CN103438817B - 实现精确测量金属应力应变的光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，包括应变弹性梁，应变弹性梁具有第一测量固定端和第二测量固定端，第一测量固定端和第二测量固定端的连线与光纤的轴线相互垂直。采用了该结构的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，改变了传统胶粘方式导致的蠕变，提高了零点的长期稳定性；安装在被测金属结构体上的光纤的输出几乎不受环境温度变化的影响，无需借助任何额外的测温传感器进行二次补偿；光纤的横向灵敏度降低，使得光纤只对应变弹性梁测量方向的应变敏感，保证光纤具有良好的应变测量单一方向性；应变弹性梁直接与被测金属结构体焊接的工艺也保证了应变传递界面的刚度，消除了应变传递界面自身的蠕变及非线性变形。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤测量设备技术领域，具体是指一种实现精确测量金属应力应变的光纤传感器。
背景技术
光纤传感技术是20世纪70年代末兴起的一项技术,光纤传感器由于其优越的性能而备受青睐,其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点,并可以构成传感网络。先进的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级,可以测量压力、温度、应力(应变)、磁场、折射率、形变、微震动、微位移、声压等,已经实现的可用光纤传感技术测量的物理量已达70多种。
进入21世纪后，光纤传感技术得到了快速发展和普遍应用。其中，金属结构的应力应变精确测量，是光纤传感技术的最主要应用之一，如钢结构安全监测预警、金属材料力学性能测试、交通工具和飞行器气动力特性预测、荷载称重等等，然而，由于光纤特别纤细(直径通常不超过1mm)，其主要成分是SiO2，因此特别脆弱，尤其它的抗剪能力很差，直接将其用于实际工程无法满足工程结构的粗放施工要求和野外恶劣环境的长期耐久性要求，因此，需要设计合理的封装结构，首先将光纤封装固定在弹性基底上构成应变传感器，可以逐一检测和校准其温度特性及应变测量性能，并便于包装、运输、现场安装使用；然后在工程使用现场，再将应变传感器安装固定在被测的金属结构体的合适部位，实现对被金属结构体上监测部位的应力应变精确测量。由此，光纤与弹性基底之间，以及构成应变传感器后与被测金属结构体之间就存在多个应变传递界面，传递界面自身的蠕变或非线性变形会极大影响应变测量的精度和长期稳定性，而且使得应变测量输出受温度影响产生的热输出变化量更大(金属结构的热胀系数以及粘接胶的热胀系数通常远远高于光纤自身的热胀系数)、线性度和重复性更差，温度效应难以精确消除。
因此，为了提高对金属结构体应力应变的测量精度，就必须实现光纤与弹性基底之间以及构成应变传感器后与被测金属结构体之间应变传递界面的刚性、线性、低蠕变连接，并尽量减小光纤应变传感器在被测金属结构体上安装后的温度漂移系数。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种有效消除由应变传递界面的蠕变或非线性变形引入的应变测量误差、有效消除温度漂移系数、避免零点漂移、不受周围环境影响的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器。
为实现上述的目的，本发明的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器采用以下技术方案：
该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其主要特点是，包括应变弹性梁，该应变弹性梁为环形，所述的应变弹性梁具有第一测量固定端和第二测量固定端，所述的第一测量固定端设置于所述的应变弹性梁的一侧，所述的第二测量固定端设置于所述的应变弹性梁的另一侧，所述的应变弹性梁具有光纤固定端，光纤通过该光纤固定端与所述的应变弹性梁固定连接，且所述的第一测量固定端和所述的第二测量固定端的连线与所述的光纤的轴线相互垂直，所述的应变弹性梁的热膨胀系数与外部被测金属结构体的热膨胀系数相异。
该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的光纤固定端包括第一光纤固定端和第二光纤固定端，该第一光纤固定端和该第二光纤固定端位于所述的应变弹性梁的两侧，且所述的第一光纤固定端与所述的第二光纤固定端的连线与所述的第一测量固定端和所述的第二测量固定端的连线相互垂直，所述的光纤的一端与所述的第一光纤固定端连接，所述的光纤的另一端与所述的第二光纤固定端连接。
该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的应变弹性梁具有弹性，当所述的第一测量固定端与所述的第二测量固定端之间的距离减小，则所述的第一光纤固定端与所述的第二光纤固定端之间的距离增大；当所述的第一测量固定端与所述的第二测量固定端之间的距离增大，则所述的第一光纤固定端与所述的第二光纤固定端的距离减小。
该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的光纤通过焊料与所述的光纤固定端连接，该焊料为玻璃焊料或金锡焊料。
该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的第一测量固定端和所述的第二测量固定端的表面设置有凸台，被测金属结构体通过电容储能焊接法与所述的凸台固定连接。
该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的光纤的纤芯内设置有光栅或光纤法布里珀罗干涉腔。
该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的光纤的纤芯内设置有光栅，所述的光栅的栅区沿光纤轴线方向的长度范围为9～11mm，所述的光纤的表面具有金属层。
该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的第一测量固定端(11)与所述的第二测量固定端之间的距离范围为14～18mm。
该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的第一测量固定端与所述的第二测量固定端之间的距离为16mm。
该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的第一光纤固定端与所述的第二光纤固定端之间的距离范围为22～26mm。
该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的第一光纤固定端与所述的第二光纤固定端之间的距离范围为24mm。
该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的凸台的直径范围为0.6～0.8mm。
该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的凸台的高度范围为0.6～0.8mm。
采用了该结构的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器具有以下有益效果：
1、用于应变测量的光纤两端通过焊料与光纤固定端连接，改变了传统胶粘方式导致的蠕变，提高了零点的长期稳定性，而且不受潮湿影响，使光纤传感器的长期精度和环境适应性显著提高。
2、由于应变弹性梁的应变测量方向与光纤的受力变形方向垂直正交，将被测金属结构体热膨胀变形转换为光纤受压缩变形，正好与光纤自身的热胀拉伸变形相互抵消，从而使安装在被测金属结构体上的光纤的输出几乎不受环境温度变化的影响，无需借助任何额外的测温传感器进行二次补偿。
3、应变弹性梁的应变测量方向与光纤的受力变形方向垂直正交，显著降低了光纤的横向灵敏度，使得光纤只对应变弹性梁测量方向的应变敏感，而对非测量方向的应变以及任意方向的弯矩、扭矩均不敏感，保证了光纤具有良好的应变测量单一方向性。
4、凸台通过电容储能焊接与被测金属结构体固定，由于在可在短短的毫秒级时间内完成焊接，因此焊接后具有极低的残余应力，焊接前后，光纤的输出变化通常小于5με，对被测金属结构体自身固有的应力应变状态不造成影响。与此同时，这种将应变弹性梁直接与被测金属结构体焊接的工艺也保证了应变传递界面的刚度，消除了应变传递界面自身的蠕变及非线性变形，从而保证了金属结构体应力应变测量结果的真实性和准确性。
附图说明
图1为本实用新型的传感器的示意图。
图2为本实用新型的传感器的主视图。
图3为本实用新型的传感器的俯视图。
图4为本实用新型的传感器使用时的示意图。
图中标号说明如下：
1 应变弹性梁
11 第一测量固定端
12 第二测量固定端
13 第一光纤固定端
14 第二光纤固定端
2 光纤
3 凸台
4 被测金属结构体
具体实施方式
为了能更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1至图4，该光纤传感器，包括应变弹性梁1，该应变弹性梁1为环形，应变弹性梁1具有第一测量固定端11和第二测量固定端12，第一测量固定端11设置于应变弹性梁1的一侧，第二测量固定端12设置于应变弹性梁1的另一侧，应变弹性梁1具有光纤固定端，光纤2通过该光纤固定端与应变弹性梁1固定连接，且第一测量固定端11和第二测量固定端12的连线与光纤2的轴线相互垂直，为提高温度补偿效果，应变弹性梁1与外部被测金属结构体4具有不同的热膨胀系数。光纤固定端包括第一光纤固定端13和第二光纤固定端14，该第一光纤固定端13和该第二光纤固定端14位于应变弹性梁1的两侧，且第一光纤固定端13与第二光纤固定端14的连线与第一测量固定端11和第二测量固定端12的连线相互垂直，光纤2的一端与第一光纤固定端13连接，光纤2的另一端与第二光纤固定端14连接；应变弹性梁1具有弹性，
当第一测量固定端11与第二测量固定端12的距离减小，则第一光纤固定端13和第二光纤固定端14的距离增大，当第一测量固定端11与第二测量固定端12的距离增大，则第一光纤固定端13和第二光纤固定端14的距离减小，光纤2通过焊料与第一光纤固定端13和第二光纤固定端14连接，该焊料为玻璃焊料或金锡焊料。
应变弹性梁1共有四个端点，其中第一光纤固定端13和第二光纤固定端14用于固定光纤2，另外第一测量固定端11和第二测量固定端12用于焊接外部被测金属结构体4。应变弹性梁1的四个端点分别处于两个正交轴上，使得应变弹性梁1的应变测量方向与光纤2的受力变形方向垂直正交，当环境温度升高时，被测金属结构体4热膨胀使得应变弹性梁1的两个测量固定端受拉伸变形，带动两个光纤固定端受压缩变形，使得光纤2也受压缩变形，正好与光纤2自身的热胀拉伸变形相互抵消，从而使安装在被测金属结构体4上的光纤2的输出几乎不受环境温度变化的影响；反之，当环境温度降低时，被测金属结构体4遇冷收缩使得应变弹性梁1的两个测量固定端受压缩变形，带动两个光纤固定端受拉伸变形，使得光纤2也受拉伸变形，正好与光纤2自身的遇冷收缩变形相互抵消，从而使安装在被测金属结构体4上的光纤2的输出同样几乎不受环境温度变化的影响。
第一测量固定端11和第二测量固定端12的表面设置有凸台3，凸台3的直径为0.6～0.8mm，较佳地，凸台3为0.7mm；凸台3的高度为0.6～0.8mm，较佳地为0.7mm。被测金属结构体4通过电容储能焊接法与凸台3固定连接，当应变弹性梁1接收到电容储能焊枪施加的高电压后，两个凸台3产生尖端效应对已经连接电源的被测金属结构体4表面瞬间放电，焊接时间小于5毫秒，将应变弹性梁1的第一测量固定端11和第二测量固定端12与被测金属结构体4融化焊接在一起，由于焊接时间极短，因此极大降低了焊接点的残余应力，对于被测金属结构体4自身固有的应力应变状态不造成影响，与此同时，这种直接将应变弹性梁1焊接在被测金属结构体4上的焊接工艺也保证了应变传递界面的刚度，消除了应变传递界面自身的蠕变及非线性变形，从而保证了被测金属结构体4应力应变测量结果的真实性和准确性。
为提高应变测量分辨率，光纤2的纤芯内照射加工构成光栅或在光纤中制作光纤法布里珀罗干涉腔；当光纤2的纤芯内设置有光栅时，光栅的栅区沿光纤轴线方向的长度为7～11mm，光纤的表面具有金属层，采用超真空磁控溅射法，在光栅的栅区的两侧各3mm的区域的表面也设置有金属层，第一测量固定端11与第二测量固定端12的距离为14～18mm，较佳地为16mm；第一光纤固定端13与第二光纤固定端14的距离为22～26mm，较佳地为24mm，在具体实施过程中，可以针对被测金属结构体4的具体热胀系数来选择与其不同热胀系数的弹性金属材质制作应变弹性梁1；此外，还可以通过结合光纤2自身的热输出系数来微调整应变弹性梁1的第一光纤固定端13和第二光纤固定端14之间间距与第一测量固定端11和第二测量固定端12之间间距的比率，达到精确消除温度漂移的目的，利用本发明的光纤传感器，在实际的工作试验中，当在－55℃～60℃工作温度范围内，光纤2的最大温度漂移输出不超过10με，完全满足实际工程的需要。
采用了该结构的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，用于应变测量的光纤两端通过焊料与光纤固定端连接，改变了传统胶粘方式导致的蠕变，提高了零点的长期稳定性，而且不受潮湿影响，使光纤传感器的长期精度和环境适应性显著提高；由于应变弹性梁的应变测量方向与光纤的受力变形方向垂直正交，将被测金属结构体热膨胀变形转换为光纤受压缩变形，正好与光纤自身的热胀拉伸变形相互抵消，从而使安装在被测金属结构体上的光纤的输出几乎不受环境温度变化的影响，无需借助任何额外的测温传感器进行二次补偿；应变弹性梁的应变测量方向与光纤的受力变形方向垂直正交，显著降低了光纤的横向灵敏度，使得光纤只对应变弹性梁测量方向的应变敏感，而对非测量方向的应变以及任意方向的弯矩、扭矩均不敏感，保证了光纤具有良好的应变测量单一方向性；凸台通过电容储能焊接与被测金属结构体固定，由于在可在短短的毫秒级时间内完成焊接，因此焊接后具有极低的残余应力，焊接前后，光纤的输出变化通常小于5με，对被测金属结构体自身固有的应力应变状态不造成影响，与此同时，这种将应变弹性梁直接与被测金属结构体焊接的工艺也保证了应变传递界面的刚度，消除了应变传递界面自身的蠕变及非线性变形，从而保证了金属结构体应力应变测量结果的真实性和准确性。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (11)
1.一种实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其特征在于，包括应变弹性梁(1)，该应变弹性梁(1)为环形，所述的应变弹性梁(1)具有第一测量固定端(11)和第二测量固定端(12)，所述的第一测量固定端(11)设置于所述的应变弹性梁(1)的一侧，所述的第二测量固定端(12)设置于所述的应变弹性梁(1)的另一侧，所述的应变弹性梁(1)具有光纤固定端，光纤(2)通过该光纤固定端与所述的应变弹性梁(1)固定连接，且所述的第一测量固定端(11)和所述的第二测量固定端(12)的连线与所述的光纤(2)的轴线相互垂直，所述的应变弹性梁(1)的热膨胀系数与外部被测金属结构体(4)的热膨胀系数相异；
所述的光纤固定端包括第一光纤固定端(13)和第二光纤固定端(14)，该第一光纤固定端(13)和该第二光纤固定端(14)位于所述的应变弹性梁(1)的两侧，且所述的第一光纤固定端(13)与所述的第二光纤固定端(14)的连线与所述的第一测量固定端(11)和所述的第二测量固定端(12)的连线相互垂直，所述的光纤(2)的一端与所述的第一光纤固定端(13)连接，所述的光纤(2)的另一端与所述的第二光纤固定端(14)连接，
所述的第一测量固定端(11)和所述的第二测量固定端(12)的表面设置有凸台(3)，所述的被测金属结构体(4)通过电容储能焊接法与所述的凸台(3)固定连接。
2.根据权利要求1所述的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其特征在于，所述的应变弹性梁(1)具有弹性，当所述的第一测量固定端(11)与所述的第二测量固定端(12)之间的距离减小，则所述的第一光纤固定端(13)与所述的第二光纤固定端(14)之间的距离增大；当所述的第一测量固定端(11)与所述的第二测量固定端(12)之间的距离增大，则所述的第一光纤固定端(13)与所述的第二光纤固定端(14)的距离减小。
3.根据权利要求1所述的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其特征在于，所述的光纤(2)通过焊料与所述的光纤固定端连接，该焊料为玻璃焊料或金锡焊料。
4.根据权利要求1所述的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其特征在于，所述的光纤(2)的纤芯内设置有光栅或光纤法布里珀罗干涉腔。
5.根据权利要求4所述的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其特征在于，所述的光纤(2)的纤芯内设置有光栅，所述的光栅的栅区沿光纤轴线方向的长度范围为9～11mm，所述的光纤的表面具有金属层。
6.根据权利要求1所述的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其特征在于，所述的第一测量固定端(11)与所述的第二测量固定端(12)之间的距离范围为14～18mm。
7.根据权利要求6所述的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其特征在于，所述的第一测量固定端(11)与所述的第二测量固定端(12)之间的距离为16mm。
8.根据权利要求1所述的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其特征在于，所述的第一光纤固定端(13)与所述的第二光纤固定端(14)之间的距离范围为22～26mm。
9.根据权利要求8所述的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其特征在于，所述的第一光纤固定端(13)与所述的第二光纤固定端(14)之间的距离范围为24mm。
10.根据权利要求1所述的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其特征在于，所述的凸台(3)的直径范围为0.6～0.8mm。
11.根据权利要求1所述的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其特征在于，所述的凸台(3)的高度范围为0.6～0.8mm。
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