CN104019759B - 一种基于光纤光栅的超大应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅的超大应变传感器，通过在基底(11)上设计双弹性结构，使内侧的弹性结构刚度大于外侧的弹性结构刚度，将一根带有预应力的光纤光栅(8)固定在内、外侧弹性结构之间，保证在应变的作用下，内侧弹性结构(3)与外侧弹性结构(2)受到相同的拉伸或压缩力，由于两者的刚度的不同，因此内侧弹性结构(3)的拉伸长度小于外侧弹性结构(2)的拉伸长度，即使内侧弹性结构(3)的应变量小于外侧弹性结构(2)的应变量，从而实现了超大应变的测量。对比现有技术，本发明具有工艺简单，结构稳定，测量准确，可以提供超大应变量(±3000με及以上)的测量等优点。

Description

一种基于光纤光栅的超大应变传感器

技术领域

本发明涉及一种超大应变传感器，特别涉及一种基于光纤光栅的超大应变传感器，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

光纤光栅传感器是目前光纤传感领域研究的热点之一，在航空、航天、化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿、土木工程等各个领域都有广泛的应用。

光纤传感技术是70年代中期发展起来的一门新技术。它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。光纤光栅传感器是在光纤光栅的基础上发展起来的一种波长调制型光学传感器，包含对被测目标的探测和传输两种功能。它以光纤为传输介质，当光纤光栅所在环境参数发生变化时，光波的传输特性会随之改变，利用光纤光栅的这一特性可以实现对应变、温度等参数的测量。光纤光栅传感器与传统的电子类传感器相比具有耐高温高压、抗腐蚀、体积小、重量轻，易于集成和埋覆测量、本质防爆、抗电磁干扰等优点。

中国人民解放军工程大学的授权号为CN101571380B的光纤光栅大应变传感器中，由光纤光栅及基底组成，该传感器主要通过设计单一的弹性结构，克服基底材料的屈服强度，可以实现对±2500με范围内的测量。该专利叙述通过减小弹性结构可提升应变测量范围，实际提升仅为正应变的测量范围，但无法提高负应变的测量范围。

美国专利号为U.S.Pat.No.7068869的专利中提到了一种基于光纤光栅的应变传感器，其设计排除了温度对应变测量的影响。该传感器的主要由光纤光栅及框架组成，光纤光栅测量框架的应变量±1500με，将框架安装到被测物体表面，以实现对被测物体的应变测量。

上述两种光纤光栅应变传感器分别可以实现±2500με和±1500με应变量的测量。在实际测试中，针对±3000με及以上测试中还有很多的 需求。因此，针对以上问题，提出了一种基于光纤光栅的超大应变传感器，为扩大光纤光栅应变传感器的使用范围提供了必要条件。

发明内容

本发明的目的是为解决现有光纤光栅应变传感器无法对超出±3000με范围的被测目标进行测量的问题，尤其是负应变测量范围无法提升的现状，设计实现了一种基于光纤光栅的超大应变传感器。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种基于光纤光栅的超大应变传感器，是由基底和带有光纤光栅的光纤组成的。基底由从两侧至中间的基底固定区、外侧弹性结构、内侧弹性结构和连接区，连接区与其两端的内侧弹性结构直接相连，内、外侧弹性结构之间和外侧弹性结构与基底固定区之间通过U形或弧形或其它形状的过渡段连接，各组成部分采用一体式结构。将带有光栅的光纤放置于位于基底纵轴线中心的凹槽内，根据不同长度光栅的尺寸设计连接区的尺寸，保证光纤光栅两端置于基底的内、外侧弹性结构连接区，通过焊接或胶粘等方式固定在光纤光栅与基底固定区，光纤沿着基底与光纤光栅成一条直线固定于基底固定区，最终实现了光纤光栅超大应变传感器的制作。其中，基底固定区与被测体可采用胶粘或点焊等形式固定；基底中包括内侧和外侧两套不同的弹性结构，每套弹性结构可由多个环状平面弹簧组成，其中要求外侧弹性结构刚度满足小于内侧弹性结构条件，以实现应变量的放大作用，提高测量范围；连接区可以根据不同光纤光栅的长度进行调整；基底的内、外侧弹性结构连接区是光纤光栅与基底的固定区域，可采用胶粘或者焊接等方式将光纤光栅与光纤光栅与基底固定区进行连接；采用胶粘或者焊接等方式将光纤光栅外侧的光纤与基底固定区的光纤与基底固定区进行连接；光纤光栅作为敏感元件实现对应变量的测量，光纤为信号传输部分。

本发明的原理是在应变的作用下，整个基底1受到拉伸或压缩力的作用，由力的相互作用可知，内侧弹性结构3与外侧弹性结构2受到相同的拉伸或压缩力，由于两者的刚度的不同，因此内侧弹性结构3 的拉伸长度小于外侧弹性结构2的拉伸长度，即使内侧弹性结构3的应变量小于外侧弹性结构2的应变量，从而实现超大应变的测量。本发明充分利用了弹性结构应变分配的特性，同时巧妙设计了光纤光栅4的安装位置，将光纤光栅4安装于内侧弹性结构3与外侧弹性结构2之间；另外，将弹性结构的变形与光纤光栅4的变形进行了分离，可以有效解决弹性结构变形不均匀的矛盾。

本发明根据目前光纤光栅应变传感器的现状及未来发展方向，针对目前应变测量范围的限制，通过设计一种降敏结构，在基底上设置两套弹性结构，保证基底上内侧弹性结构的刚度大于外侧弹性结构的刚度，将加载一定预应力的光纤光栅固定在内外侧弹性结构之间。在应变的作用下，基底整体产生应变量，内侧弹性结构的应变量小于外侧弹性结构的应变量，同时内侧弹性结构带动光纤光栅产生拉伸或者压缩的变形。通过内外侧弹性结构比例关系得出最终测量的应变值，由此实现超大应变量±3000με及以上的测量。

本发明的有益效果和特点：

本发明将基底设计为带有内、外侧不同刚度的弹性结构，保证内侧弹性结构的刚度大于外侧弹性结构的刚度，将带有预应力的光纤光栅置于内侧与外侧弹性结构之间，从而实现超大应变的测量。本发明工作原理简单，制作简便，结构灵巧，成本低，可实现长距离超大应变的实时监控。

附图说明

图1为本发明的一个传感器案例的结构示意图，图2为该案例基底结构示意图。

其中，1-基底固定区、2-外侧弹性结构、3-内侧弹性结构、4-光纤光栅与基底固定区、5-光纤与基底固定区、6-U形过渡段、7-连接区、8-光纤光栅、9-光纤、10-凹槽，11-基底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式做详细说明。

如附图1所示，本发明提供的一种基于光纤光栅的超大应变传感器，包括基底11和带有光纤光栅8的光纤9，其中光纤光栅8选用栅长为10mm的光栅，基底11从中心到两端由连接区7，位于连接区7两端的内侧弹性结构3，外侧弹性结构2和基底固定区1组成，连接区7与其两端的内侧弹性结构3直接相连，内侧弹性结构3与外侧弹性结构2之间以及外侧弹性结构2与基底固定区1之间通过U形过渡段6连接，各组成部分采用一体式结构加工完成，其U形过渡段6也可以采用弧形或其它形状，只要可以满足能够防止应力过于集中的作用即可，基底11尺寸为46mm*8mm*1mm(长*宽*高)，连接区7长度为8mm。内侧弹性结构3和外侧弹性结构2分别由两个弹性结构构成，通过设计弹性结构尺寸将内外侧弹性结构刚度比设定为2:1，将加载预紧力的光纤光栅8通过胶粘或焊接等方式固定在光纤光栅与基底固定区4，将光纤9固定于光纤与基底固定区5，使用时，将基底固定区1采用胶粘或电焊等方式固定于被测体上。实测时，在应变的作用下，基底11整体产生应变量，内侧弹性结构3带动光纤光栅8产生拉伸或者压缩的变形，通过光纤9将信号引出到后端的解调仪表，可读出光纤光栅8的应变量。

根据内外侧弹性结构刚度比值设计，当内侧弹性结构3的应变量为100με时，外侧弹性结构2的应变量为200με，通过比例关系可知基底整体的应变量为150με，则可知将应变的测量范围提高了1.5倍，由此实现超大应变(±3000με及以上)的测量的目的。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于光纤光栅的超大应变传感器，包括基底(11)和带有光纤光栅(8)的光纤(9)，沿基底(11)纵轴线上设有可以将光纤光栅(8)以及光纤(9)置于其中的凹槽(10)，所述基底(11)包括位于中部的连接区(7)和两端的基底固定区(1)，其特征在于，所述基底(11)还包括位于连接区(7)两端的内侧弹性结构(3)和外侧弹性结构(2)，所述连接区(7)、内侧弹性结构(3)、外侧弹性结构(2)和基底固定区(1)以及各组成部分间的过渡段为一体式结构；

可采用胶粘或者焊接方式将光纤光栅(8)两端固定于光纤光栅与基底固定区(4)，将光纤(9)两端固定于光纤与基底固定区(5)；

内侧弹性结构(3)的刚度大于外侧弹性结构(2)。

2.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的超大应变传感器，其特征在于，通过调整基底(11)的内侧弹性结构(3)和外侧弹性结构(2)刚度比，可以实现±3000με及以上不同灵敏度的超大应变的测量。