CN105143833B - 具有纵向应变诱导夹套的光纤光栅传感器以及包括这种传感器的传感器系统和结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包括光纤的传感器，所述光纤包括布拉格光栅和纵向应变诱导(LSI)夹套，其用于根据横向负载(即压力或力)诱导纵向应变到光纤中。随着LSI夹套诱导应变到光纤中，光纤光栅变形，从而改变从光栅反射的光的特性。反射光的特性的变化可使用合适的光学仪器测量。可使用基于LSI夹套的传感器测量/感应的额外物理特性包括湿度含量/存在、化学品含量/存在和温度。横向负载感应传感器可包括横向负载应用结构，其在横向负载下压缩LSI夹套，从而引起夹套可控制地拉长且因此诱导纵向应变到光纤中。化学品和湿度LSI夹套可包括在出现化学品或湿度的情况下膨胀的材料。

Description

具有纵向应变诱导夹套的光纤光栅传感器以及包括这种传感 器的传感器系统和结构
相关申请数据
该申请要求2013年4月26日提交的题为“带有温度补偿的横向力传感器(TRANSVERSE FORCE SENSOR WITH TEMPERATURE COMPENSATION)”序列号为61/816,466的美国临时专利申请的优先权益，所述临时专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明一般涉及光纤光栅传感器的领域。具体地，本发明涉及具有纵向应变诱导夹套的光纤光栅传感器以及包括这种传感器的传感器系统和结构。
背景
光纤光栅已众所周知，且已经用于测量轴向和横向负载。这些光纤光栅的应用已经主要用于测量复合材料内和粘接接头内的应变场。为了测量横向负载，一些常规传感器依靠在光纤上应用横向负载的实施例。横向负载诱导差应变穿过光核心。这引起光核心显示两种不同的有效的折射率和相对于诱导的折射率差异隔开的两种“有效的”光纤光栅。这些原理在各种应用中已经应用于测量横向应变/负载。
测量横向负载的常规传感器有若干重大问题。一个问题为通过小到中等横向负载诱导的双折射的数量非常小。需要付出巨大努力准确地读出这些差异且其相应使成本上升。备选方案为机械地放大横向负载。这导致较大的传感器、增加的成本，且在一些情况下需要高精度的对齐和制造方法。对于横向负载传感器经受高电场的一些应用，消除空气间隙是重要的。该要求使得采用一些常规几何图形更加困难，所述常规几何图形包括利用边孔光纤的几何图形。
公开概述
1)在一个实施例中，本公开涉及用于测量压缩负载的传感器，所述传感器包括第一光纤，其具有经设计和配置以在传感器的使用期间垂直定向于压缩负载的纵轴；第一布拉格光栅，其应用到第一光纤；以及第一纵向应变诱导夹套，其耦合到第一光纤且沿纵轴延伸，所述第一纵向应变诱导夹套经选择和配置以根据压缩负载增加的量级在第一布拉格光栅处诱导第一光纤中增加的轴向拉伸应变。
2)根据项目1)所述的传感器，还包括应用到所述第一光纤的第二布拉格光栅，所述第二布拉格光栅与所述第一布拉格光栅隔开，并被提供来对利用所述第一布拉格光栅的测量进行温度补偿。
3)根据项目1)所述的传感器，其中，所述第一光纤包括横向负载感应区域，所述横向负载感应区域包含所述第一布拉格光栅且被所述第一纵向应变诱导夹套的至少一部分包围，所述传感器还包括将所述横向负载感应区域夹在其之间的一对横向负载应用结构。
4)根据项目3)所述的传感器，其中，所述一对横向负载应用结构包括一对对立面，所述一对对立面在横向于所述压缩负载的方向上在所述横向负载应用结构之间限定间隙，所述间隙包含所述横向负载传感器区域。
5)根据项目4)所述的传感器，其中，所述间隙包含包围所述横向负载传感器并在所述对立面之间延伸的环氧基树脂。
6)根据项目4)所述的传感器，其中，所述对立面中的第一对立面包括接收所述横向负载传感器区域的第一凹槽，所述第一凹槽经设计和配置以优化所述第一纵向应变诱导夹套的拉长以响应所述压缩负载的应用。
7)根据项目6)所述的传感器，其中，所述第一凹槽具有V型横向截面形状。
8)根据项目6)所述的传感器，其中，所述第一凹槽具有弧形横向截面形状。
9)根据项目6)所述的传感器，其中，所述对立面的第二对立面具有与所述第一凹槽对立安置的第二凹槽，所述第二凹槽接收所述横向负载传感器区域，且经设计和配置以优化所述第一纵向应变诱导夹套的拉长以响应所述压缩负载的应用。
10)根据项目4)所述的传感器，还包括位于所述间隙内相对于所述横向负载感应区域隔开的至少一个负载平衡间隔物，其中，所述至少一个负载平衡间隔物根据所述横向负载感应区域定尺寸。
11)根据项目10)所述的传感器，其中，所述至少一个负载平衡间隔物包括用夹套覆盖的第二光纤以实质地匹配所述第一光纤的所述第一纵向应变诱导夹套。
12)根据项目3)所述的传感器，其中，所述传感器经设计和配置以和外部结构一起使用，且所述横向负载应用结构彼此整合以形成单片单元，所述单片单元经设计和配置以与所述外部结构接合。
13)根据项目3)所述的传感器，还包括应用到所述第一光纤且相对于所述第一布拉格光栅隔开的第二布拉格光栅，其中，所述第二布拉格光栅位于所述一对横向负载应用结构之间的外面。
14)根据项目13)所述的传感器，其中，所述第二布拉格光栅作为温度感应光栅提供。
15)根据项目14)所述的传感器，其中，所述传感器经设计和配置以用于测量第二物理特性且还包括：
第三布拉格光栅，其应用到所述第一光纤且相对于所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅中的每一个隔开，其中，所述第三布拉格光栅位于所述一对横向负载应用结构之间的外面；以及
第二纵向应变诱导夹套，其耦合到所述第一光纤并沿所述纵轴延伸，所述第二纵向应变诱导夹套经选择和配置以在所述第三布拉格光栅处根据所述第二物理特性的变化来诱导所述第一光纤内的轴向应变。
16)根据项目13)所述的传感器，其中，所述第二布拉格光栅作为物质感应光栅提供，且所述传感器还包括耦合到所述第一光纤并沿所述纵轴延伸的第二纵向应变诱导夹套，所述第二纵向应变诱导夹套经选择和配置以在所述第二布拉格光栅处根据物质的存在来诱导所述第一光纤内的轴向应变。
17)根据项目16)所述的传感器，其中，所述第二布拉格光栅作为湿度感应光栅提供，且所述第二纵向应变诱导夹套经选择和配置以在所述第二布拉格光栅处根据湿度的存在来诱导所述第一光纤内的轴向应变。
18)在另一个实施例中，本公开涉及电力变压器，所述电力变压器包括经受夹紧负载的电力绕组；以及横向压力传感器，其与电力绕组接合以便测量夹紧负载，所述横向压力传感器包括：分别具有第一和第二对立面的第一和第二加载构件，所述第一和第二对立面限定第一和第二加载构件之间的间隙；第一光纤，其具有位于间隙内的横向负载感应区域且具有纵轴；第一布拉格光栅，其应用到横向负载感应区域中的第一光纤；以及第一纵向应变诱导夹套，其耦合到横向负载感应区域中的第一光纤且沿纵轴延伸，所述第一纵向应变诱导夹套经选择和配置以根据夹紧负载的变化在第一布拉格光栅处诱导第一光纤中的轴向应变。
19)根据项目18)所述的变压器，其中，所述对立面的第一对立面包括接收所述横向负载传感器区域的第一凹槽，所述第一凹槽经设计和配置以优化所述第一纵向应变诱导夹套的拉长以响应所述压缩负载的应用。
20)根据项目19)所述的变压器，其中，所述第一凹槽具有V型横向截面形状。
21)根据项目19)所述的变压器，其中，所述第一凹槽具有弧形横向截面形状。
22)根据项目19)所述的变压器，其中所述对立面的第二对立面具有与所述第一凹槽对立安置的第二凹槽，所述第二凹槽接收所述横向负载传感器区域且经设计和配置以优化所述第一纵向应变诱导夹套的拉长以响应所述压缩负载的应用。
23)根据项目18)所述的变压器，还包括位于所述间隙内相对于所述横向负载感应区域隔开的至少一个负载平衡间隔物，其中，所述至少一个负载平衡间隔物根据所述横向负载感应区域定尺寸。
24)根据项目23)所述的变压器，其中，所述至少一个负载平衡间隔物包括第二光纤，所述第二光纤用夹套覆盖以实质地匹配所述第一光纤的所述第一纵向应变诱导夹套。
25)根据项目18)所述的变压器，还包括应用到所述第一光纤且相对于所述第一布拉格光栅隔开的第二布拉格光栅，其中，所述第二布拉格光栅位于所述一对横向负载应用结构之间的外面。
26)根据项目25)所述的变压器，其中，所述第二布拉格光栅作为温度感应光栅提供。
27)根据项目25)所述的变压器，其中，所述第二布拉格光栅作为湿度感应光栅提供，且所述传感器还包括第二纵向应变诱导夹套，所述第二纵向应变诱导夹套经选择和配置以在所述第二布拉格光栅处根据湿度的存在诱导所述第一光纤内的轴向应变。
28)根据项目26)所述的变压器，其中，所述传感器还经设计和配置以用于测量所述电力绕组内的湿度，且所述变压器还包括：
第三布拉格光栅，其应用到所述第一光纤且相对于所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅中的每个隔开，其中，所述第三布拉格光栅位于所述一对横向负载应用结构之间的外面；以及
第二纵向应变诱导夹套，其耦合到所述第一光纤并沿所述纵轴延伸，所述第二纵向应变诱导夹套经选择和配置以在所述第三布拉格光栅处根据湿度的变化诱导所述第一光纤内的轴向应变。
附图说明
出于说明本发明的用途，附图示出本发明的一个或多个实施例的方面。然而，应该理解，本发明不限于附图中所示的精确安置和手段，其中：
图1A为写到单模光纤上的现有技术均匀光纤光栅的视图，其示出经受均匀横向负载的光纤；
图1B为写到单模光纤上的现有技术均匀光纤光栅的视图，其示出经由非均匀横向负载的光纤；
图2为使用未覆盖的光纤光栅的双光纤基于V型槽的横向负载传感器组件的横向横截面图；
图3为类似于图2所示的传感器的10mm×4mm光纤光栅横向负载传感器的光谱响应的曲线图，其中所述传感器通过施加400psi横向负载的2英寸直径的圆柱体接合；
图4A为包括光纤的横向负载传感器组件的横向横截面图，所述光纤具有转换横向负载为光纤内的轴向应变的纵向应变诱导(LSI)夹套；
图4B为图4A的横向负载传感器组件的纵向横截面图，其示出组件的操作原理；
图5A为在100℃下未加载的图4A和图4B的传感器组件的示例的光谱响应的曲线图；
图5B为在100℃下通过二英寸直径的圆柱体以200psi(～1.379MPa)加载的对应图5A的传感器组件示例的光谱响应的曲线图；
图5C为在100℃下通过二英寸直径的圆柱体以400psi(～2.758MPa)加载的对应图5A的传感器组件示例的光谱响应的曲线图；
图5D为在100℃下通过二英寸直径的圆柱体以600psi(～4.137MPa)加载的对应图5A的传感器组件示例的光谱响应的曲线图；
图5E为在100℃下通过二英寸直径的圆柱体以800psi(～5.516MPa)加载的对应图5A的传感器组件示例的光谱响应的曲线图；
图5F为在100℃下通过二英寸直径的圆柱体以1000psi(～6.895MPa)加载的对应图5A的传感器组件示例的光谱响应的曲线图；
图6为波长对用于图4A和图4B的传感器组件的示例的横向负载的曲线图，用于在52℃下从0psi(0MPa)增至1500psi(～10.342MPa)且然后从1500psi(～10.342MPa)减至0psi(0MPa)横向加载；
图7为波长对用于对应图6的示例的横向负载的曲线图，用于在100℃下从0psi(0MPa)增至1500psi(～10.342MPa)横向加载；
图8为利用凹槽的本发明的基于LSI夹套的横向负载传感器组件的横向横截面图，所述凹槽具有弧形横向横截面，而不是V型横截面；
图9为利用第一和第二横向负载应用结构上的凹处的本发明的基于LSI夹套的横向负载传感器组件的横向横截面图，其中所述凹处具有V型横向横截面；
图10为利用第一和第二横向负载应用结构上的凹处的本发明的基于LSI夹套的横向负载传感器组件的横向横截面图，其中所述凹处具有弧形横向横截面；
图11为利用多个备有夹套的光纤类负载平衡间隔物的本发明的基于LSI夹套的横向负载传感器组件的横向横截面图；
图12为利用非光纤类负载平衡间隔物的本发明的基于LSI夹套的横向负载传感器组件的横向横截面图；
图13为在应变消除管内包含第二光纤光栅的基于LSI夹套的横向负载传感器的等距视图；
图14为设计有温度补偿和测量水或化学品含量的能力的基于LSI夹套的横向负载传感器的平面图；
图15为基于LSI夹套的横向负载传感器系统的示意图，所述系统包括用于提供测量光的光谱宽带光源；
图16为基于LSI夹套的横向负载传感器系统的示意图，所述系统包括用于提供测量光的可调谐窄带光源；
图17为电力变压器的简化横截面图/示意图，所述电力变压器包括基于LSI夹套的横向负载/温度/湿度传感器系统；
图18为根据本发明制成的可替换的基于LSI夹套的横向负载传感器的横向横截面图；
图19为根据本发明制成的基于光纤光栅的温度传感器的横向横截面图；
图20为根据本发明制成的可替换的基于LSI夹套的湿度/化学品传感器的横向横截面图；以及
图21为设计有温度补偿以及测量水或化学品含量的能力的可替换的基于LSI夹套的横向负载传感器的平面图。
具体实施方式
在一些方面，本发明涉及基于光纤的传感器，其包括光纤、应用到光纤的至少一个布拉格光栅和应用到光纤的一个或多个纵向应变诱导(LSI)覆盖物或其它夹套。每个LSI夹套经选择以用于在相应的布拉格光栅处通过诱导纵向应变到光纤中测量特定的物理特性。在横向负载的情况中，夹套拉长从而经过适当设计的传感器的行为引起纵向应变。本公开的传感器可经设计和配置以测量物理特性的实例包括，但不限于横跨光纤应用的负载、温度和诸如湿度或特定化学分析物的物质的存在和/或数量及其任意组合。凭借每个LSI夹套材料自身的性质和/或接合LSI夹套的物理结构的性质，LSI夹套诱导轴向应变到相应的布拉格光栅的区域中的光纤中，由于由诱导的轴向应变造成的布拉格光栅的变形允许基于光学的测量由光纤的输出中的变化组成。本文描述用于测量横向轴向应变和用于测量湿度存在的具体示例性LSI夹套。然而，本领域技术人员将很容易理解如何应用这些传感器潜在的广泛功能以使用其他LSI夹套设计其它传感器。
本公开的其它方面涉及为基于LSI的传感器提供内置的温度补偿功能以允许基于LSI夹套诱导的轴向应变采取的任何测量，从而在测量时调整传感器的当前温度。本公开的进一步方面涉及传感器系统，其包括根据本发明制成的基于LSI夹套的传感器。本公开的更进一步方面包括诸如电力变压器和变压器绕组的结构，所述结构包括整合其中的这种传感器和/或传感器系统。参考一些示例性实施例，下面详细描述本发明的这些和其它方面，所述示例性实施例不仅示出具体实例，而且示出本发明潜在的广泛特征和功能。然而，在转向这些示例性实施例之前，首先提供光纤光栅类横向负载传感器的简要背景。
基于光纤的布拉格光栅已众所周知且已经用于测量轴向和横向负载。例如，图1A示出现有技术光纤10，其具有写到它的核心18上的均匀光纤光栅14。在缺失光纤10的任何横向加载以及通过平整的宽光谱带光源的光纤光栅14的照度的情况下，从光纤光栅的反射为单一光谱峰22。当光纤光栅14通过如图1所示的均匀横向负载26充分加载时，由于通过横向负载诱导的光纤10的双折射，单一光谱峰22分裂为两个光谱峰30。就是说，横向负载26诱导不同的应变穿过光核心18。这反过来引起核心18内两个不同的有效的折射率率和根据所诱导的折射率差异间隔的两个“有效的”光纤光栅。这些原理已经在各种应用中应用于测量横向应变/负载，尤其是复合材料内部和粘接接头内部的应变测量。
图1B示出横向负载34不均匀的情况。该结果为沿光纤10的长度的折射率变化且因此光谱峰38的光谱将分裂。对于许多应用，与现有技术光纤布拉格光栅关联的光谱裂缝可相当小且可需要高分辨率的光谱分析仪以足够准确地进行测量。增强信号的可替换方法包括特殊的光纤几何图形以及增加成本和复杂性的机械增强方法。
为了制成低成本且有效的横向负载传感器，本发明人对利用与用于横向负载传感器的电信产业关联的V型槽组件进行调查。图2示出在这些调查中使用的横向负载传感器组件200。如图2所示，组件200包括第一横向负载应用结构204(这里，第一板)、第一光纤208、负载平衡间隔物212(这里，第二光纤)、第二横向负载应用结构216(这里，第二板)和粘接材料220，诸如环氧基树脂。注意的是，虽然第一加载结构204和第二加载结构216示出为板，但它们可为另一种形式，诸如块、垫等。在一些实施例中，第一加载结构204和第二加载结构216可与第一光纤208和负载平衡间隔物212整合以使传感器组件200为单片单元，其从组件与其一起使用的任何结构单独供应。在其它实施例中，第一加载结构204和第二加载结构216可为在其中进行测量的结构的不可分割的一部分。例如，用于桥的轴承组件(未示出)或公共基础设施的其它零件的轴承组件(未示出)可以第一光纤208和负载平衡间隔物212整合到轴承组件中的方式制成。本领域技术人员将很容易意识到许多其它结构，其可包括本公开的集成传感器。
在示出的实施例中，第一横向负载应用结构204包括一对凹处槽224和228(这里，拉长的V型槽)，其可以这样的方式分别接收第一光纤208和负载平衡间隔物212，以这样的方式至少在未加载的条件中，所述方式提供第一横向负载应用结构204和第二横向负载应用结构216之间的间隙232。使用用于第一横向负载应用结构204的石英进行初始测试。然而，除石英外的材料，诸如各种陶瓷中的任何一种，可替换使用。在一个实例中，第一光纤208包含光纤布拉格光栅(未示出)，且当横向负载236应用到传感器组件200时，负载平衡间隔物212通过第一横向负载应用结构204和第二横向负载应用结构216提供平衡以通过第一横向负载应用结构204和第二横向负载应用结构216帮助确保第一光纤的均匀横向加载。注意的是，当负载平衡间隔物212为第二光纤时，以较高成本将光纤布拉格光栅放入两个光纤208和第二光纤中是可行的，在特定情况下，所述光纤布拉格光栅其可提供冗余以及高度敏感的微差测量。两个(或更多)光纤中的横向负载感应光纤布拉格光栅是可取的示例性应用为在出现剧烈的温度梯度在其中出现的情况中是可取的。在图2所示的配置中，凹槽224和228具有V型横向横截面，但在其它实施例中，可使用其它横向截面形状，诸如弯曲的(例如，圆形的、椭圆的、抛物线的等)。光纤208和负载平衡间隔物212的直径足够大以至于每个超出第一横向负载应用结构204的表面240延伸以提供间隙232。由于在第一光纤208以及第一横向负载应用结构204和第二横向负载应用结构216之间可引起的三点接触，用于凹槽224和228的V型横向横截面是可取的。粘接材料220可为，例如，环氧基树脂或其它合适的材料。
当应用横向负载236到第一横向负载应用结构204和第二横向负载应用结构216时，光谱分裂可发生，所述光谱分裂可反过来用于测量横向负载。有诸如负载236的横向负载时，为了具有非常明显的光谱裂缝，间隙232非常均匀且第一凹槽224和第二凹槽228尽可能光滑和均匀是重要的。如图1B所示，如果横向加载沿光纤长度不均匀，无关的光谱分裂将发生。
本发明人基于图2的传感器组件200使用用于光纤208的裸光纤和负载平衡间隔物212制作传感器。图3为示例传感器组件200中第二横向负载应用结构216在平面区域(例如，在面240的平面中)内约为4mm×10mm且当传感器组件被用2英寸直径的圆柱体加载约400psi(～2.758MPa)时，传感器组件200的示例的光谱响应的曲线图。光谱响应曲线300的双峰性质明显，且峰到峰总间隔304可用于提取横向负载测量。虽然已经注意确保平整，但横向应变场不均匀是明显的，其可使结果的解释复杂化。
图4A和图4B示出可替换的横向负载感应传感器组件400，其对图2的传感器组件200的基本配置具有主要的新颖的改进。在图4A和图4B的实施例中，传感器组件400具有类似于图2的组件200的元件，除了(1)第一光纤208的裸光纤和负载平衡间隔物212的第二光纤分别由有套光纤404和408替换，每个有套光纤具有相应的LSI夹套404A和408A，其分别包住光纤404B和408B以及(2)负载轴承通道428和424经设计和配置以便横向力440引起覆盖物408和404轴向拉长。在一些实施例中，每个光纤404B和408B可为单模光纤，其具有石英包层。如具体的非限制性实例，每个光纤404B和408B可为常规光纤，其具有125微米的直径和8微米到10微米的直径核心。可使用具有其它配置和规格的光纤。LSI夹套404A和408A分别应用到光纤404B和408B。在一个具体的非限制性实例中，每个夹套404A和408A具有约35微米的厚度。其它厚度可用于适合经选择以用于每个夹套的特定应用和特定材料。例如，每个夹套404A和408A的厚度和材料可根据以下项选择：(1)传感器组件400经设计以用于测量的加载范围，(2)传感器组件的其它组件的配置，诸如第一横向负载应用结构412和第二横向负载应用结构416，以及(3)经选择以用于夹套的材料的机械性能，诸如弹性模量。此外，夹套404A和408B的材料也可根据加载范围以及第一横向负载应用结构412和第二横向负载应用结构416的配置选择，其中传感器组件400经设计以用于测量所述加载范围。在一些实施例中，每个LSI夹套404A和408A可包括陶瓷覆盖物，诸如有机改性陶瓷材料，例如，在商标下所提及的有机改性陶瓷材料，所述商标为德国慕尼黑的FraunhoferGesellschaft zur Forderung der angewandten Forschung e.V.所有。
正如图2的传感器组件200，图4A和图4B的传感器组件400包括第一横向负载应用结构412和第二横向负载应用结构416以及将组件的所有组件彼此粘接在一起的粘接材料420。第一横向负载应用结构412包括一对凹槽424和428(这里为V型槽)，其分别接收有套光纤404和408，且有套光纤超出第一横向负载应用结构的面432延伸以使第一横向负载应用结构412和第二横向负载应用结构416限定间隙436，其允许第一夹套404A和第二夹套408A承受大量的任何横向加载，诸如应用到传感器组件400的横向加载440，凹槽424和428以这样的方式经设计以使它们具有足够的宽度和深度容纳有套光纤。第一横向负载应用结构412和第二横向负载应用结构416的材料和配置可相同于或类似于上面结合图2提到的材料。
当横向负载440应用到传感器组件400时，每个LSI夹套404A和408A变形且对相应的光纤404B和408B施加纵向应变。如图4B所示，相对于有套光纤404，横向加载440的应用引起LSI夹套404A压缩且因此稍微将夹套的材料从第一横向负载应用结构412和第二横向负载应用结构416之间挤出(如箭头444(1)和444(2)所示)，从而诱导拉伸应变到核心404B中，所述核心404B包括合适的光纤布拉格光栅404C(见图4B)。光纤核心404B中诱导的拉伸应变引起布拉格光栅404C变形，导致测量光(未示出)中向可测量的较长波长的光谱变换。
用横向负载440的值高达1500psi的趋势在传感器组件400的示例上进行几个循环。在该示例中，每个光纤404B和408B的直径为125微米，每个光纤具有陶瓷的35微米覆盖物的相应的LSI夹套404A和408A，光纤布拉格光栅404C是8mm长，第一横向负载应用结构412和第二横向负载应用结构416是石英，第二横向负载应用结构416的平面区域为10mm×4mm，且第一横向负载应用结构412的平面区域约为14mm×4mm且带有经设计用于应变消除的区域。在测试示例中，第一V型凹槽424和第二V型凹槽428中的每个凹槽的深度经设计以具有深度，其将导致125微米直径的裸光纤正好包含在相应的V型凹槽中且第二横向负载应用结构416的面448正好与裸光纤接触。在横向负载440下带有相应的陶瓷覆盖物夹套404A和408A的每个有套光纤404和408的行为是陶瓷夹套沿V型槽组件拉长(再次，如图4B的箭头444(1)和444(2)所示)，从而对有套光纤和布拉格光栅404C施加纵向应变。在测试过程中，描述的横向负载传感器组件400的示例放置在具有温度控制的顶板和底板的液压装载机(未示出)中，其用于在每个25℃、50℃和100℃处运行测试。装载机用于对2英寸直径的圆柱体施加多至2000psi(13.79MPa)的负载。装载机相应地驱动平整的铝板，由于测试的传感器组件400的较小尺寸，所述平整的铝板对传感器组件400施加高得多的横向负载。
图5A至图5F示出从在图4A和图4B的横向负载传感器组件400的所制造示例上运行的各种测试中收集的光谱。图5A为在100℃下未加载的传感器组件400的曲线图500。图5B为当传感器组件400通过在100℃下以及200psi操作的2英寸直径的圆柱体加载时的曲线图510。图5C为通过在100℃下以及400psi操作的2英寸直径的圆柱体加载的传感器组件400的曲线图520。图5D为通过在100℃下以及600psi操作的2英寸直径的圆柱体加载的传感器组件400的曲线图530。图5E为通过在100℃下以及800psi操作的2英寸直径的圆柱体加载的传感器组件400的曲线图540。图5F为通过在100℃下以及1000psi操作的2英寸直径的圆柱体加载的传感器组件400的曲线图550。在每种情况下有非常整齐的单一光谱峰，其基于纵向应变允许快速而准确的横向负载测量。
图6示出波长对负载的曲线图600，该负载用于图4A和图4B的传感器组件400的测试示例，其具有在52℃下通过2英寸直径的装载机应用的从0psi(0MPa)增至1500psi(～10.342MPa)且然后从1500psi(～10.342MPa)降回到0psi(0MPa)的横向加载。在向上循环上应用的负载连续地被应用并向上递增地调整到1500psi(～10.342MPa)。在向下循环上，经发现，完全卸载和重载用于每个压力负载的传感器是必要的。图7示出波长对负载的曲线图700，该负载用于图4A和图4B的传感器组件400的相同测试示例，其具有在100℃下应用从0psi(0MPa)增至1500psi(～10.342MPa)的横向加载。用于生成曲线图700的曲线704的算法为以15000计数的功率级的波长的简单平均数。在曲线704下求积分的更复杂的算法可改进结果。
注意的是，“转换”横向负载为纵向应变的基于LSI夹套的横向负载传感器也可使用不同于图4A和图4B所示的传感器组件400的几何图形和配置的几何图形和/或配置实现。如第一实例，图8示出基于LSI夹套的横向负载传感器组件800，其中图4A的传感器组件400的V型凹槽424和428分别被图8的弧形凹槽804和808替换。传感器组件800的其它组件和特征可相同于或类似于图4A和图4B的传感器组件400。如另一个实例，图9示出基于LSI夹套的横向负载传感器组件900，其包括第一有套光纤904和第二有套光纤908以及第一横向负载应用结构912和第二横向负载应用结构916，每个横向负载应用结构包括一对凹处912A、912B、916A和916B，其接收第一和第二光纤的各自相应的部分。凹槽912A、912B、916A和916B的深度不必彼此相同，且在具体环境条件下用于最佳性能的许多不同的组合是可行的。图9的横向负载传感器组件900示出对于每个有套LSI光纤，第一和第二横向负载应用结构都可包括具有V型横向横截面的相应的凹槽。类似地，图10示出基于LSI夹套的横向负载传感器组件1000，其也具有用于每个有套光纤1012和1016的两个凹槽1004A、1008A、1004B和1008B，但在图10中，每个凹槽具有弧形横向截面形状。凹槽1004A、1008A、1004B和1008B的曲度可经调整以通过相应的夹套1012B和1016B的行为改变横向负载到每个光纤1012A和10161A上的纵向应变的转换。注意的是，在图9和图10的传感器组件900和1000中，没有特别指出并描述的组件可相同于或类似于图4A和图4B的传感器组件400的相似组件。
如几何图形和/或配置的另一个实例，图11示出基于LSI夹套的横向力传感器组件1100，其包括五个有套LSI光纤1104、1108、1112、1116和1120，而不是在图2、图4A、图4B，以及图8至图10的实施例中出现的仅两个。有套光纤1104、1108、1112、1116和1120中的至少一个有套光纤包括光纤布拉格光栅(未示出)，其用于测量通过横向负载(未示出)诱导到那个光纤的应变的用途，所述横向负载以上述相对于图4A和图4B的传感器组件400的方式应用到传感器组件1100。不包括光纤布拉格光栅的每个有套光纤1104、1108、1112、1116和1120可经提供以用于通过允许调整负载来优化调整传感器组件1100的性能，所述负载通过两个横向负载应用结构1124和1128之间的光纤传输。例如，可通过修改横向负载应用结构1124和1128的表面积、横向负载应用结构之间有套光纤1104、1108、1112、1116，和1120的长度，以及传感器组件1100中光纤数量调整负载。注意的是，在任何或所有的光纤1104、1108、1112、1116和1120中放置温度感应光纤光栅和/或横向负载感应光纤光栅是可行的。为了最低的可能成本，据预计，只有一个光纤将包含光栅。然而，对于一些应用，冗余和性能问题可制作可取的额外光纤光栅用于横向负载和/或温度感应。在示出的实施例中，第一横向负载应用结构1124包括五个凹槽1124A至1124E(这里全为V型)，一个凹槽用于每个有套光纤1104、1108、1112、1116和1120。正如本领域技术人员将很容易理解的，多于或少于五个有套光纤1104、1108、1112、1116和1120和/或相应的凹槽1124A至1124E可如特定应用所预期/所需被使用。
图12示出利用单一有套LSI光纤1204的基于LSI夹套的横向负载传感器组件1200，其不同于利用两个或多个有套光纤的图4A、图4B以及图8至图11的实例。除单一有套光纤1204外，传感器组件1200包括第一横向负载应用结构1208和第二横向负载应用结构1212，有套光纤1204在凹槽1216中接合，例如，所述凹处1216可具有V型横向横截面。有套光纤1204可通过诸如包含负载平衡间隔物1224的环氧基树脂的粘合材料1220固定。在一个实施例中，例如，负载平衡间隔物1224可为由玻璃制成的球面球并具有相同的或不同的直径。负载平衡间隔物1224可用于确定第一横向负载应用结构1208和第二横向负载应用结构1212之间的最小间距。与夹套1204A的厚度、凹槽1216的深度和光纤核心1204B的直径组合的该间距的行为可确定传感器组件1200的响应范围。虽然单一光纤光栅可用于最小化成本，但是一个或多个额外的光纤光栅可用于测量一对横向负载应用结构之间的多个负载。
温度测量和补偿能力也可以几种方式中的任何一种方式设计到根据本公开制成的基于LSI夹套的传感器中。做这个的一种方式为配置光纤核心中的两个光纤光栅彼此符合而波长不同。当横向负载应用到如上所述的传感器时，一个光栅将经安置以在负载下方，同时第二光栅经安置以与横向负载隔开。它的实例在下面结合图13描述。合并温度测量和补偿的第二种方式为将单一光纤光栅写进双折射光纤中，所述双折射光纤可为诸如由英国南安普敦科学园区的Fibercore以及美国康乃狄克州East Granby的Nufem等制成的商业保偏光纤。这引起具有两个光谱峰的光纤光栅。当轴向应变应用到该类型的光纤时，可确定两个光谱峰的位置，且可测量纵向应变和温度。通过在横向负载下将该类型的光纤放置到与上面图4A、图4B，和图8至图12关联的设计中，通过用双折射光纤核心替换每个横向负载感应光纤光核心，纵向应变可用于同时测量横向负载和温度。2002年1月1日发布的Udd和Weisshaar的题为“用于光纤光栅传感器的高速解调系统(HIGH-SPEED DEMODULATIONSYSTEM FOR FIBER OPTIC GRATING SENSORS)”的美国专利No.6,335,524(其通过引用以其相关的教导并入本文)提供对如何使用保偏光纤进行多规格的应变和温度测量的描述，所述多规格的应变和温度测量包括用于同时测量轴向应变和温度的情况。在用于商业Fibercore保偏光纤的该专利中给出通过将光谱测量转换为轴向应变和温度的所需的两个矩阵使轴向应变和温度倒置的系数。
图13示出根据上面提到的第一种方式合并温度测量和补偿特征的本公开的基于LSI夹套的横向负载传感器1300。在该实例中，传感器1300包括第一和第二横向负载应用结构(这里为第一负载板1304和第二负载板1308)、LSI有套光纤1312，以及写进光纤1312A中的第一光纤光栅1316，所述光纤1312A经设计以在第一波长处操作并位于光纤中以便它在第一和第二负载板之间且包含在第二负载板中的V型槽1320中。当横向负载1324应用到第二负载板1308且第一负载板1304受限时，有套光纤1312的LSI夹套1312B在横向加载下被部分挤压，且结果，在第一光纤光栅1316处将纵向应变处诱导到光纤中，所述纵向应变与横向负载成比例。经设计和配置以在不同于第一波长的第二波长处操作且写到光纤1312A上的第二光纤光栅1328经安置以与通过横向负载1324诱导到光纤1312A中的应变隔开。在示出的实施例中，第二光纤光栅1328位于防护性应变消除管1332中，例如，在该实例中所述应变消除管1332使用环氧基树脂1336附接到第一负载板1304。为了防止环氧基树脂或其它粘合剂沿有套光纤1312流到应变消除的第二光纤光栅1328，封闭剂1340可用于在传感器1300的制造过程中抑制流动。可用作封闭剂1340的实例材料为购自密歇根州米德兰市道康宁公司(Dow Coming Corporation)的室温硫化密封剂(RTV)。至于这里公开的其它实施例，第二有套LSI光纤1344经提供以与感应有套LSI光纤1312相配匹配从而以平衡第一负载板1304和第二负载板1308的加载。
可替换地，除测量横向负载或横向负载和温度外，例如，本发明的传感器可经配置，例如以检测/测量湿度存在/含量和/或化学品存在/含量。图14示出传感器1400，其经设计和配置以测量横向负载、温度，和湿度含量。也就是说且只是如刚刚提到的，本发明的传感器可经配置以测量少于这三个物理特性。例如，如特定应用可要求的那样，本发明的传感器可经设计和配置以测量这三个物理特性中的仅一个或三个特性中的任意两个。再次参照图14，在示出的实施例中，基于LSI夹套的传感器1400包括第一和第二横向负载应用结构(这里为负载板1404和1408)以及包括光纤1412A的有套LSI光纤1412，所述光纤1412A包含三个光纤光栅，第一光栅1416用于测量水含量或化学品含量，第二光栅1420用于测量横向负载，且第三光纤光栅1424用于测量温度并考虑到允许温度补偿。每个光纤光栅1416、1420和1424经设计以分别在第一、第二和第三波长处操作，即与第一、第二和第三波长的其它两个分离并且不同。第一、第二和第三波长充分分离以至于在操作过程中，由于环境效果影响，的波长移位变换没有引起光纤光栅1416、1420和1424具有重叠的光谱含量。感应横向负载的第二光纤光栅1420以及隔开的感应温度的第三光栅1424以类似于图4A、图4B以及图8至图13的上述方式的方式起作用。例如，第二光纤光栅1420位于第一负载板1404和第二负载板1408之间，且通过合适的第一LSI夹套材料给第二光纤光栅1420装上夹套以形成第一LSI夹套1412B，诸如如上所述的材料，且第三光栅1424经安置以与可通过横向负载1428(诸如通过安置到应变隔离管1432中)诱导到有套光纤1412中的任何应变隔开。
感应湿度或化学品的第一光纤光栅1416位于第一负载板1404和第二负载板1408之间的外面，且位于当传感器1400在它的操作环境中(未示出)安装时将暴露于预期待感应的湿度或化学品的位置中。第一光纤光栅1416通过合适的第二LSI夹套材料装上夹套以形成第二LSI夹套1412C，诸如在湿度或化学品出现时膨胀以便诱导纵向应变到光纤核心1412A中的材料，从而拉长或压缩第一光纤光栅1416。如具体的实例，第二LSI夹套1412C可包括聚酰亚胺，其随水含量变化而膨胀和收缩。第二LSI夹套1412C的该行为引起纵向应变变化以及根据可用于测量水或化学品含量的第一波长的波长变换。聚酰亚胺材料可通过脱去已经在第一光纤光栅1416的区域中的任何覆盖物应用到光纤光核心1412A，或在可具有相同于或类似于材料的良好应变传递特性的覆盖物的情况下，聚酰亚胺材料可应用到那个覆盖物。阻挡层1436，诸如RTV密封剂，可经提供以防止来自第一负载板1404和第二负载板1408之间的粘合剂(未示出)粘合到湿度或化学品敏感的第一光纤光栅1416。以本文公开的其它横向力感应传感器的方式，负载平衡光纤1440可放置在第一负载板1404和第二负载板1408之间用于负载平衡。
图15示出根据本发明的方面制成的基于LSI夹套的传感器和测量系统1500。所述系统1500包括光源1504和基于LSI夹套的传感器1508，其可为，例如其它传感器中的上面结合图4A、图4B和图8至图14等描述的传感器中的任何一种传感器。在该实施例中，光源1504可为低相干和最小程度极化优选偏振优化的光谱宽带光源，且可选择地光耦合到光纤1512的末端1512A以提供光束1516到光束定向导向器1520，在其它事物中除其它方面外，光束导向器1520在这里经由光纤1524将光束1516导入到传感器1508。例如，光束导向器1520可为光纤环形器或分束器。部分光束1516在传感器1508中反射回光纤1524中，作为信号携带光束1528，光纤1524引导所述信号携带光束1528回到光束导向器1520。光束导向器1520然后使光束1528重新导向光纤1532，其引导它到光学分光计1536，所述光学分光计1536用于测量信号携带光束1528的振幅和波长含量。光学分光计1536的输出1540然后经由传输链接1544指示到输出处理器1548，所述传输链接1544可为无线链接、电缆或光缆。如本领域技术人员将很容易理解的那样，输出处理器1548可为任何合适的处理器，诸如通用计算机、专用集成电路、片上系统等，例如其经由合适的编程和/或硬件能够将输出1540转换为适用于终端用户的形式。
图16示出根据本发明的方面制成的另一个基于LSI夹套的传感器和系统1600。所述系统1600包括光源1604和基于LSI夹套的传感器1608，其可为，例如上面结合图4A、图4B和图8至图14等所描述的传感器中的任何一种传感器。与图15的系统1500不同的是，在图16的实施例中光源1604为可调光源，其可具有窄光谱输出且光耦合到光纤1612的末端1612A以提供光束1616到光束导向器1620，除其它方面，光束导向器1620在这里经由光纤1624将光束1616导向到传感器1608。光束导向器1620可为，例如光纤环形器或分束器。部分光束1616在传感器1608中反射回光纤1624中，作为信号携带光束1628，其被光纤1624引导回到光束导向器1620。光束导向器1620然后使光束1628重新导向到光纤1632，其引导光束1628到光检测器1636，诸如光电二极管。光检测器1636的输出1640然后被导向导输出处理器1644，其用于测量光束1628的振幅和波长含量以及关于该含量的输出信息1648。输出信号1648然后可经由传输链接1652导向到终端用户处理器1656，所述传输链接1652可为无线链接、电缆或光缆。如本领域技术人员很容易理解的，终端用户处理器1656可为任何合适的处理器，诸如通用计算机、专用集成电路片上系统等，例如，其经由合适的编程和/或硬件能够将输出信号1648转换为用于终端用户的形式。
根据温度补偿的基于LSI夹套的横向负载光纤光栅传感器的机械结构的精确设计、使用的LSI材料类型和光纤的设计，与转换双光谱峰的位置为应变和温度相关联的系数可变化。然而，一旦确定这些系数，与传感器相关联的总成本可相当低。这是由于以低成本以及高精度和重复性的量产模式在带有适当覆盖物的拉丝塔上写合适的光纤光栅的能力。该光纤光栅然后可放置在负载结构中，所述负载结构可使用与用于电信产业的V型槽相关联的精确但低成本的制造技术制成。在准备并粘合最后固定装置到适当的位置的步骤类似于那些与低成本的电信光纤连接器组件相关联的步骤。
如上面所提到的，根据本发明制成的基于LSI夹套的传感器和传感器系统，诸如图4A、图4B，和图8至图14的传感器以及图15和图16的传感器系统，可在各种应用中使用。诸如图14的传感器1400的基于LSI夹套的横向力/温度/湿度传感器可特别有用的一个示例性应用是在电力变压器中，尤其是电力和配电力变压器，其用于测量变压器绕组核心中的夹紧力和绕组核心的介电材料中的湿度。例如，如本领域技术人员将意识到的，在制造过程中夹紧力在电力变压器绕组组件中确立。电力变压器的垂直绕组叠层由铜导线制成，所述铜导线可包着几层(低电介质)纸且通过高密度纤维素绝缘间隔物分开(圆盘到圆盘)。根据低电压、额定电压和高电压绕组，绝缘材料与铜的比率可在30％到70％之间变化，且制造过程中的任务为达到最低干燥(在炉中)并通过给每个个体绕组叠层垫入填片加紧组件以实现正确的夹紧压力。
绝缘材料有弹性，且当在压力下夹紧时，绝缘材料将在静态情况中保持预设的夹紧力。然而，在动态情况中，诸如配电电网上的变压器的短期循环加载或伴有环境操作温度的每日/每季变化，由于纸和铜之间的热膨胀差异，夹紧力将增加或减少。此外，在短期加载情况中，湿度驱使进绕组绝缘叠层中且驱使出绕组绝缘叠层，即，纤维素中的湿度导致径向间隔物膨胀以及厚度收缩，从而导致较高或较低的动态力。从长远来看，变压器中的总湿度含量将增加，趋于帮助夹紧力保持在工厂预设置。然而，由于随着年限和周期性短路力的效果的厚度收缩，预设的夹紧力趋于减少。
利用横向力传感器的温度补偿，可测量在负载下工厂静态情况和动态情况中的真实变化。然而，在变压器现场通电前在制造期间和在最初干燥处以及当应现场需求作为整修的一部分努力重新夹紧变压器绕组时，考虑到在绕组中直接测量湿度含量的额外能力提供用基准问题测试实际夹紧力的能力。结果，包括对电干扰和磁干扰免疫的诸如本发明的基于LSI夹套的传感器的横向力/温度/湿度传感器的基于光纤的传感器系统特别适用于在电力变压器中使用，其中这种干扰可存在。
在这一点上，图17示出示例性电力变压器1700，其包括基于LSI夹套的横向力/温度/湿度感应系统1704。变压器1700可为诸如电力或配电力变压器的任何合适的变压器，其包括经受夹紧力1712并包括诸如纤维素和变压器油的一种或多种电介质材料的至少一个绕组叠层1708。感应系统1704包括以允许在传感器上的夹紧负载1720作为横向负载测量的方式与绕组叠层1708接合的横向力/温度/湿度传感器1716，所述传感器经设计和配置以测量所述横向负载。传感器1716还以允许传感器的湿度感应特征测量绕组叠层中和/或浸入绕组叠层中的电介质材料中的湿度含量的方式与绕组叠层1708接合。在一个实例中，横向力/温度/湿度传感器1716可相同于或类似于图14的横向力/温度/湿度传感器1400。在该实例中，感应系统1704也包括测量系统1724，其包括用于提供阅读光1732到传感器1716中出现的各种光纤光栅(未示出)的一个或多个合适的光源1728、用于分析通过光纤光栅反射的阅读光的部分1740的一个或多个光学分析器1736以及用于分别确定并输出关于绕组叠层1708的横向加载、温度，和湿度含量的测量信息1752的一个或多个处理器1744和/或其它设备1748(例如，有线端口、无线传输器、电子显示器等，以及其中的任意组合)。注意的是，温度信息可为横向加载和/或湿度含量的温度补偿测量或温度测量中的一种或两种。包括夹紧力传感器的变压器的详细实例呈现在2013年9月3日发布的Woodcock的题为“用于监测变压器退化的夹紧力传感器组件(CLAMPING FORCE SENSOR ASSEMBLY FOR MONITORINGTRANSFORMER DEGRADATION)”的美国专利No.8,522,626中，在变压器中使用夹紧力传感器的该专利的所有公开以引用的方式并入本文。当然，在其中公开的传感器和传感器系统可用根据本公开制成的基于LSI夹套的传感器和传感器系统替换。
图18示出根据本发明制成的另一个横向负载光纤光栅传感器1800。现在参照图18，传感器1800包括光纤1804和LSI覆盖物1808，所述光纤1804包含光纤光栅(未示出)，所述覆盖物1808可为，例如材料。注意的是，虽然在图18中未示出，但光纤光栅可与本文所示和所述的其它光纤光栅相似，诸如图4B的光栅404C。传感器1800也包括在光纤1804和夹套1808周围放置的可变形应变消除管1812。管1812和光纤1804以及夹套1808的插入部分一起放置在经受横向负载(未示出，但以本文所示和所述的其它横向负载的方式，诸如图4A和图13的各自的横向负载440和1324)的两个表面1816和1820之间。表面1816和1820可直接接合管1812，从而使夹套1808变形以使它沿光纤1804的纵轴纵向移动。间隔物组1824和1828可用于限制表面1816和1820之间的间距。例如得到的间距S可经选择以等于光纤1804的直径D。对于电力变压器应用，诸如上面相对于图17中所述，表面1816和1820可为形成讨论中的变压器的部分的电绝缘材料的表面。
图19示出光纤光栅传感器1900，其类似于图18所示的横向负载光纤光栅传感器1800，但传感器1900经设计和配置以支持旨在测量温度的光纤光栅(未示出)。图19的温度传感器1900包括光纤1904、可为材料的LSI覆盖物1908，以及经提供以保护光纤的应变消除管1912。一对上表面1916和下表面1920分别通过一组间隔物1924和1928分开以便当传感器经受横向负载时覆盖物1908不被表面接合。在这种方式中，位于间隔物1924和1928之间的光纤光栅受温度影响但与横向负载诱导应变隔开。对于电力变压器应用，诸如图17所示，管1912可经穿孔、割开或以其它方式配置以允许光纤光栅区域中的变压器电介质油的自由流动，所述光纤光栅区域通过温度传感器1900的开口结构增强。在变压器应用中，表面1916和1920可为形成讨论中的变压器部分的电绝缘材料的表面。
图20示出类似于图19所示的温度光纤光栅传感器1900的光纤光栅传感器2000，但所述传感器2000经设计和配置以支持水含量或化学品含量的测量。图20的传感器2000包括可具有一种或多种覆盖物的光纤2004。第一覆盖物2008可为或对水和化学品含量的变化相对反应迟钝的类似材料，或它可为对水或化学品含量反应的材料的LSI夹套，诸如用于水的聚酰亚胺覆盖物。如果第一覆盖物2008对水或化学品含量不反应，对水或化学品含量变化反应的LSI夹套材料的第二覆盖物2012可在第一覆盖物上提供。在湿度传感器的情况中，LSI覆盖物2012可为聚酰亚胺。应变消除管2016可在光纤2004周围放置以提供保护。一对表面2020和2024可通过一组间隔物2028和2032分开以使光纤2004与应用到传感器2000的任何横向负载隔开。对于传感器2000在电力变压器中的应用，应变消除管2016可经穿孔、割开或配置以允许变压器电介质油的自由流动以及允许诸如水和未预期的化学品的污染物在周围流动且当使用双覆盖物时与覆盖物2012接触或当使用单一覆盖物时与覆盖物2008接触，以便相应的覆盖物可对水或化学品的变化反应。在变压器应用中，表面2020和2024可为形成讨论中的变压器部分的电绝缘材料的表面。
图21示出用于测量横向负载、温度和水/化学品含量的传感器2100。在图21所示的实施例中，3个成直线的光纤光栅2104、2108和2112位于光纤2116中且具有足够的波长差异以使它们的信号不重叠。第一区域2120包含类似于图20所示的水/化学品含量传感器2000的水/化学品含量传感器。区域2120中的LSI覆盖物2124经设计/选择以对水/化学品含量的变化反应。在一个实例中，LSI覆盖物2124可为用于水含量测量的聚酰亚胺。上表面和下表面(未示出，但类似于图20的表面2020和2024)之间的间距(图21的视图中未示出)足够将光纤2116与区域2120中的横向负载诱导应变隔开。在该实施例中，第二区域2128包含类似于图18的横向负载传感器1800的横向负载传感器。上表面和下表面(未示出，但类似于图18的表面1816和1820)之间的间距(在图21的视图中未示出)经安置以使横向负载(未示出)被接合，且区域2128中的LSI覆盖物2132随着横向负载的改变而拉长。覆盖物2132可为或类似的材料。第三区域2136包含经配置类似于图19的温度传感器1900的温度传感器。上表面和下表面(未示出，但类似于图19的表面1916和1920)充分分开以使区域2136中的LSI覆盖物2140不通过应用到传感器2100的任何横向负载接合。注意的是，示出的传感器2100的横向负载感应区域2128、温度感应区域2136和湿度感应区域2120的空间顺序仅为示例性的且可改变。此外，单一应变消除管可用于支持具有裂缝、穿孔或其它装置的全部三个传感器以支持用于电力变压器应用的变压器电介质油流动。用于支持横向负载和温度测量的LSI覆盖物可为或类似的材料，且上的聚酰亚胺覆盖物或类似的夹套可用于支持水含量测量。可替换地，第一区域2120中的夹套可脱去且聚酰亚胺用于重新覆盖。组件的上表面和下表面例如使用数字化加工方法可直接用单一零件形成电绝缘材料。这些程序将降低成本并简化装配和插入电力变压器中。
已经在上面公开并在附图中示出示例性实施例。本领域技术人员将理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文具体公开的实施例进行各种改变、省略和添加。

Claims (28)

1.一种用于测量压缩负载的传感器组件，所述压缩负载被应用在所述传感器组件的外部，所述传感器组件包括：
第一被覆盖的光纤；
第一刚性横向负载应用结构和第二刚性横向负载应用结构，分别具有彼此面对并彼此隔开以便限定间隙的对应的第一对立面和第二对立面，所述第一对立面具有一长度并包括延伸了整个所述长度的第一拉长的凹槽，所述第一拉长的凹槽包含沿着整个所述长度的所述第一被覆盖的光纤并配置为使得所述第一被覆盖的光纤具有沿着整个所述长度与所述第一拉长的凹槽接触的至少一条离散的接触线；以及
粘接材料，其将所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构彼此固定，且所述第一被覆盖的光纤与所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构中的每一个接触；
其中所述第一被覆盖的光纤包括：
第一光纤，其具有应用到其的第一布拉格光栅并位于所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构之间；以及
第一纵向应变诱导夹套覆盖物，其耦合到所述第一光纤且沿整个所述长度延伸，所述第一纵向应变诱导夹套覆盖物具有沿着整个所述长度的均匀厚度且经选择和配置为：当在垂直于所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构的所述第一对立面和所述第二对立面中的每一个对立面的方向上将所述压缩负载应用到所述传感器组件上时，在所述第一布拉格光栅处根据所述压缩负载增加的量级而诱导所述第一光纤内的增加的均匀轴向拉伸应变。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述第一拉长的凹槽具有弧形横向截面形状，所述弧形横向截面形状沿着整个所述长度是均匀的以便提供沿着整个所述长度在所述第一被覆盖的光纤和所述第一拉长的凹槽之间的单一离散的接触线。
3.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述第一拉长的凹槽具有V型横向截面形状，所述V型横向截面形状沿着整个所述长度是均匀的以便提供沿着整个所述长度在所述第一被覆盖的光纤和所述第一拉长的凹槽之间的两条离散的接触线。
4.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述第一拉长的凹槽具有的深度使得当所述第一光纤在第一纵向应变诱导夹套覆盖物不存在的情况下与所述第一拉长的凹槽完全接合时，所述第一光纤的最高部分与所述第一刚性横向负载应用结构的所述第一对立面实质上齐平。
5.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述粘接材料填满在所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构之间的所述间隙。
6.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，所述第一被覆盖的光纤沿着接触区与所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构两者接触，所述接触区具有沿着所述长度彼此隔开的第一末端和第二末端，其中所述第一布拉格光栅远离所述第一末端和所述第二末端中的每一个。
7.根据权利要求1所述的传感器组件，还包括应用到所述第一光纤的第二布拉格光栅，所述第二布拉格光栅与所述第一布拉格光栅隔开，并被提供来对利用所述第一布拉格光栅的测量进行温度补偿。
8.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，所述第二刚性横向负载应用结构的所述第二对立面具有与所述第一拉长的凹槽对立安置的第二拉长的凹槽，所述第二拉长的凹槽接收所述第一被覆盖的光纤且经设计和配置以优化所述第一纵向应变诱导夹套覆盖物的拉长以响应所述压缩负载的应用。
9.根据权利要求1所述的传感器组件，还包括位于所述间隙内相对于所述第一被覆盖的光纤隔开的至少一个负载平衡间隔物，其中，所述至少一个负载平衡间隔物根据所述第一被覆盖的光纤定尺寸。
10.根据权利要求9所述的传感器组件，其中，所述至少一个负载平衡间隔物包括用夹套覆盖的第二光纤以实质地匹配所述第一被覆盖的光纤的所述第一纵向应变诱导夹套覆盖物。
11.根据权利要求1所述的传感器组件，还包括应用到所述第一光纤且相对于所述第一布拉格光栅隔开的第二布拉格光栅，其中，所述第二布拉格光栅位于所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构之间的外面。
12.根据权利要求11所述的传感器组件，其中，所述第二布拉格光栅作为温度感应光栅提供。
13.根据权利要求12所述的传感器组件，还包括：
第三布拉格光栅，其应用到所述第一光纤且相对于所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅中的每一个隔开，其中，所述第三布拉格光栅位于所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构之间的外面；以及
第二纵向应变诱导夹套覆盖物，其耦合到所述第一光纤并沿纵轴延伸，所述第二纵向应变诱导夹套覆盖物经选择和配置以在所述第三布拉格光栅处根据所述传感器组件的周围存在的物质的数量的变化来诱导所述第一光纤内的轴向应变。
14.根据权利要求11所述的传感器组件，其中，所述第二布拉格光栅作为物质感应光栅提供，且所述传感器组件还包括耦合到所述第一光纤并沿纵轴延伸的第二纵向应变诱导夹套覆盖物，所述第二纵向应变诱导夹套覆盖物经选择和配置以在所述第二布拉格光栅处根据物质的存在来诱导所述第一光纤内的轴向应变。
15.根据权利要求14所述的传感器组件，其中，所述第二布拉格光栅作为湿度感应光栅提供，且所述第二纵向应变诱导夹套覆盖物经选择和配置以在所述第二布拉格光栅处根据湿度的存在来诱导所述第一光纤内的轴向应变。
16.一种电力变压器，包括：
经受夹紧负载的电力绕组；以及
横向压力传感器，其与所述电力绕组接合以便测量所述夹紧负载，所述横向压力传感器包括：
第一被覆盖的光纤；
第一刚性横向负载应用结构和第二刚性横向负载应用结构，分别具有垂直于夹紧力定向和彼此面对并彼此隔开以便限定间隙的对应的第一对立面和第二对立面，所述第一对立面具有一长度并包括延伸了整个所述长度的第一拉长的凹槽，所述第一拉长的凹槽包含沿着整个所述长度的所述第一被覆盖的光纤并配置为使得所述第一被覆盖的光纤具有沿着整个所述长度与所述第一拉长的凹槽接触的至少一条离散的接触线；以及
粘接材料，其将所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构彼此固定，且所述第一被覆盖的光纤与所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构中的每一个接触；
其中所述第一被覆盖的光纤包括：
第一光纤，其具有应用到其的第一布拉格光栅并位于所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构之间；以及
第一纵向应变诱导夹套覆盖物，其耦合到所述第一光纤且沿整个所述长度延伸，所述第一纵向应变诱导夹套覆盖物具有沿着整个所述长度的均匀厚度且经选择和配置以在所述第一布拉格光栅处根据所述夹紧力增加的量级而诱导所述第一光纤内的增加的均匀轴向拉伸应变。
17.根据权利要求16所述的电力变压器，其中所述第一拉长的凹槽具有弧形横向截面形状，所述弧形横向截面形状沿着整个所述长度是均匀的以便提供沿着整个所述长度在所述第一被覆盖的光纤和所述第一拉长的凹槽之间的单一离散的接触线。
18.根据权利要求16所述的电力变压器，其中所述第一拉长的凹槽具有V型横向截面形状，所述V型横向截面形状沿着整个所述长度是均匀的以便提供沿着整个所述长度在所述第一被覆盖的光纤和所述第一拉长的凹槽之间的两条离散的接触线。
19.根据权利要求16所述的电力变压器，其中所述第一拉长的凹槽具有的深度使得当所述第一光纤在第一纵向应变诱导夹套覆盖物不存在的情况下与所述第一拉长的凹槽完全接合时，所述第一光纤的最高部分与所述第一刚性横向负载应用结构的所述第一对立面实质上齐平。
20.根据权利要求16所述的电力变压器，其中所述粘接材料填满在所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构之间的所述间隙。
21.根据权利要求16所述的电力变压器，其中，所述第一被覆盖的光纤沿着接触区与所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构两者接触，所述接触区具有沿着所述长度彼此隔开的第一末端和第二末端，其中所述第一布拉格光栅远离所述第一末端和所述第二末端中的每一个。
22.根据权利要求16所述的电力变压器，其中所述第二刚性横向负载应用结构的所述第二对立面具有与所述第一拉长的凹槽对立安置的第二拉长的凹槽，所述第二拉长的凹槽接收所述第一被覆盖的光纤且经设计和配置以优化所述第一纵向应变诱导夹套覆盖物的拉长以响应所述夹紧负载的应用。
23.根据权利要求16所述的电力变压器，还包括位于所述间隙内相对于所述第一被覆盖的光纤隔开的至少一个负载平衡间隔物，其中，所述至少一个负载平衡间隔物根据所述第一被覆盖的光纤定尺寸。
24.根据权利要求23所述的电力变压器，其中，所述至少一个负载平衡间隔物包括第二光纤，所述第二光纤用夹套覆盖以实质地匹配所述第一被覆盖的光纤的所述第一纵向应变诱导夹套覆盖物。
25.根据权利要求16所述的电力变压器，还包括应用到所述第一光纤且相对于所述第一布拉格光栅隔开的第二布拉格光栅，其中，所述第二布拉格光栅位于所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构之间的外面。
26.根据权利要求25所述的电力变压器，其中，所述第二布拉格光栅作为温度感应光栅提供。
27.根据权利要求25所述的电力变压器，其中，所述第二布拉格光栅作为湿度感应光栅提供，且所述横向压力传感器还包括第二纵向应变诱导夹套，所述第二纵向应变诱导夹套经选择和配置以在所述第二布拉格光栅处根据湿度的存在诱导所述第一光纤内的轴向应变。
28.根据权利要求26所述的电力变压器，还包括：
第三布拉格光栅，其应用到所述第一光纤且相对于所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅中的每个隔开，其中，所述第三布拉格光栅位于所述第一刚性横向负载应用结构和所述第二刚性横向负载应用结构之间的外面；以及
第二纵向应变诱导夹套覆盖物，其耦合到所述第一光纤并沿纵轴延伸，所述第二纵向应变诱导夹套覆盖物经选择和配置以在所述第三布拉格光栅处根据所述电力绕组中存在的湿度的变化诱导所述第一光纤内的轴向应变。
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