CN104048615A - 点焊式光纤光栅应变传感器及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种点焊式光纤光栅应变传感器，包括光纤光栅应变传感器、基体，基体为高弹性合金材料，基体包括基板和一体连接在基体左右两端的两个调节块，两个调节块按左右位置分别为左调节块、右调节块，在两个调节块之间的基体中间部位设有基体槽，光纤光栅应变传感器外侧设有封装层，封装层的材质为低熔点玻璃粉，封装层的下半部分与基体槽连接；在右调节块上横向设有调节孔，调节孔内穿设有调节螺钉，调节螺钉的左端顶靠在左调节块的右侧面上；基板的周边设有密封用的胶层。点焊式光纤光栅应变传感器以其显著于传统电阻应变片的优点，实现了长期全面了解铁塔输电线路应变的实时状态的目的。

Description

点焊式光纤光栅应变传感器及其安装方法

技术领域

本发明涉及传感器领域。

背景技术

随着人类社会的不断进步，日常生活对电的依赖越来越强，输电的通畅是人们正常生活的保证。输电线路由于自然和人为原因受到损坏对人们的日常生活造成了巨大影响。

由于气象条件的变化，外界环境中输电线路的外荷载也随之变化，起主要破坏作用的外荷载之一是大风。安装在野外的输电线铁塔，在舞动条件下的平衡状态是一个动态变化的过程。这些将直接对高压输电线路杆塔的基础、杆塔、档距产生影响，并进一步引起高压输电线路其它元素的变形，甚至倒塔。由于这是一个缓慢的过程，通过对杆塔主材应力变化的监测可以在杆塔破坏前发出预警，以供电力部门采取相应的措施。这样就可以避免破坏发生或减小破坏所带来的损失。

输电线路在承受外载荷时应力变化主要反映在连接金具上，而杆塔倾斜时应力变化主要发生塔身主材上，所以应在连接金具和塔身主材上监测应力变化。

对铁塔舞动条件下的监测，传统上主要采用电阻应变片。电阻应变片，以价格便宜、技术成熟、反映速度快等特点，在实验测试中得到了广泛的应用。存在的问题是，电阻应变片易受电磁干扰，寿命短，很难适用于长期的监测。

电阻应变片有多种形式，常用的有丝式和箔式。它是由直径为0.02～0.05mm的康铜丝或者镍铬丝绕成栅状（或用很薄的金属箔腐蚀成栅状）夹在两层绝缘薄片（基底）中制成，用镀锡铜线与应变片丝栅连接作为应变片引线，用来连接测量导线。

电阻应变片的测量原理为：金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。将金属丝粘贴在构件上，当构件受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生电阻变化。

dR/R=Ks*ε

其中，Ks为材料的灵敏系数，其物理意义是单位应变的电阻变化率，标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。ε为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位微应变，常用符号με表示。

由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变ε与电阻变化率dR/R成线性关系，这就是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。

电阻应变片，以价格便宜、技术成熟、反映速度快等特点，在实验测试中得到了广泛的应用。存在的问题是，电阻应变片受潮会降低绝缘电阻和粘结强度，严重时会使敏感栅锈蚀；酸碱及油类侵入甚至会改变基底和粘接剂的物理性能。易受电磁干扰，寿命短，很难适用于长期的监测。

光纤传感器自20世纪70年代问世以来，受到了广泛关注，特别是近几年，光纤传感器的工程应用研究发展迅速。其中，光纤光栅传感器是用光纤布拉格光栅作为敏感元件的功能型光纤传感器，可以直接传感温度和应变，而应变是表征工程结构安全的重要指标，光纤型应变传感器以其应变灵敏度高（1个微应变），响应速度快，抗电磁干扰，体积小（125um），耐腐蚀（主要成分为二氧化硅），易于安装，使用寿命长等特点，在工程结构的安全监测中得到了广泛的应用，而且对工程结构的应变进行长期，实时，动态的检测有着非常重要的意义。

现有点焊式光纤光栅应变传感器，普遍存在两个问题：一是由于光纤光栅基体厚薄差距较大，焊接存在较大难度并且焊接距离很短；二是使用普通环氧树脂胶时存在较大蠕变，降低了长期测量的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种点焊式光纤光栅应变传感器及其安装方法，提高负应变测量精度，消除蠕变。

本发明的技术方案是： 

点焊式光纤光栅应变传感器，包括光纤光栅应变传感器、基体，基体为高弹性合金材料，基体包括基板和一体连接在基体左右两端的两个调节块，两个调节块按左右位置分别为左调节块、右调节块，在两个调节块之间的基体中间部位设有基体槽，光纤光栅应变传感器外侧设有封装层，封装层的材质为低熔点玻璃粉，封装层的下半部分与基体槽连接；在右调节块上横向设有调节孔，调节孔内穿设有调节螺钉，调节螺钉的左端顶靠在左调节块的右侧面上；基板的周边设有密封用的胶层。

调节螺钉可以为内六角螺钉。

所述基板为哑铃型。

采用所述的点焊式光纤光栅应变传感器的安装方法，安装步骤为：

第一步，将基板的左端底部焊接在待检测的连接金具或塔身主材的合适位置上，焊接时采用电容储能式焊接机，

第二步，将光纤光栅应变传感器放在基体槽内并将光纤光栅应变传感器连接至光谱仪，

第三步，将调节螺钉从右调节块上调节孔沿横向方向穿过，将调节螺钉的左端顶靠在左调节块的右侧面，调节直至产生500pm的波长漂移，即产生500微应变的预拉力，

第四步，将基板的右端焊接固定；

第五步，采用低熔点玻璃粉将光纤光栅应变传感器与基体槽封装在一起。

其中第四步中，将基板的右端焊接固定后，用胶将基板周边进行粘接。

点焊式光纤光栅应变传感器以其显著于传统电阻应变片的优点，实现了长期全面了解铁塔输电线路应变的实时状态的目的。通过应变监测系统的实时监测获取相关数据信息，然后根据这些数据分析评估输电线路的运行安全状态，并在达到预定值时报警，对于电网系统的安全运行具有重大现实意义。

光纤光栅应变传感器灵敏度高（1个微应变）、响应速度快、抗电磁干扰、体积小（125um）、耐腐蚀（主要成分为二氧化硅）、易于安装、使用寿命长，可对工程结构的应变进行长期、实时、动态的检测。

1）安装后调节光栅预应力的方式，提高负应变测量精度；

2）光栅的封装采用低熔点玻璃粉作为固定材料，消除蠕变。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明未采用胶层固定且未使用调节螺钉时的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括光纤光栅应变传感器1、基体2，基体2采用高弹性合金材料，基体2包括基板3和一体连接在基板3左右两端的两个调节块，两个调节块分别为左调节块6、右调节块7，在两个调节块之间的基体3中间部位设有基体槽5，光纤光栅应变传感器1安装在基体槽5内。光栅应变传感器1外侧有一层封装层10，封装层10的材质为低熔点玻璃粉。封装层10的下半部分与基体槽5连接，从而将光栅应变传感器1封装起来。

在右调节块7上横向设有调节孔4，调节孔4内穿设有调节螺钉8，调节螺钉8可以为内六角螺钉，方便调节。调节螺钉8的左端顶靠在左调节块6的右侧面上。

基板3为左右两端较宽而中间部分窄的哑铃型，先将基板3左端焊接在欲检测的连接金具或塔身主材上，通过调节螺钉8调节预应力后固定基板3的右端，并且通过胶密封。基板3的周边设有一层密封用的胶层9，胶层9采用704防水胶。

待安装完成后，施加激励通过高速光纤光栅解调仪采集应变数据。

现有点焊式光纤光栅应变传感器，普遍存在两个问题：一是由于光纤光栅基体厚薄差距较大，焊接存在较大难度并且焊接距离很短；二是使用普通环氧树脂胶时存在较大蠕变，降低了长期测量的稳定性。本发明针对第一个缺点采用了电容储能式焊接机，此焊接对电源要求较低，且可进行50米的高空焊接，针对第二个缺点采用低熔点玻璃粉作为固定材料，此材料长期蠕变较小，基本消除了长期的不稳定性。

整体结构采用高弹性合金材料，该材料焊接性能、防腐蚀性能优越。光纤光栅整体粘附于基体小槽内，通过螺栓可以调节光栅的预拉力（由于弹性基体很薄，厚度只有0.2mm，而且很窄，宽度只有4mm，既通过80N的力可以拉伸出500微应变，先通过一根螺栓通过螺纹穿入，焊接时先焊接一端的两个支脚，将光纤连接至光谱仪，调节螺钉通过顶住另一端面直至产生500pm的波长漂移，即产生500微应变的预拉力）这样就提高了负向应变的测量精度。当被测件由外力引起拉伸或者压缩时，带动传感基体协同变形，使得应变传递到光纤光栅处达到测量效果。

光纤光栅应变传感器的安装步骤为：

第一步，将基板3的左端底部焊接在待检测的连接金具或塔身主材的合适位置上，焊接时采用电容储能式焊接机，

第二步，将光纤光栅应变传感器1放在基体槽5内并将光纤光栅应变传感器1连接至光谱仪，

第三步，将调节螺钉8从右调节块7上调节孔4沿横向方向穿过，将调节螺钉8的左端顶靠在左调节块6的右侧面上，调节直至产生500pm的波长漂移，即产生500微应变的预拉力，

第四步，将基板3的右端焊接固定；将基板3的右端焊接固定后，用胶将基板3周边进行粘接。

第五步，采用低熔点玻璃粉将光纤光栅应变传感器1与基体槽5封装在一起。

比对试验：

同时在光纤光栅应变传感器1的相邻位置安装电阻应变片，并连接电阻应变仪，进行对比试验。经试验，可以看出在反复施加的六次振幅，周期不同的激励下，光纤光栅应变传感器与电阻应变片相应时间，相应幅度基本保持一致，由于安装测点不能完全做到相同，所以会有略微差异。

对比实验可知在位置基本相同的电阻应变片和光纤光栅应变传感器的各项性能基本相同，达到了预期实验目的，证明了光纤光栅应变传感器在舞动铁塔条件下可以代替电阻应变片使用。

本发明的有益效果：

1、消除了传统光纤光栅应变传感器长期蠕变导致的稳定性降低的困扰。

2、此种结构对应的焊接技术从安装以及稳定性上对传统光纤光栅应变传感器有了很大的改进。

3、安装后调节光栅预应力的方式，提高负应变测量精度；增加灵敏度，有助于在高频的测量中更有优势。

4、光栅的封装采用低熔点玻璃粉作为固定材料，该材料具有较低的熔化温度和封接温度、良好的耐热性和化学稳定性以及高的机械强度，消除蠕变。普通传感器大多采用环氧树脂胶封装，长期使用过程中由于空气湿度和反复使用过程中胶会产生比较大的蠕变（由于负应变的测量使用的是先将光栅拉出一定的预应力在标定零点的方式，所以光栅始终处于受力状态，如果使用普通环氧树脂胶长期会导致粘接处松动即为蠕变，导致失去预应力，）降低传感器精度，导致零点漂移，必须要反复清零，不利于长期测试。

Claims (5)

1.点焊式光纤光栅应变传感器，其特征在于：包括光纤光栅应变传感器、基体，基体为高弹性合金材料，基体包括基板和一体连接在基体左右两端的两个调节块，两个调节块按左右位置分别为左调节块、右调节块，在两个调节块之间的基体中间部位设有基体槽，光纤光栅应变传感器外侧设有封装层，封装层的材质为低熔点玻璃粉，封装层的下半部分与基体槽连接；在右调节块上横向设有调节孔，调节孔内穿设有调节螺钉，调节螺钉的左端顶靠在左调节块的右侧面上；基板的周边设有密封用的胶层。

2.根据权利要求1所述的点焊式光纤光栅应变传感器，其特征在于：调节螺钉可以为内六角螺钉。

3.根据权利要求1或2所述的点焊式光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述基板为哑铃型。

4.采用权利要求1~3任一条所述的点焊式光纤光栅应变传感器的安装方法，其特征在于：安装步骤为：

第一步，将基板的左端底部焊接在待检测的连接金具或塔身主材的合适位置上，焊接时采用电容储能式焊接机，

第二步，将光纤光栅应变传感器放在基体槽内并将光纤光栅应变传感器连接至光谱仪，

第三步，将调节螺钉从右调节块上调节孔沿横向方向穿过，将调节螺钉的左端顶靠在左调节块的右侧面，调节直至产生500pm的波长漂移，即产生500微应变的预拉力，

第四步，将基板的右端焊接固定；

第五步，采用低熔点玻璃粉将光纤光栅应变传感器与基体槽封装在一起。

5.根据权利要求4所述的点焊式光纤光栅应变传感器的安装方法，其特征在于：其中第四步中，将基板的右端焊接固定后，用胶将基板周边进行粘接。