CN105157591B - 一种高灵敏度高分辨率高精度的光纤布拉格光栅阵列应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种高灵敏度高分辨率高精度的光纤布拉格光栅阵列应变传感器，包括受力系统、传感系统、封装系统。受力系统中，传感器基片两端通过固定螺栓之间的实际标距大于光栅焊点间的距离，通过两端固定螺栓向外侧施加待测位移，通过传感器基片将位移传至交叉镂空区外缘并传递给中部多光纤光栅传感系统，从而引起对应变的感知。由于①实际标距长；②中间交叉镂空区处刚度急剧变小，传感器基片变形主要集中在中间交叉镂空区处；③传感系统使用多光栅平行布置成阵列，变形发生时，通过测量多个光栅波长的改变值并进行其平均值，利用增敏后的灵敏曲线转化成相应的应变，从而使本设计同时提高了传感器的灵敏度、精度和分辨率。

Description

一种高灵敏度高分辨率高精度的光纤布拉格光栅阵列应变传 感器

技术领域

本发明涉及一种适用于桥梁结构、高耸结构、大跨度空间结构和冷却塔等土木工程结构物表面应变现场实测的光纤布拉格光栅应变传感器，主要应用于土木工程中结构物表面变形，抵抗超重等恶劣环境能力试验、结构物表面大变形监测技术领域。

背景技术

既有桥梁、建筑结构的应变监测中需要高精度、高分辨率和高灵敏度的应变传感技术。针对传统的小标距光纤布拉格光栅应变传感器，其灵敏度、分辨率、精度不高，无法达到预期的效果，已有的长标距光纤布拉格光栅应变传感器可以在一定程度上提高应变的灵敏度，但对提高精度的能力有限。这些常规的光纤光栅传感器可通过一定的结构优化设计来提高其灵敏度、分辨率、精度。常规光纤布拉格光栅应变传感器由一个光栅组成，其测量值有一定的误差。

光纤布拉格光栅应变传感器高灵敏度，其特征是灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化对输入量变化的比值,它是一条输出——输入特性曲线的斜率。本设计在常规光纤布拉格光栅应变传感器的基础上，通过优化设计，使得中间交叉处刚度小，其余部分刚度大，在外力作用下变形主要发生在中间交叉处，其余部分变形极小，将变形在中间交叉处放大，增大了输出变化量，不同光纤布拉格光栅应变传感器，其标距不同，经过计算输出变化量与输入变化量的比值和标距是成正比的，即：依靠加大基片锚固端距离，使其远大于光栅栅区粘接点之间的距离，并在光栅栅区粘接点外侧设置交叉镂空区，变形集中于交叉镂空区，即，从而使光栅感知的灵敏度放大约倍，由此提高了传感器的灵敏度。

光纤布拉格光栅应变传感器高分辨率，其特征是分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。本设计由于具有较大的灵敏度，因此在解调系统波长感知分辨率不变的情况下，其最小可感知应变将是原来的，由此提高了传感器的分辨率。

光纤布拉格光栅应变传感器高精度，其特征是精度是指在真值附近正负三倍标准差的值与量程之比，是指测量值与真值的最大差异。本优化设计将多个光栅串联阵列，其中包括一个温度补偿光栅，与传统的一个光栅相比，在多个光栅共同工作的情况下，将大幅度提高传感器的精度。

同时，根据本优化设计可知，光纤布拉格光栅阵列应变传感器光路上是串联设计，力学上是并联设计。如果其中有一个光栅失效，因为光纤布拉格光栅应变传感器光路是串联设计，不会影响到其他光栅的正常使用，使得光纤布拉格光栅阵列应变传感器可靠度大大增加。因为光纤布拉格光栅阵列应变传感器力学上是并联设计，当外荷载作用在传感器上时，多个光栅将发生同样的变形，并且多个光栅是相互独立的，假定1~n光栅的精度依次符合正态分布，则对应的光纤布拉格光栅应变传感器整体的分布同样符合正态分布，即应变传感器的方差将变为原来的，精度是指在真值附近正负三倍标准差的值与量程之比，由此知精度将变为原来的因此知其精度将大幅度提高。

结构物表面产生过大的挠度或变形，会导致结构的破坏，严重影响结构物的安全性和适用性。因此，及时、准确地了解结构的表面变形，对结构运营期的适用性和安全性的评估和监控具有重要意义。对结构物表面变形的监控已经成为结构健康监测的一项重要内容。

现场实测是确定结构表面变形的重要手段。目前，由于耗时耗资巨大，试验成本相对较高，工作周期较长，实测数据的精度问题还涉及到传感器质量、数据采集和传递、信息的存储和后处理等诸多因素，国内外全尺寸大型的空间结构物表面变形实测研究并不多。

在对光纤光栅传感器进行设计时，需要考虑以下几个基本原则：

（1）相容性：相容性是指传感器与被测结构之间的变形匹配问题,需要从强度、界面、尺寸、场分布等方面考虑传感器与被测结构的物理特性能否达到相近和匹配。

（2）传感特性：要保证在封装的过程中尽量不破坏光纤光栅本身的传感特性，不降低光纤光栅的灵敏性。例如保证光纤在受外力影响时光栅周期能够均匀改变以免产生多个波峰。

（3）工艺性：对传感器的设计要在保证性能的前提下力求结构最简单、以方便加工，为达到批量生产的要求需保证各个传感器在工艺和性能上的一致性以及可重复性。

（4）使用性能：同其他设备一样，在工程应用中要尽量保证传感器可以方便地安装，易于保护，便于测试和后期维护。在一些特定场合尤其是大型施工场合，要求可以重复使用和拆卸，传感器应具有一定的稳定性和较合理的使用寿命。

现有的光纤布拉格光栅应变传感器封装工艺现状主要有基片式封装、嵌入式封装、管式封装、夹持式封装。基片式封装主要是光纤光栅通过基片粘贴在被测物表面，通常需要考虑基片的机械、化学性能以便在保证基片形状的稳固以外能很好地与光纤之间固定并有效地传递应变。通常采用的基片材料包括金属、塑料、聚合物复合材料等。嵌入式封装目前多数被用做智能复合筋来监测大型结构的健康状况。管式封装的应变传感器通常被埋入到结构中监测结构的形变。夹持式封装的主要原理是在光纤光栅传感器的两端添加夹持构件，其整体由光纤光栅、封装部件、两个夹持部件以及两个固定支点组成。可根据工程实际所需的应变测量范围来改变标距长度，是一种灵敏度可调的增敏型结构，由于在这种结构中粘结剂没有直接封装光纤光栅区域，因此消除了粘接剂对光纤光栅应变传递的影响。

发明内容

本设计在常规光纤布拉格光栅应变传感器的基础上，综合应用加长标距和设置双交叉镂空区、多光栅平行感知三种技术手段，最大程度上使整个锚固区之间的基片变形发生在中间交叉镂空区之间，该变形同时被多个平行嵌固的光纤光栅感知，因此同时提高了传感器的灵敏度、精度和分辨率。

针对常规光纤布拉格光栅应变传感器，灵敏度、分辨率、精度无法达到预期的效果，可通过一定的优化设计来提高其灵敏度、分辨率、精度。现在的大型工程结构体积大、跨度大，而传统的小标距光纤布拉格光栅应变传感器很难监测结构的整体应变。长标距光纤布拉格光栅应变传感器能够有效提高其精度，同时能够在更大的范围内测量变形。常规光纤布拉格光栅应变传感器由一个光栅组成，其测量值有一定的误差，本设计在常规光纤布拉格光栅应变传感器的基础上，加大基片锚固距离与光栅粘接点间距离的比值，并使得中间交叉处刚度小，其余部分刚度大，在外力作用下变形主要发生在传感器基片中间交叉处，其余部分变形极小，将变形在中间交叉处放大，由此提高了传感器的灵敏度和分辨率；同时本优化设计将多个光栅串联放置于光栅刻槽中，其中包括一个温度补偿光栅，消除温度对于传感器精度的影响，与传统的一个光栅相比，在多个光栅共同工作的情况下，将大幅度提高光栅的精度。

本设计主要是测量结构物表面变形，由于嵌入式封装目前多数被用做智能复合筋；管式封装的应变传感器通常被埋入到结构中；夹持式封装的主要原理是在光纤光栅传感器的两端添加夹持构件，所以运用基片式封装是最为合理的。

为了适应不同野外环境和恶劣气象条件下的测试要求，选用普通钢材的主体受力系统结合光纤光栅作为感知元件，结构物表面的变形直接作用于封装后应变传感器上。在位移作用下，封装后应变传感器发生变形，封装后应变传感器伸长，且封装后应变传感器伸长量与两端的位移成正比，即位移越大，封装后应变传感器伸长量也越大。通过光纤光栅应变传感器监测这一变化即可反算出两端位移的大小。选用光纤光栅作为感知元件，可使得本应变传感器与其他应变传感器相比具有高分辨率、高精度、高信噪比和高稳定性，同时能够适应强电磁干扰和潮湿环境。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高灵敏度高分辨率高精度的光纤布拉格光栅阵列应变传感器，包括受力系统、传感系统和封装系统。所述受力系统为传感器基片和锚固件。所述封装系统包括顶板、保护盖、底板和垫片；所述传感系统包括基片刻槽、多平行光纤光栅阵列、粘接点。

所述传感器在光栅区外侧基座处设置交叉镂空区；在光栅区沿刻槽设置多道平行光栅，形成阵列；裸纤在粘接点外侧沿刻槽呈多圈缠绕布置，使各光栅形成光路串联；所述多平行光栅中，设置一个松弛温补光栅；保护盖分为左、右两个，分别置于传感器上方，与传感器形状匹配；顶板位于传感器中心的上方，并置于左、右保护盖上方，贴合于左、右保护盖的外侧；底板置于传感器中心的下方，与顶板相匹配。

封装后的传感器成为一个整体，两端通过固定螺栓施加位移，整体发生变形，传感系统通过粘结剂和受力系统连接，变形通过粘结剂传递到传感系统，通过已有光纤光栅解调仪将光纤光栅传感器的波长信号解算出来，并传送给计算机，计算机里的上位机程序将各种波长信号转化为待测物理量的特征信号，即可对结构实行实时的应变监测。

在本发明的光纤布拉格光栅应变传感器中，所述受力系统和传感系统是通过粘结剂连接在一起，粘结剂将受力系统变形传递到传感系统。

在本发明的光纤布拉格光栅应变传感器中，所述受力系统、封装系统和传感系统两者之间的连接方式使得本发明密封性良好，无需另设计排水孔，并保证雨天时应变传感器能正常工作。

在本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器中，所述受力系统结构的材料为金属材料和高强度高分子材料。

在本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器中，受力系统的两端直接承受荷载，粘结剂将荷载同时传递到多个传感系统光栅中，通过各光栅波长的改变量的平均值计算出应变，即可通过封装后传感器的力学特性，反算出应变的大小。其中一个光栅仅做松弛固定粘接，安装于交叉镂空区最外侧的刻槽，用做温度补偿。与一般传感器相比，光栅多，精度高，传力明确。

在本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器中，所述传感系统中封装后的应变传感器的伸长量与位移有很好的线性关系，使得本应变传感器只需选取少量的样本进行标定即可。

在本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器中，所述封装后的传感器包括了顶板、保护盖、传感器、底板和垫片，这种连接方式使得安装和拆卸简单，可更换。同时，在上述基础上，为了保护光纤光栅，还可以增加一个光纤光栅封装盒，密封性良好，并且还具有防尘的功能。

在本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器中，所述封装后应变传感器为条形，使得本应变传感器不仅可以固定在土木工程结构物的混凝土材料和钢材表面以满足长期监测要求，还能固定在支架上满足短期监测要求。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过对本光纤布拉格光栅应变传感器的设计，使得该新型的应变传感器能够在不同的环境下很好的工作，并且能满足现场实测过程中不同的土木工程结构物表面变形监测，以及不同测试部位对应变监测的要求，最重要的是由于本应变传感器采用光纤光栅作为主要的传感元件，能够准确地测出土木工程结构处实际变形。

通过对应变传感器的构造设计，能够根据光栅区域波长的变化计算出两端位移。采用光纤光栅作为主要传感元件，使得本传感器与普通机械、电子类传感器相比，不仅测量值空间分辨率高、输出线性范围宽、频带宽、信噪比高、传输容量大、传输损耗小、化学性能稳定、电绝缘性能好、体积小、重量轻、几何形状可塑等优点，还能在强电磁干扰、雨水、高温等恶劣环境下正常工作。由于对光纤光栅进行预拉，使得本传感器不仅可以测正应变，还能测负应变。本传感器各系统的可安装/拆卸以及便携功能，使其能够更好地适应各种测试环境。

本光纤布拉格光栅阵列应变传感器不仅可实现多点分布式测量、还能实现远距离遥控监测，故将有望促进实测手段的不断进步，进而大规模开展结构表面变形实测，获得大量的宝贵的实测数据，这些数据结果将成为掌握结构表面应变作用机理和结构动力响应及破坏机理最直接的资料，为修正现有试验方法、理论模型和制定建筑荷载规范提供最权威的依据，因此具有广泛的工程应用前景。

附图说明

图1为本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器封装后示意图；

图2为本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器组装结构爆炸示意图；

图3为本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器的顶板内侧结构示意图；

图4为本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器的保护盖内侧结构示意图；

图5为本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器示意图；

图6为本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器的底板内侧结构示意图；

图7为本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器的垫片结构示意图；

图8为本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器的安装垫片示意图。

图中各附图标记为：

顶板1；保护盖2；传感器基片3；底板4；垫片5；顶板螺栓孔11；保护盖螺栓孔21；保护盖螺栓孔22；保护盖螺栓孔23；传感器螺栓孔31；传感器螺栓孔32；传感器螺栓孔33；传感器螺栓孔34；粘结处35；光纤光栅36；传感器基片刻槽37；底板螺栓孔41；垫片螺栓孔51；垫片螺栓孔52。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

一种高灵敏度高分辨率高精度的光纤布拉格光栅阵列应变传感器，至少包括：受力系统、封装系统和传感系统。

其中，所述受力系统为传感器基片3和锚固件螺栓。

所述封装系统包括顶板1、保护盖2、底板4和垫片5。

所述传感系统包括传感器基片刻槽37、多平行光纤光栅36、粘接点。

如图1~图8所示，一种高灵敏度高分辨率高精度的光纤布拉格光栅阵列应变传感器，除有顶板1；保护盖2；传感器基片3；底板4；垫片5外，在顶板上1有顶板螺栓孔11；保护盖2上有保护盖螺栓孔21、保护盖螺栓孔22、保护盖螺栓孔23；传感器3上有传感器螺栓孔31、传感器螺栓孔32、传感器螺栓孔33、传感器螺栓孔34；另所述粘接点为粘结处35；底板4上有底板螺栓孔41；垫片5上有垫片螺栓孔51、垫片螺栓孔52。

如图2所示，为所述传感器1组装结构爆炸示意图；保护盖2分为左、右两个，分别置于传感器上方，与传感器形状匹配；顶板1位于传感器3中心的上方，并置于左、右保护盖2上方，贴合于左、右保护盖2的外侧；底板4置于传感器3中心的下方，与顶板1相匹配。较现有技术相比，这种连接方式使得安装和拆卸简单，可更换。

本发明中垫片5位于传感器3端部下侧，其作用是：避免传感器紧贴于被测结构物表面时与结构物表面发生相互作用，影响测量结果，通过改变垫片高度调节传感器与被测结构物表面距离，使测量结果更精确。

本发明的连接方式为：通过锚固件连接，锚固件可以为螺栓。螺栓首先依次穿过传感器螺栓孔32和保护盖螺栓孔21并连接，其次穿过底板螺栓孔41、传感器螺栓孔31和顶板螺栓孔11并连接，然后穿过垫片螺栓孔51、传感器螺栓孔33、保护盖螺栓孔22并连接，最终固定螺栓依次穿过垫片螺栓孔52、传感器螺栓孔34和保护盖螺栓孔23并连接，将整个传感器固定在待测结构物表面，此时封装后的传感器成为一个整体，整体同时参与受力。

封装后的传感器3在两端施加位移后，整体直接承受荷载作用。在位移作用下，粘结处35将位移传递给光纤光栅36，通过光纤光栅解调仪测量光栅区域波长的变化，根据本传感器的力学模型，就能把对变形的监测通过传感器的设计转化为对传感器伸长量的监测。封装后的应变传感器变形集中在光纤光栅36栅区，因此，本传感器可通过光纤光栅36所监测的数据反算出应变的大小。应变传感器通过优化设计，变形主要集中在光纤光栅区域，能保证本发明所监测到数据的精确性。

在本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器中，所述受力系统和传感系统两者之间的连接是通过粘结处35的粘结剂将传感器和光纤光栅36连接。

在本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器中，所述受力系统和传感系统两者之间的连接方式使得本发明密封性良好，无需另设计排水孔，并保证雨天时应变传感器能正常工作。

在本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器中，所述受力系统封装后传感器材料为普通钢材。

在本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器中，传感器的两端直接承受荷载，粘结剂将荷载传递到传感系统光栅中，通过波长的改变计算出应变，即可通过封装后传感器的力学特性，反算出应变的大小。与一般传感器相比，传力明确。

在本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器中，所述传感系统光栅处的应变与位移有着很好的线性关系，使得本应变传感器只需选取少量的样本进行标定即可。

在本发明的光纤布拉格光栅阵列应变传感器中，所述封装后应变传感器为条形，是一种良好的长标距传感器形态，使得本应变传感器不仅可以固定在土木工程结构物的混凝土材料和钢材表面以满足长期监测要求，还能固定在支架上满足短期监测要求。

上述的对本传感器的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对本传感器做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他传感器中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高灵敏度高分辨率高精度的光纤布拉格光栅阵列应变传感器，其特征在于，至少包括：受力系统、传感系统和封装系统；

所述传感系统由受力系统固定，所述受力系统由封装系统封装；

所述受力系统包括传感器基片和锚固件；

所述封装系统包括顶板、保护盖、底板和垫片；

所述传感系统包括传感器基片刻槽、多平行光纤光栅阵列、粘接点；

所述传感器在光栅区外侧基座处设置交叉镂空区；在光栅区沿刻槽设置多道平行光栅，形成阵列；裸纤在粘接点外侧沿刻槽呈多圈缠绕布置，使各光栅形成光路串联；所述多平行光栅中，设置一个松弛温补光栅；保护盖分为左、右两个，分别置于传感器上方，与传感器形状匹配；顶板位于传感器中心的上方，并置于左、右保护盖上方，贴合于左、右保护盖的外侧；底板置于传感器中心的下方，与顶板相匹配；

所述受力系统和传感系统之间的连接是通过粘结剂连接于粘结处，将传感器的变形通过粘结剂传递到光栅上，实现了受力系统和传感系统的连接。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度高分辨率高精度的光纤布拉格光栅阵列应变传感器，其特征在于，所述锚固件为固定螺栓。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度高分辨率高精度的光纤布拉格光栅阵列应变传感器，其特征在于，所述受力系统封装后传感器材料为金属材料、高分子材料。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度高分辨率高精度的光纤布拉格光栅阵列应变传感器，其特征在于，所述受力系统的两端直接承受荷载，粘结剂将荷载同时传递到多个传感系统光栅中。