CN104019928A - 系列化垫层结构光纤微弯传感器 - Google Patents

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Abstract

系列化垫层结构光纤微弯传感器，它涉及一种系列化垫层结构光纤微弯传感器。本发明是要解决现有光纤微弯传感器存在测量范围小且光纤容易受到破坏的问题。系列化垫层结构光纤微弯传感器包括加载桥、上齿形板、下齿形板、四个垫块和光纤；所述上齿形板的上端面开有预留槽，所述加载桥的下端面设置在预留槽内；上齿形板包含七个上齿，下齿形板包含八个下齿，上齿与下齿相配合，使从一侧光纤通道进入另一侧光纤通道穿出的光纤出现微弯。本发明用于力测量。

Description

系列化垫层结构光纤微弯传感器
技术领域
本发明涉及一种系列化垫层结构光纤微弯传感器。
背景技术
传统的压力传感器，测量压力的方法很多，有应变片测量法、光学测量法、霍尔效应测量法、光栅尺测量法等等。但目前的诸多测量方法都不利于远程测量与监控，尤其受外界强电信号干扰太大，远程传输失真严重，测量机构复杂，可靠性差，不利于维护。另外，对于易燃易爆环境现在所有利用电测的方法都不适宜，因为任何一点电火花都可能引起严重的火灾或爆炸事故，造成不可估量的损失。而光纤应力传感器具有诸多优点，受到人们的关注。如光纤光栅应力传感器，人们研究的较多，光纤光栅解调成本较高，应用受到限制。
光纤微弯传感器是1980年J.N.Fields和J.H.Cole首次提出的，属于光强调制型光纤传感器。它的工作原理是基于光纤的微弯而产生的光强损耗。当光纤微弯时，发生模式藕合，导模散射为辐射模，从而产生微弯损耗。光纤微弯传感器除了有一般光纤传感器所具有的灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、本质安全等的优点以外，还有结构简单、所需部件少、造价低、容易装配等优点。
但现有光纤微弯传感器存在测量范围小且光纤容易受到破坏的问题。
发明内容
本发明是要解决现有光纤微弯传感器存在测量范围小且光纤容易受到破坏的问题，而提供一种系列化垫层结构光纤微弯传感器。
本发明的系列化垫层结构光纤微弯传感器包括加载桥、上齿形板、下齿形板、四个垫块和光纤；所述上齿形板的上端面开有预留槽，所述加载桥的下端面设置在预留槽内；所述上齿形板的下端面沿长度方向设置有七个截面为半圆形的上齿且在所述上齿形板四个角的下端面分别设置有方形凸起，且在宽度方向同侧的两个方形凸起中间设置有光纤通道，在所述四个角的方形凸起下端面均开有方槽；所述下齿形板的上端面沿长度方向设置有八个截面为半圆形的下齿且在所述下齿形板四个角的上端分别设置有方形凸起，且在宽度方向同侧的两个方形凸起中间设置有光纤通道，在所述下齿形板四个角的方形凸起的上端面均开有方槽；所述上齿形板四个角的方槽与所述下齿形板四个角的方槽相对应；所述四个垫块的上端分别设置在所述上齿形板四个角的方槽中，所述四个垫块的下端分别设置在所述下齿形板四个角的方槽中；所述七个上齿的顶部对应所述八个下齿的两齿间处；所述光纤沿长度方向从一侧的光纤通道进入，从另一侧光纤通道穿出；所述光纤同时与所述上齿形板的下端面的七个上齿和所述下齿形板的上端面的八个下齿相接触。
工作原理：
光纤是一种能传播光信息的光导纤维，其由纤芯包层和保护套构成。纤芯的折射率比外包层的折射率要大，光从折射率较大的介质进入折射率较小的介质中易形成全反射，光在光纤中的传播依靠光的全反射。
当光纤发生弯曲变形时，输出光强会随外界条件发生变化，利用该原理可将光纤制作成为传感部件。光纤微弯传感器核心部件为一周期性间隔的微弯齿，由上齿形板、下齿形板和光纤构成，当上齿形板和下齿形板受到压力作用时，两者之间距离发生变化，使光纤也发生周期为N(齿形数目)的弯曲变化，光纤的弯曲将导致光在传播过程中的功率损耗。将这种损耗通过光强测量转换为电压值等模拟量，可以实现传感的测量。
进一步，在两个齿形板之间通过添加不同材质的垫层，利用材料压缩模量不同的特点，可以在一个齿形板下形成系列化量程的力学传感器。
本发明的有益效果：
本发明的齿形板结构中，外侧设计为桥式加载结构，内侧设计为可更换垫层结构。桥式加载结构可以使传感器的加载平稳，防止了传感器结构本身变形引入的光纤附加弯曲。内侧垫层结构为多种压缩性能线性材料，通过更换不同垫层材料，可以使光纤微弯传感器极大拓展测量范围，从毫克级至千克级均可以在一套齿形板上实现，提高了传感器制造过程的同一性。抗干扰能力强，使得在一些特殊场合(防爆、潮湿、高低温、固态、液态等环境下)有着重要的应用背景，并可以以微小器件的形式埋入到结构中同时起到监测与测量的双重作用。
附图说明
图1为本发明系列化垫层结构光纤微弯传感器的外观图；
图2为本发明系列化垫层结构光纤微弯传感器的正视剖面图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1、图2所示，本实施方式的系列化垫层结构光纤微弯传感器包括加载桥1、上齿形板2、下齿形板3、四个垫块4和光纤5；所述上齿形板2的上端面开有预留槽，所述加载桥1的下端面设置在预留槽内；所述上齿形板2的下端面沿长度方向设置有七个截面为半圆形的上齿且在所述上齿形板2四个角的下端面分别设置有方形凸起，且在宽度方向同侧的两个方形凸起中间设置有光纤通道，在所述四个角的方形凸起下端面均开有方槽；所述下齿形板3的上端面沿长度方向设置有八个截面为半圆形的下齿且在所述下齿形板3四个角的上端分别设置有方形凸起，且在宽度方向同侧的两个方形凸起中间设置有光纤通道，在所述下齿形板3四个角的方形凸起的上端面均开有方槽；所述上齿形板2四个角的方槽与所述下齿形板3四个角的方槽相对应；所述四个垫块4的上端分别设置在所述上齿形板2四个角的方槽中，所述四个垫块4的下端分别设置在所述下齿形板3四个角的方槽中；所述七个上齿的顶部对应所述八个下齿的两齿间处；所述光纤5沿长度方向从一侧的光纤通道进入，从另一侧光纤通道穿出；所述光纤5同时与所述上齿形板2的下端面的七个上齿和所述下齿形板3的上端面的八个下齿相接触。
本实施方式所述加载桥1与上齿形板2为分离结构，可以有效对垫块4进行加载而不引起上齿形板2和下齿形板3的附加变形。
本实施方式所述四个垫块4是材料相同、尺寸相同的长方体。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的加载桥1是由LY12超硬铝合金加工而成。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述上齿形板2是由LY12超硬铝合金加工而成。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：所述下齿形板3是由LY12超硬铝合金加工而成。其他与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述垫块4的材质为纯铝、聚四氟乙烯或丁晴橡胶。如此设置，易于加工，压缩模量较小。其他与具体实施方式一至四之一相同。
本实施方式中当选取纯铝为垫块材质时，测量量程为10kg；当选取聚四氟乙烯为垫块材质时，测量量程为1kg；当选取丁晴橡胶为垫块材质时，测量量程为1kg。
本实施方式中所述垫块4的材料均一且高度误差不超过1ξ。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述光纤5是将两根多模光纤跳线分别与光纤裸纤熔接，并将光纤裸纤表面的涂覆层用光纤拨钳去除得到的。其他与具体实施方式一至五之一相同。

Claims (6)

1.系列化垫层结构光纤微弯传感器，其特征在于系列化垫层结构光纤微弯传感器包括加载桥(1)、上齿形板(2)、下齿形板(3)、四个垫块(4)和光纤(5)；所述上齿形板(2)的上端面开有预留槽，所述加载桥(1)的下端面设置在预留槽内；所述上齿形板(2)的下端面沿长度方向设置有七个截面为半圆形的上齿且在所述上齿形板(2)四个角的下端面分别设置有方形凸起，且在宽度方向同侧的两个方形凸起中间设置有光纤通道，在所述四个角的方形凸起下端面均开有方槽；所述下齿形板(3)的上端面沿长度方向设置有八个截面为半圆形的下齿且在所述下齿形板(3)四个角的上端分别设置有方形凸起，且在宽度方向同侧的两个方形凸起中间设置有光纤通道，在所述下齿形板(3)四个角的方形凸起的上端面均开有方槽；所述上齿形板(2)四个角的方槽与所述下齿形板(3)四个角的方槽相对应；所述四个垫块(4)的上端分别设置在所述上齿形板(2)四个角的方槽中，所述四个垫块(4)的下端分别设置在所述下齿形板(3)四个角的方槽中；所述七个上齿的顶部对应所述八个下齿的两齿间处；所述光纤(5)沿长度方向从一侧的光纤通道进入，从另一侧光纤通道穿出；所述光纤(5)同时与所述上齿形板(2)的下端面的七个上齿和所述下齿形板(3)的上端面的八个下齿相接触。
2.根据权利要求1所述的系列化垫层结构光纤微弯传感器，其特征在于所述的加载桥(1)是由LY12超硬铝合金加工而成。
3.根据权利要求1所述的系列化垫层结构光纤微弯传感器，其特征在于所述上齿形板(2)是由LY12超硬铝合金加工而成。
4.根据权利要求1所述的系列化垫层结构光纤微弯传感器，其特征在于所述下齿形板(3)是由LY12超硬铝合金加工而成。
5.根据权利要求1所述的系列化垫层结构光纤微弯传感器，其特征在于所述垫块(4)的材质为纯铝、聚四氟乙烯或丁晴橡胶。
6.根据权利要求1所述的系列化垫层结构光纤微弯传感器，其特征在于所述光纤(5)是将两根多模光纤跳线分别与光纤裸纤熔接，并将光纤裸纤表面的涂覆层用光纤拨钳去除得到的。
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