CN103673913B - 一种新型光纤应变传感器及安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型光纤应变传感器及安装方法,其中传感器，包括支撑垫片、光纤固定片、预拉栓及光纤光栅；所述支撑垫片，用于光纤固定片与测试样品的连接和固定；所述光纤固定片，用于固定光纤光栅的两端；所述预拉栓与光纤固定片相连接，用于绷紧光纤光栅到预定反射波长点；所述光纤光栅，用于应变传感。采用上述方案，支撑垫片与光纤固定片之间，光纤固定片与预拉栓之间采用刚性螺丝紧固，除支撑垫片外，其他部分拆卸下来予以更换或者进行应变传感系数的标定或者校准。

Description

一种新型光纤应变传感器及安装方法

技术领域

本发明属于光纤传感测量技术领域，尤其涉及的是一种新型光纤应变传感器。

背景技术

光纤应变传感器是最近几年出现的光纤传感新技术，当前的研究热点集中在光纤光栅型应变传感器。光纤光栅型传感器利用光纤材料的紫外光敏性，在纤芯内部形成空间相位光栅，这样具有一定频谱宽度的光信号经过光纤光栅后，特定波长的光沿原路反射回来，其余波长的光信号则直接透射出去；在温度一定的情况下，波长漂移量和光纤所受的应力成线性关系。通过检测光纤光栅一端耦合出来的波长的偏移量，就可以确定光纤所受到的应变信息。

光纤应变传感器对电磁干扰不敏感，最重要的就是它的传感信号为波长调制。这一传感机制的好处在于：测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量仪器老化等因素影响；避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固定参考点的需要，能实现长期绝对测量；能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅，对结构的应变和温度等进行高分辨率和大范围的分布式测量。光纤应变传感器以其优异的精巧性、灵敏性、可组网性，成为大型工程项目结构中长期、健康监测的最佳选择。

光纤应变传感器已经在国家的许多大型项目得到了广泛的应用。如美国、日本等技术先进国家，已将光纤应变传感器应用于先进作战飞机和宇宙飞船，使得飞行器的安全性大为提高，各种战术技术性能提高显著。这种带有“感觉”甚至是“智能”的结构和蒙皮还可以应用到其他武器平台，以增强其作战能力，还可以推广应用到桥梁、大坝和井下油气应用以及海航空运等领域，提高其安全性和对环境的适应能力。

申请专利号为“200710001891.2”的发明专利“光纤基计量器”、申请专利号为“201220206601.4”的实用新型专利“光纤应变传感器”、申请专利号为“02260596.7”的实用新型专利“新型光纤应变传感器”中所述的光纤应变传感器采用薄金属垫片作为载体，将光纤光栅固定于金属载体两端，然后将金属载体点焊于测试样品上，当测试样品在轴向受到拉力或者压力时，会产生轴向应变，拉力或者压力通过焊点作用于金属垫片上，使得金属垫片产生应变，继而再通过光纤光栅固定点传递到光纤光栅上最终在光纤光栅上产生应变，从而导致反射波长的变化。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新型光纤应变传感器及安装方法。

本发明的技术方案如下：

一种新型光纤应变传感器，其中，包括支撑垫片、光纤固定片、预拉栓及光纤光栅；所述支撑垫片，用于光纤固定片与测试样品的连接和固定；所述光纤固定片，用于固定光纤光栅的两端；所述预拉栓与光纤固定片相连接，用于绷紧光纤光栅到预定反射波长点；所述光纤光栅，用于应变传感。

所述的传感器，其中，所述支撑垫片为凹型结构，底部为方形，两侧有多个螺孔，用于光纤固定片和预拉栓的连接固定。

所述的传感器，其中，所述光纤固定片，中间开有多条V字型凹槽，用于粘贴光纤，所述光纤固定片四角处有螺孔，用于与支撑垫片的连接固定；所述光纤固定片的两侧设有螺孔，用于固定在支撑垫片上。

所述的传感器，其中，所述预拉栓底部为倒凹形，两边设有螺孔，用于与支撑垫片的固定连接，所述预拉栓顶部设有穿孔，所述穿孔设有螺纹，用于在旋转轮的转动下，长柄螺栓带动光纤固定片沿支撑垫片凹槽滑动。

所述的传感器，其中，所述支撑垫片与测试样品采用电焊或者锡焊连接；所述光纤固定片与所述光纤光栅用大于石英晶体杨氏模量的有机胶连接；所述预拉栓与所述光纤固定片采用螺丝紧固。

所述的传感器，其中，所述有机胶为环氧树脂或者氰基丙烯酸盐粘合剂。

所述的传感器，其中，所述支撑垫片、所述光纤固定片及所述预拉栓均为金属材质。

所述的传感器，其中，所述预拉栓在光纤应变载体固定在测试样品后，可以从金属垫片上拆卸，在工作时，所述光纤固定片仅与预拉紧的光纤光栅相连接。

一种新型光纤应变传感器的安装方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：将预拉栓安装在支撑垫片上，然后旋转预拉栓上的旋转轮，旋转轮带动长柄螺栓以及光纤固定片沿支撑垫片凹槽滑动，使光纤光栅产生预拉伸到达光纤光栅的初始工作波长处，保证光纤固定片紧密接触而无相对移动；

步骤2：将光纤固定片的螺丝拧紧，并将支撑垫片与测试样品固定连接，完成光纤光栅应变传感器的安装。

所述的安装方法，其中，所述支撑垫片与测试样品固定连接的方式为有机胶粘剂连接、螺钉连接或者电焊机焊接。

采用上述方案，1、采用了分离式结构设计了光纤应变传感器，两个光纤固定片在工作时只有光纤光栅与之相连接，光纤固定片只是作为压力或者拉力的着力点，且压力或者拉力来自支撑垫片，而非依靠本身应变对光纤光栅施加压力或者拉力；2、本发明中支撑垫片与光纤固定片之间，光纤固定片与预拉栓之间采用刚性螺丝紧固，除支撑垫片外，其他部分拆卸下来予以更换或者进行应变传感系数的标定或者校准；3、本发明也可以提前在实验室标定后，用于现场对其他类型的光纤应变传感器进行现场应变传感系数的标定和校准。

附图说明

图1为本发明传感器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种新型光纤应变传感器的设计，未进行贴装前，光纤应变传感器作为一个整体，通过预拉栓刚性的连接在一起，贴装后，预拉栓能够从光纤固定片上拆卸，此时两个光纤固定片只有预拉紧的光纤光栅与之相连。传感器工作时，其应变直接传递到光纤光栅上，而光纤固定片只是作为压力或者拉力的着力点，且压力或者拉力来自支撑垫片，而非依靠本身应变对光纤光栅施加压力或者拉力，其本身的应变很小，尤其是测试样品的杨氏模量小于金属载体时，光纤固定片的应变更是微乎其微。这与传统的光纤应变传感器通过金属载体（本发明中的光纤固定片）自身的应变拉伸来改变光纤光栅应变状态的工作原理截止不同。本发明可以在测试样品上比较简单、快速地安装和拆卸，应变能够稳定有效地通过光纤固定片且不会降低光纤应变传感器的应变传递效率。

本发明从结构上主要分为三个层次，从低到高分别是支撑垫片、光纤固定片和预拉栓。其中，支撑垫片包括101、102两部分，光纤固定片包括201、202、203三部分，预拉栓包括301、302、303、304、305五部分组成。支撑垫片用于光纤固定片与测试样品的连接和固定，采用金属材质设计，“凹”型结构，其中底部为方形设计，两侧有多个螺孔，用于光纤固定片201、203和预拉栓301、303、304的连接固定；光纤固定片，采用金属材质设计，用于固定光纤光栅204的两端，中间可开有多条V字型凹槽，用于粘贴光纤，光纤固定片201四角处有螺孔，用于与支撑垫片101的连接固定。光纤固定片203两侧有螺孔，可以固定在支撑垫片102上，用于卡住光纤固定片202，折叠突起采用凹字形设计，中间凹陷处为光纤预留通过口。预拉栓采用刚性金属材质设计，其中301、303、304，底部为倒“凹”设计，两边有螺孔，用于与支撑垫片101、102的固定连接。顶部有穿孔，其中303穿孔有螺纹，在旋转轮305的转动下，长柄螺栓302可以带动202沿支撑垫片凹槽滑动。预拉栓的作用，其一是将光纤传感器连为一个整体，便于安装，其二用于绷紧光纤光栅到预定反射波长点。

上述中，所述支撑垫片与测试样品采用电焊或者锡焊连接；所述光纤固定片与所述光纤光栅用大于石英晶体杨氏模量的有机胶连接；所述预拉栓与所述光纤固定片采用螺丝紧固。所述有机胶为环氧树脂或者氰基丙烯酸盐粘合剂。

所述支撑垫片、所述光纤固定片及所述预拉栓均为金属材质。

所述预拉栓在光纤应变载体固定测试样品后，设置从光纤固定片上拆卸，并设置在工作时，所述光纤固定片仅与预拉紧的光纤光栅相连接。

本发明测试样品与支撑垫片之间根据测试样品的材质、结构、禁忌等不同，亦采用电焊或者锡焊或者环氧化物等方式连接，但必须保证连接稳固、连接物的杨氏模量大于光纤光栅的杨氏模量。支撑垫片与光纤固定片之间，光纤固定片与预拉栓之间采用刚性螺丝紧固。光纤固定片与光纤光栅之间采用高杨氏模量的环氧化物连接，当然，也不仅限于此类有机化合物。

本发明的整体技术效果体现在以下三个方面：

（一）本发明采用了分离式结构设计了光纤应变传感器，两个光纤固定片在工作时只有光纤光栅与之相连接，光纤固定片只是作为压力或者拉力的着力点，且压力或者拉力来自支撑垫片，而非依靠本身应变对光纤光栅施加压力或者拉力；

（二）本发明中支撑垫片与光纤固定片之间，光纤固定片与预拉栓之间采用刚性螺丝紧固，除支撑垫片外，其他部分拆卸下来予以更换或者进行应变传感系数的标定或者校准；

（三）本发明也可以提前在实验室标定后，用于现场对其他类型的光纤应变传感器进行现场应变传感系数的标定和校准。

实施例2

在上述实施例的基础上，进一步提供新型光纤应变传感器的安装方法，如图1所示，首先利用大杨氏模量的环氧树脂有机胶粘剂将光纤光栅固定于光纤固定片201、202的V型凹槽处，然后在光纤光栅传感器标准装置上标定该光纤光栅的应变传递系数以及应变与反射波长的线性函数关系，将标定好的光纤光栅安装在支撑垫片上，完成光纤光栅传感器的实验室标校。在测试校准现场，首先将预拉栓安装在支撑垫片上，然后旋转预拉栓上的旋转轮305，旋转轮带动长柄螺栓302以及光纤固定片202沿支撑垫片凹槽滑动，使光纤光栅产生预拉伸到达光纤光栅的初始工作波长处，保证光纤固定片202、203紧密接触而无相对移动，然后将光纤固定片203的螺丝拧紧，最后利用有机胶粘剂、螺钉或者电焊机将支撑垫片101、102与测试样品固定连接，完成光纤光栅应变传感器的现场安装。将光纤光栅204连接光波长计，通过检测光波长计的波长，根据标定好的应变传递系数得到测试样品的应变和应变变换量。

实施例3

在上述实施例的基础上，进一步说明本发明中传感器，其中，包括支撑垫片、光纤固定片、预拉栓及光纤光栅；所述支撑垫片，用于光纤固定片与测试样品的连接和固定；所述光纤固定片，用于固定光纤光栅的两端；所述预拉栓与光纤固定片相连接，用于绷紧光纤光栅到预定反射波长点；所述光纤光栅，用于应变传感。

所述支撑垫片为凹型结构，底部为方形，两侧有多个螺孔，用于光纤固定片和预拉栓的连接固定。

所述光纤固定片，中间开有多条V字型凹槽，用于粘贴光纤，所述光纤固定片四角处有螺孔，用于与支撑垫片的连接固定；所述光纤固定片的两侧设有螺孔，用于固定在支撑垫片上。

所述预拉栓底部为倒凹形，两边设有螺孔，用于与支撑垫片的固定连接，所述预拉栓顶部设有穿孔，所述穿孔设有螺纹，用于在旋转轮的转动下，长柄螺栓带动光纤固定片沿支撑垫片凹槽滑动。

所述支撑垫片与测试样品采用电焊或者锡焊连接；所述光纤固定片与所述光纤光栅用大于石英晶体杨氏模量的有机胶连接；所述预拉栓与所述光纤固定片采用螺丝紧固。

所述有机胶为环氧树脂或者氰基丙烯酸盐粘合剂。

所述支撑垫片、所述光纤固定片及所述预拉栓均为金属材质。

所述预拉栓在光纤应变载体固定在测试样品后，可以从金属垫片上拆卸，在工作时，所述光纤固定片仅与预拉紧的光纤光栅相连接。

本发明中的一种新型光纤应变传感器的安装方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：将预拉栓安装在支撑垫片上，然后旋转预拉栓上的旋转轮，旋转轮带动长柄螺栓以及光纤固定片沿支撑垫片凹槽滑动，使光纤光栅产生预拉伸到达光纤光栅的初始工作波长处，保证光纤固定片紧密接触而无相对移动；

步骤2：将光纤固定片的螺丝拧紧，并将支撑垫片与测试样品固定连接，完成光纤光栅应变传感器的安装。

所述支撑垫片与测试样品固定连接的方式为有机胶粘剂连接、螺钉连接或者电焊机焊接。

采用上述方案，1、采用了分离式结构设计了光纤应变传感器，两个光纤固定片在工作时只有光纤光栅与之相连接，光纤固定片只是作为压力或者拉力的着力点，且压力或者拉力来自支撑垫片，而非依靠本身应变对光纤光栅施加压力或者拉力；2、本发明中支撑垫片与光纤固定片之间，光纤固定片与预拉栓之间采用刚性螺丝紧固，除支撑垫片外，其他部分拆卸下来予以更换或者进行应变传感系数的标定或者校准；3、本发明也可以提前在实验室标定后，用于现场对其他类型的光纤应变传感器进行现场应变传感系数的标定和校准。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种新型光纤应变传感器，其特征在于，包括支撑垫片、光纤固定片、预拉栓及光纤光栅；所述支撑垫片，用于光纤固定片与测试样品的连接和固定；所述光纤固定片，用于固定光纤光栅的两端；所述预拉栓与光纤固定片相连接，用于绷紧光纤光栅到预定反射波长点；所述光纤光栅，用于应变传感，所述支撑垫片为凹型结构，底部为方形，两侧有多个螺孔，用于光纤固定片和预拉栓的连接固定，所述光纤固定片，中间开有多条V字型凹槽，用于粘贴光纤，所述光纤固定片四角处有螺孔，用于与支撑垫片的连接固定；所述光纤固定片的两侧设有螺孔，用于固定在支撑垫片上，所述预拉栓底部为倒凹形，两边设有螺孔，用于与支撑垫片的固定连接，所述预拉栓顶部设有穿孔，所述穿孔设有螺纹，用于在旋转轮的转动下，长柄螺栓带动光纤固定片沿支撑垫片凹槽滑动。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述支撑垫片与测试样品采用电焊或者锡焊连接；所述光纤固定片与所述光纤光栅用大于石英晶体杨氏模量的有机胶连接；所述预拉栓与所述光纤固定片采用螺丝紧固。

3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述有机胶为环氧树脂或者氰基丙烯酸盐粘合剂。

4.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述支撑垫片、所述光纤固定片及所述预拉栓均为金属材质。

5.如权利要求2所述的传感器的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将预拉栓安装在支撑垫片上，然后旋转预拉栓上的旋转轮，旋转轮带动长柄螺栓以及光纤固定片沿支撑垫片凹槽滑动，使光纤光栅产生预拉伸到达光纤光栅的初始工作波长处，保证光纤固定片紧密接触而无相对移动；

步骤2：将光纤固定片的螺丝拧紧，并将支撑垫片与测试样品固定连接，完成光纤光栅应变传感器的安装。

6.如权利要求5所述的传感器的安装方法，其特征在于，所述支撑垫片与测试样品固定连接的方式为有机胶粘剂连接、螺钉连接或者电焊机焊接。