CN104185772B - 用于曲面的fbg拉伸传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于在曲面上测量拉伸的FBG‑拉伸传感器，其中所述光导纤维(4)被固定在两个固定元件(5a、5b)之间，所述两个固定元件的底面被构造为粘贴面，其中所述光导纤维(4)和固定元件(5a、5b)被嵌入到由柔性特氟隆制成或由具有类似机械特性的塑料制成的保护物料(6)中，并且所述纤维(4)被嵌入到由特氟隆制成或由具有与特氟隆类似小摩擦系数的塑料制成的上部的薄滑动膜和下部的薄滑动膜(7、8)或者滑动软管(9)之间，其中所述下部的滑动膜(7)的底面或所述滑动软管(9)的外侧下包络线与所述固定元件(5a、5b)的粘贴面位于一个平面内。
Description
技术领域
本发明涉及带有光导纤维的拉伸传感器，所述光导纤维具有光纤布拉格光栅，所述拉伸传感器在下文被称为FBG拉伸传感器。本发明还适合在曲面上精准地测量拉伸。
背景技术
被固定在有待检查的材料表面上、对拉伸灵敏的传感器作为所谓的金属膜-DMS或作为FBG-纤维传感器公知。金属膜-DMS基本上由塑料-载体膜构成，在所述塑料-载体膜上全面地、也就是以其整个面固定了至少一个曲折形的薄金属膜条带。为了检测拉伸而将塑料载体膜粘贴到有待检查的材料表面上。有必要将塑料膜用作传感器载体，原因是只有使用这种布置才能按规定(definiert)应用DMS。在实验室条件之外，在没有比较稳定的塑料膜的情况下无法电绝缘地应用非常薄的金属膜。
与这些金属膜-DMS类似地研发如下FBG-传感器，所述FBG-传感器具有带光纤布拉格光栅(下文被称为FBG)的玻璃纤维来作为重要的组件。所述玻璃纤维同样必须被固定在有待检查的材料表面之上。在此，在操作时同样出现问题，原因是玻璃纤维薄并且容易破碎。因此同样必须研发传感器载体，因此FBG-传感器相对于恶劣的实践条件较不灵敏。在文献JP 2003 279760 A和WO 2008/101657 A1中描述了这种传感器。通过将带有FBG的灵敏纤维嵌入柔性塑料物料中，所述传感器能操作，因此适合于实践。文献WO 2008/101657 A1中所述的FBG-传感器具有两点式力导入(Zweipunkt-Krafteinleitung)并因此与全面应用的FBG传感器相比测量准确性大很多。通过这种类型的传感器，可以准确地测量平坦表面上的拉伸。但与金属膜-DMS相反，使用FBG-传感器在曲面上测量时出现借助图1a至图1g所示的问题。
图1a-1c示出常规的金属膜-DMS，其被粘贴在弯曲的材料表面之上，其中图1a示出弯曲的材料表面的带有DMS-应用的透视图。图1b示出图1a的侧视图，图1c示出图1b的放大剖面图。
如果所述材料由于力作用而拉伸或由于温度影响而发生膨胀，如图1c中由双箭头A1所示，则由于通过粘贴的方式将所述载体膜在整个面上固定到所述材料上，该拉伸均匀地传递给在整个面上与载体膜相连的金属膜，由此所述金属膜也以该尺度拉伸。这样所述材料拉伸几乎无错误地传递给金属膜-DMS，如图1c中通过双箭头A2所示。
但在具有两点式力导入的FBG-传感器中存在另一种拉伸传递方式，如下文所述。图1d和1e以纵剖面图和横剖面图的方式示出根据文献WO 2008/101657 A1所述的、固定在材料上的FBG-传感器，以如下方式构建所述FBG-传感器：具有FBG的玻璃纤维被保持在两个刚性固定元件之间并被嵌入到柔性塑料、例如硅橡胶中。这两个刚性固定元件被粘贴在有待检查的材料表面上。所述柔性塑料优选用于防止玻璃纤维配有FBG的部分受到干扰力影响，也就是防止其受到侧面的力的影响，并且整体上提高FBG-传感器在应用时的可操作性。然而，如果具有这种结构的FBG-传感器被用于在曲面上测量拉伸，则产生导致较大测量错误的效果。下文借助于图1f-1g解释其原因。
图1f示出根据文献WO 2008/101657 A1所述、应用在弯曲的材料表面上的传感器，而图1g示出所述玻璃纤维以何种方式跟随材料表面的拉伸。所述材料表面的拉伸通过有待监控的材料中的双箭头表示。通过材料表面的拉伸，两个固定元件之间的间距扩大了长度a+a，也就是所述纤维拉伸了长度2a。由于所述纤维只被夹固在两个固定元件中，所以所述纤维在材料表面方向上被牵拉，也就是所述塑料未按规定地挤压在FBG之上。另外，由于所述纤维的所述运动，所述材料表面的实际拉伸错误地传递至FBG，这样就出现了取决于材料表面曲率半径的测量错误。
因此表明，不论是使用根据JP 2003 279760A所述的传感器还是使用根据WO2008/101657 A1所述的传感器都不能在曲面上进行准确的拉伸测量。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种具有承载体的FBG-传感器，所述FBG-传感器在曲面上测量时也具有高的测量准确性、良好的可操作性并且制造成本低。
所述任务通过如下所述的FBG-传感器得以解决。根据本发明的一种带有光导纤维的FBG-传感器，所述光导纤维具有FBG且被固定在两个固定元件之间。所述固定元件的底面被构造为粘贴面，所述粘贴面被粘贴在有待检查的材料表面上。另外，光导纤维和固定元件被嵌入到由柔性硅橡胶或具有类似机械特性的塑料制成的保护物料中。所述纤维被嵌入到由特氟隆或具有与特氟隆类似的小摩擦系数的塑料制成的上部的薄滑动膜和下部的薄滑动膜之间，其中所述下部的滑动膜的底面与粘贴面位于一个平面内。
按照本发明的另一种带有光导纤维的FBG-传感器，所述光导纤维具有FBG、被固定在两个固定元件之间。所述固定元件的底面被构造为粘贴面，这些粘贴面被粘贴在有待检查的材料表面上。此外，所述光导纤维和固定元件被嵌入到由柔性硅橡胶或具有类似机械特性的塑料制成的保护物料内。所述纤维被由特氟隆或具有与特氟隆类似的小摩擦系数的塑料制成的薄滑动软管包围，其中所述滑动软管的外侧下包络线(Mantellinie)与这些粘贴面位于一个平面内。
与按照JP2003279760A或WO 2008/101657 A1所述的传感器装置相比，具有如上所述结构的FBG-传感器在曲面上也具有明显更小的测量错误。这归因于两种效果：
如果所述纤维被拉伸，所述纤维就不能在材料表面方向上移动，原因是它已经贴在接近所述材料表面的最低的线上，并且只通过薄的滑动膜与所述材料表面分开。由于所述滑动层具有非常小的摩擦系数，所以几乎没有产生粘滑效应。另外，也没有由于保护物料的影响而产生粘滑效应，这是因为它不接触FBG，而是通过上部的滑动膜与所述保护物料分开。
在本发明的改进方案中，所述滑动膜在其边缘被焊接或粘贴，并且所述上部的滑动膜与所述保护物料粘贴在一起。
在本发明的另一改进方案中，所述滑动软管与所述保护物料粘贴在一起。
这些膜彼此之间的焊接或粘贴以及这些膜和滑动软管与保护物料之间的粘贴阻止所述膜和滑动软管可能由于微小移动发生漂移。通过这种位移，在所述保护物料内部可能产生使FBG的测量准确性降低的张力。这种微小移动不仅在机械力周期出现时产生，而且在温度波动时产生。
按照本发明的又一改进方案允许多个相邻的FBG级联式地布置在唯一的、非常紧凑的、能够良好应用的组件中。测量技术中经常使用多重布置，从而可以在FBG-传感器停止运转时使用另一个生效的测量通道。
附图说明
下文借助于实施例、结合附图进一步描述本发明。
图1a示出弯曲的材料表面上的常规金属膜-DMS。
图1b示出图1a的侧视图。
图1c示出图1b的放大剖面图。
图1d-1e示出FBG-传感器的纵剖面图和横剖面图。
图1f示出弯曲的材料表面上的、按照图1d所示的FBG-传感器。
图1g示出材料表面拉伸时按照图1f所示的FBG-传感器。
图2a示出依据本发明的FBG-传感器的纵剖面图。
图2b示出依据本发明的FBG-传感器的第一实施方式的横剖面图。
图2c示出依据本发明的FBG-传感器的第二实施方式的横剖面图。
图2d示出依据本发明的FBG-传感器的第三实施方式的横剖面图。
图2e示出依据本发明的FBG-传感器的第四实施方式的横剖面图。
具体实施方式
图1a示出在弯曲的材料表面2、例如管或压力罐上的常规金属膜-DMS 1的透视图。金属膜-DMS 1基本上由塑料-载体膜1a构成，在塑料-载体膜1a上全面地固定至少一个曲折形的薄金属膜条带1b。为检测拉伸，在所述材料表面2上粘贴塑料-载体膜1a。
图1b示出图1a的侧视图，且图1c示出图1b的放大剖面图。如果所述材料如在图1c中利用拉伸箭头A1所示的那样拉伸，则由于全面的粘贴，所述拉伸均匀地传递给载体膜1a，并且通过金属膜1b与载体膜1a的全面连接，所述金属膜1b拉伸。这样，材料表面2的材料拉伸几乎无错误地传递到金属膜条带1b上，这用同样大小的拉伸箭头A2表示。这种几乎无错误的拉伸传递适用于平坦表面，同样适用于曲面。
与之相反，在FBG-传感器中，所述拉伸未传递至整个应用面上，如下文所述。
图1d和1e示出按照文献WO 2008/101657 A1所述FBG-传感器3的纵剖面图和横剖面图，所述FBG-传感器3构建如下：具有FBG 4a的玻璃纤维4被保持在两个刚性固定元件5a、5b之间并被嵌入到柔性塑料6中，例如嵌入到硅橡胶中。所述两个刚性固定元件5a、5b被粘贴在有待检查的材料表面2上并可能由彼此连接的、酚醛树脂浸渍的玻璃纤维叶片构成。所述柔性硅橡胶6用于防止光导纤维4具有FBG 4a的部分受到干扰力影响，也就是例如防止其受到侧面的力的影响，并且提高FBG-传感器3在应用时的可操作性。如果在有待检查的材料上产生力F，并且所述材料拉伸长度a+a以及因此平坦的材料表面2拉伸长度a+a，则所述拉伸如同在金属膜拉伸测量条带(Metallfolien-Dehnungsmessstreifen)的情况下同样几乎无错误地传递至FBG-传感器3。
然而，如果具有这种结构的FBG-传感器3被用于在曲面上测量拉伸，则出现导致较大测量错误的效果，下文借助于图1f-1g对此进行解释。
图1f示出应用在弯曲的材料表面2上的FBG-传感器3。由于所述光导纤维4非常薄并且因此可弯曲性良好，并且硅橡胶6同样与所述材料表面2的曲率半径的匹配性良好，所以具有这种结构的FBG-传感器3原则上也能够良好地应用在弯曲明显的表面之上。
图1g示出所述材料表面2拉伸时的情况，其通过弯曲的材料壁下方的箭头表示。
利用双箭头示出所述材料表面的拉伸。然而，由于所述纤维4只被夹固在两个固定元件5a、5b之间，所以它朝着材料表面移动并紧压在硅橡胶中。这一移动利用小箭头表示。在此，作用于FBG 4a的横向力使测量结果出现错误。另外，由于这种移动，所述材料表面的实际拉伸只是不完全地传递至FBG4a上，这样由此出现另一种取决于所述材料表面曲率半径的测量错误。因此表明，不论是利用根据JP2003279760A所述的传感器还是利用根据WO2008/101657A1所述的传感器都不能在曲面上准确地测量拉伸。
但利用按照图2a至2e所示的、依据本发明的FBG-传感器消除了测量错误的这两个原因。
图2a示出依据本发明的FBG-传感器3的纵剖面图。结合图2b的横剖面图描述FBG-传感器3的基本结构和功能。
所述光导纤维4被粘贴在所述固定元件5a、5b之间，并且每个固定元件都以其底面与所述材料表面2粘贴在一起。另外，所述光导纤维4被嵌入到两个滑动膜7和8之间。例如由特氟隆制成的这两个膜在其边缘彼此焊接在一起并且针对所述纤维4形成滑动轴承(Gleitlager)。在所述情况下，0.15毫米的、薄的滑动膜7直接贴在所述材料表面2上，也就是所述滑动膜7的底面位于和所述固定元件5a、5b的粘贴面相同的平面内。由于所述滑动膜7基于其特性和小的厚度而仅可以忽略地挤压在一起，所以在所述纤维4被张紧时，不会产生图1g中所述的测量错误或该测量错误小到可以忽略不计。另外由于所述纤维4从上由滑动膜覆盖，所以不会出现由于柔性塑料6的影响而引起的粘滑效应。
按照图2c和2d的实施方式具有相同功能。按照图2c所示的实施方式示出，所述柔性塑料6从所述滑动膜7、8的边缘上方伸出，因此产生防止可能由于毛细作用而侵入到传感器下方的潮气(这在霜冻时会造成测量错误)的相当好的密封效果。在按照图2d所示的实施方式中，使用柔性且有弹性的软管9代替膜7、8。由于它可以简易可靠地制造出来，因此它是本发明的优选实施方式。
所有可被描述为柔性且有弹性并且具有非常光滑的表面的塑料(例如特氟隆或硅酮)都可作为膜材料和软管材料。
在按照图2e所示的实施方式中，在所述固定元件5a、5b之间粘贴入两个光导纤维4并将其嵌入到塑料6中。这种多重传感器用于例如减小测量链的停止运转概率。
Claims (6)
1.带有光导纤维（4）的FBG-传感器，所述光导纤维（4）具有FBG（4a），其中
- 所述光导纤维（4）被固定在两个固定元件（5a、5b）之间，所述固定元件的底面被构造为粘贴面，其中所述光导纤维（4）和所述固定元件（5a、5b）被
- 嵌入到由柔性的硅橡胶或具有类似机械特性的塑料制成的保护物料（6）中，以及
- 所述纤维（4）被嵌入到由特氟隆制成或由具有与特氟隆类似小摩擦系数的塑料制成的上部的薄滑动膜（8）和下部的薄滑动膜（7）之间，其中
- 所述下部的薄滑动膜（7）的底面与所述固定元件（5a、5b）的粘贴面位于一个平面内。
2.如权利要求1所述的FBG-传感器，其特征在于，所述上部的薄滑动膜（8）和所述下部的薄滑动膜（7）在其边缘被焊接或粘贴在一起，并且所述上部的薄滑动膜（8）与所述保护物料（6）粘贴在一起。
3.如权利要求1或2所述的FBG-传感器，其特征在于，多个光导纤维（4）被固定在所述固定元件（5a、5b）之间。
4.带有光导纤维（4）的FBG-传感器，所述光导纤维（4）具有FBG（4a），其中
-所述光导纤维（4）被固定在两个固定元件（5a、5b）之间，所述两个固定元件的底面被构造为粘贴面，其中所述光导纤维（4）和所述固定元件（5a、5b）被
-嵌入到由柔性的硅橡胶或具有类似机械特性的塑料制成的保护物料（6）中，以及
-所述纤维（4）利用由特氟隆制成或由具有与特氟隆类似小摩擦系数的塑料制成的薄滑动软管（9）来包围，其中
-所述滑动软管（9）的外侧下包络线与所述固定元件（5a、5b）的粘贴面位于一个平面内。
5.如权利要求4所述的FBG-传感器，其特征在于，所述滑动软管（9）与所述保护物料（6）粘贴在一起。
6.如权利要求4或5所述的FBG-传感器，其特征在于，多个光导纤维（4）被固定在所述固定元件（5a、5b）之间。
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