因微弯器尺寸过大造成整个传感器体积庞大。

3.根据权利要求1所属的微弯式强度调制光纤传感器，其特征是微弯器采用了不等高齿顶设计，中间齿顶高而两边齿顶逐渐降低，在微弯器的中间齿间距变小时两边有较大的齿间距使光纤长度得到补偿。

4.根据权利要求1所属的微弯式强度调制光纤传感器，其特征是光纤长度补偿时一端采用了补偿弹簧装置，保证此端有足够的光纤补偿长度，另一端是传感器的光纤出线端，已储备了较大的自然长度。

5.根据权利要求1所属的微弯式强度调制光纤传感器，其特征是此发明充分考虑了传感器的整体装配性。整体装配前，先将补偿弹簧与定位片固定在微弯器下片上，再将光纤穿绕补偿弹簧与定位片，同时横跨定位片两边的齿面后直至微弯器下片一侧的出线口，即完成传感器核心部分的装配，此过程可视性好。然后将此部分装入套筒内，再装上微弯器上片即完成了传感器整体的装配。

6.根据权利要求1所属的微弯式强度调制光纤传感器，其特征是此传感器是一端出线(两个线头)，便于包装、携带、安装与操作。 

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