CN103697828A - 一种支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器，包括光纤光栅传感器A、光纤光栅传感器B、左基座和右基座，光纤光栅传感器A设置在光栅基板A上，光纤光栅传感器B设置在光栅基板B，光栅基板A的两端分别固定连接在左基座、右基座上，光栅基板B的右端通过刚性支架与左基座固定连接，光栅基板B的左端通过刚性支架与右基座固定连接。本发明的光纤光栅应变传感器采用了基于机械差补原理，从原理上将光纤光栅应变测量受环境或结构温度的影响降低到最小程度，可以实现将温度信息和应变信息直接解耦的效果。

Description

一种支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器

技术领域

本发明涉及一种支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器。

背景技术

目前的光栅应变传感器用于应变测量时，由于需要进行温度补偿，所以需要通过另一个用于温度补偿的光栅传感器测量环境或结构温度，然后用这个温补光栅传感器的温度测量结果来补偿结构温度带来的影响以及光栅应变传感器受温度的影响，实践中这种方法在重复性和测量效果方面很不理想，限制了光栅应变传感器的工业应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于机械差补原理的光栅应变传感器，从原理上充分考虑了光栅应变测量受环境或结构温度的影响降低到最小程度，理论上可以实现将温度信息和应变信息直接解耦的效果，显著提高了光栅应变传感器在工业应用中的可行性。

为实现上述目的，本发明一种支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器，包括光纤光栅传感器A、光纤光栅传感器B、左基座和右基座，光纤光栅传感器A设置在光栅基板A上，光纤光栅传感器B设置在光栅基板B，其中，光栅基板A的两端分别固定连接在左基座、右基座上，光栅基板B的右端通过刚性支架与左基座固定连接，光栅基板B的左端通过刚性支架与右基座固定连接，与左基座和右基座固定连接的待测结构表面产生应变时，光栅基板A产生相应的正应变，光栅基板B产生相应的反应变，并且所述正应变和反应变的数值相同。

进一步，所述光纤光栅传感器A、光纤光栅传感器B上均设置有向外引出的光栅引线。

进一步，所述光纤光栅传感器A和光纤光栅传感器B的规格相同。

进一步，所述光纤光栅传感器A和光纤光栅传感器B的规格不相同，其主要物理量的关系中：

Δλ＝f(ε,t)        (1)

Δλ为一次测量前后光波长的变化，ε为受测表面的应变，t为光栅本身的温度，f为在光纤光栅传感器出厂前精确测定的已知函数关系。

进一步，所述待测结构表面受拉应力时，所述光栅基板A受拉，相应的应变为+ε；同时所述光栅基板B受压，其相应的应变为-ε；

对于所述光纤光栅传感器A，由公式(1)，其相应光波长变化为：

Δλ_A＝f_A(+ε,t)        (2)

对于所述光纤光栅传感器B，由公式(1)，其相应光波长变化为：

Δλ_B＝f_B(-ε,t)        (3)

其中，未知量为应变大小ε和光栅所处位置的温度t，由公式(2)和公式(3)，解得ε和t的值。

进一步，所述待测结构表面受压应力时，所述光栅基板A受压，相应的应变为-ε；同时所述光栅基板B受拉，其相应的应变为+ε；

对于所述光纤光栅传感器A，由公式(1)，其相应光波长变化为：

Δλ_A＝f_A(-ε,t)        (4)

对于光纤光栅传感器B，由公式(1)，其相应光波长变化为：

Δλ_B＝f_B(+ε,t)        (5)

其中，未知量为应变大小ε和光栅所处位置的温度t，因此由公式(4)和公式(5)，解得ε和t的值。

进一步，所述光栅基板B的右端与L型的刚性下支架固定连接。

进一步，所述光栅基板B的左端与L型的刚性上支架固定连接。

本发明的光纤光栅应变传感器采用了基于机械差补原理，从原理上将光纤光栅应变测量受环境或结构温度的影响降低到最小程度，可以实现将温度信息和应变信息直接解耦的效果。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1的仰视结构示意图；

图3为图2中A部放大图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

本发明一种支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器，原理如下：

光纤光栅传感器A用于测量应变时，其主要物理量的关系如下：

Δλ＝f(ε,t)        (1)

其中Δλ为一次测量前后光波长的变化，ε为受测表面的应变，t为光栅本身的温度，f为可以在光纤光栅传感器出厂前精确测定的函数关系。

通常的做法是，用另外一个光纤光栅传感器B测量环境或结构温度，将测得的温度值代入上面的经验关系中，即可根据公式解出应变值。但实际上，由于光纤光栅传感器B自身测量温度也存在准确性的问题，其测得的温度是否能够代表光纤光栅传感器A的温度也存在问题，这些不确定性的因素，导致了光纤光栅传感器A测量应变效果的不理想。

如图1、图2、图3所示，本发明一种支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器，包括光纤光栅传感器A1、光纤光栅传感器B2、左基座3和右基座4，光纤光栅传感器A1设置在光栅基板A6上，光纤光栅传感器B2设置在光栅基板B7，其中，光栅基板A6的两端分别固定连接在左基座3、右基座4上，光栅基板B7的右端通过刚性下支架9与左基座3固定连接，光栅基板B7的左端通过刚性上支架8与右基座4固定连接。刚性上支架8和刚性下支架9均为L型结构，光栅基板B2的右端与刚性下支架9的竖直边内端固定连接，刚性下支架9的横边左端与左基座3固定连接。光栅基板B2的左端与刚性上支架8的竖直边内端固定连接，刚性上支架8的横边右端与右基座4固定连接。

光纤光栅传感器A1、光纤光栅传感器B2上均设置有向外引出的光栅引线5，由于光纤光栅传感器A1、光纤光栅传感器B2各自有独立的光栅引线5，这样可以在出厂前后的任何时候，分别独立地测量光栅A或光栅B的各个系数。

光纤光栅传感器A1和光纤光栅传感器B2的规格尽可能全同，其受温度和应变的影响是相同的，或者如果光纤光栅传感器A1和光纤光栅传感器B2不相同，则需要二者的f关系是完全确定的，本质上，如果可以方便地获得每一个光栅的f关系，那么可以认为每一个光栅是不同的，假设光纤光栅传感器A1和光纤光栅传感器B2的f函数关系分别为f_A和f_B。

首先将左基座3和右基座4通过栓接或其它方式可靠固定在待测结构表面上。光纤光栅传感器A1和光纤光栅传感器B2因为处于同一结构中极为接近的位置，可以合理假定其温度是相同的，设为t。

第一种情况：当待测部位受拉应力时，光栅基板A6受拉，相应的应变为+ε。同时光栅基板B7因为刚性上支架8和刚性下支架9的运动而受压，其受压量与光栅基板A6的受拉量是相同的，因此其相应的应变为-ε。

对于光纤光栅传感器A1，由公式(1)，其相应光波长变化为：

Δλ_A＝f_A(+ε,t)        (2)

同时对于光纤光栅传感器B2，由公式(1)，其相应光波长变化为：

Δλ_B＝f_B(-ε,t)        (3)

这里的未知量仅为应变大小ε和光栅所处位置的温度t，因此由公式(2)和公式(3)，可以解得ε和t的值。

第二种情况：当待测部位受压应力时，光栅基板A6受压，相应的应变为-ε。同时光栅基板B7因为刚性上支架8和刚性下支架9的运动而受拉，其受拉量与光栅基板A6的受压量是相同的，因此其相应的应变为+ε。

对于光纤光栅传感器A1，由公式(1)，其相应光波长变化为：

Δλ_A＝f_A(-ε,t)        (4)

同时对于光纤光栅传感器B2，由公式(1)，其相应光波长变化为：

Δλ_B＝f_B(+ε,t)        (5)

这里的未知量仅为应变大小ε和光栅所处位置的温度t，因此由公式(4)和公式(5)，可以解得ε和t的值。

将光纤光栅传感器A1、光纤光栅传感器B2、光栅基板A6、光栅基板B7、刚性上支架8、刚性下支架9和各光栅引线封装在一个结构内，通过左基座3和右基座4与待测机械结构连接，通过光栅引线5与外部光纤连接，就构成了一个完整的传感器。

本发明支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器，支持对应变和温度的解耦，如果忽略光纤光栅传感器A1和光纤光栅传感器B2的温度差异，同时忽略光栅基板A6和光栅基板B7的在同时受拉和受压时二者应变绝对值的差异，则这种解耦方法是准确的。

按照如上结构所形成的传感器，其纵向标距（基座间距）不会显著增加，其横向尺寸也不会显著增加。

实际解算过程：

对于应变光栅，一般有如下实际公式：

ε＝K(λ₁-λ₀)+B(λ_t1-λ_t0)-100α(λ_t1-λ_t0)        (6)

简化为：

ε＝KΔλ-100(α_ε+α)Δλ_t        (7)

其中：

ε是被测结构去除了结构温度变化后的实际应变值，是待求解的未知量；

K是应变光栅传感器的系数，是出厂前可测的性能参数；

Δλ＝(λ₁-λ₀)是应变光栅传感器相对于初始波长的波长变化，是应用中的实测值；

α_ε＝-B/100，是出厂前可测的性能参数；

α_ε和α分别是应变光栅传感器本身和被测结构的温度系数，是出厂前可测的性能参数；

Δλ_t＝(λ_t1-λ_t0)是假定的温补光栅相对于初始波长的波长变化，是待求解的假定未知量。

进一步令：c＝100(α_ε+α)及d＝KΔλ，则有：

ε+cΔλ_t＝d        (8)

结合前文的两种情况A和B，则有如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}+\mathrm{\ϵ}+c_A\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_t=d_A\\ -\mathrm{\ϵ}+c_B\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_t=d_B\end{array}\right.---\left(9\right)$

由(9)可以解得：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_t=\frac{d_A+d_B}{c_A+c_B}---\left(10\right)$

及

$\mathrm{\ϵ}=d_A-\frac{d_A+d_B}{c_A+c_B}{c}_A---\left(11\right)$

分别假定这个温补光栅为前文的光纤光栅传感器A1或光纤光栅传感器B2，即可根据Δλ_t，结合c_A或c_B的值，以及作为温补光栅的相应初始波长，即可算出当前的温度值。这样即可实现对结构实际应变和温度的同时解耦测量。

机械反向结构的必要性：

上述情况需要使用机械反向结构，在工艺上稍显复杂，但是其优点是在使用公式(11)计算时会更为精确。

理论上也可以不采用机械反向结构，令光栅B承受相同的应变，将此时公式(9)成为：

$\left\{\begin{array}{c}+\mathrm{\ϵ}+c_A\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_t=d_A\\ -\mathrm{\ϵ}+c_B\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_t=d_B\end{array}\right.---\left(12\right)$

由(12)可以解得：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_t=\frac{d_A+d_B}{c_A+c_B}---\left(13\right)$

及

$\mathrm{\ϵ}=d_A-\frac{d_A+d_B}{c_A+c_B}{c}_A---\left(14\right)$

但由于对于正温度膨胀系数材料，c_A和c_B均为正数，而且差异不大，所以c_A-c_B有可能接近于0，所以公式(13)和(14)的计算有可能产生奇异的结果

或者对于不采用机械反向结构，而令光栅B不承受应变，则有：

$\left\{\begin{array}{c}+\mathrm{\ϵ}+c_A\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_t=d_A\\ 0+c_B\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_t=d_B\end{array}\right.---\left(15\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_t=\frac{d_B}{c_B}---\left(16\right)$

及

$\mathrm{\ϵ}=\frac{c_B{d}_A+{c_{A}d}_B}{c_B}---\left(17\right)$

此时，光栅B的参数c_B对测量结果的影响很大，其测量结果也不如公式(11)给出的结果。

这就说明采用机械反向结构具有必要性。这种结构的实现及其封装最好在传感器出厂之前采用可靠工艺完成。

封装引线：对于图1中的光栅从封装向外的引线，应当是光栅A或光栅B各自有独立的引线，这样可以在出厂前后的任何时候，分别独立地测量光栅A或光栅B的各个系数。

Claims (8)

1.一种支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器，其特征在于，包括光纤光栅传感器A、光纤光栅传感器B、左基座和右基座，光纤光栅传感器A设置在光栅基板A上，光纤光栅传感器B设置在光栅基板B，其中，光栅基板A的两端分别固定连接在左基座、右基座上，光栅基板B的右端通过刚性支架与左基座固定连接，光栅基板B的左端通过刚性支架与右基座固定连接，与左基座和右基座固定连接的待测结构表面产生应变时，光栅基板A产生相应的正应变，光栅基板B产生相应的反应变，并且所述正应变和反应变的数值相同。

2.如权利要求1所述的支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器A、光纤光栅传感器B上均设置有向外引出的光栅引线。

3.如权利要求1所述的支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器A和光纤光栅传感器B的规格相同。

4.如权利要求1所述的支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器A和光纤光栅传感器B的规格不相同，其主要物理量的关系中：

Δλ＝f(ε,t)        (1)

Δλ为一次测量前后光波长的变化，ε为受测表面的应变，t为光栅本身的温度，f为在光纤光栅传感器出厂前精确测定的已知函数关系。

5.如权利要求1所述的支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述待测结构表面受拉应力时，所述光栅基板A受拉，相应的应变为+ε；同时所述光栅基板B受压，其相应的应变为-ε；

对于所述光纤光栅传感器A，由公式(1)，其相应光波长变化为：

Δλ_A＝f_A(+ε,t)        (2)

对于所述光纤光栅传感器B，由公式(1)，其相应光波长变化为：

Δλ_B＝f_B(-ε,t)        (3)

其中，未知量为应变大小ε和光栅所处位置的温度t，由公式(2)和公式(3)，解得ε和t的值。

6.如权利要求1所述的支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述待测结构表面受压应力时，所述光栅基板A受压，相应的应变为-ε；同时所述光栅基板B受拉，其相应的应变为+ε；

对于所述光纤光栅传感器A，由公式(1)，其相应光波长变化为：

Δλ_A＝f_A(-ε,t)        (4)

对于光纤光栅传感器B，由公式(1)，其相应光波长变化为：

Δλ_B＝f_B(+ε,t)        (5)

其中，未知量为应变大小ε和光栅所处位置的温度t，因此由公式(4)和公式(5)，解得ε和t的值。

7.如权利要求1所述的支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述光栅基板B的右端与L型的刚性下支架固定连接。

8.如权利要求1所述的支持解耦温度和应变的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述光栅基板B的左端与L型的刚性上支架固定连接。

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