CN105890533B - 一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件。所述光纤光栅传感器件包括两根光纤Bragg光栅、应变传导臂、应变延伸臂、螺柱焊脚、上直角反向臂、下直角反向臂和底座。其中应变传导臂、应变延伸臂、螺柱焊脚、上直角反向臂、下直角反向臂和底座为一体化连接，而光纤光栅为普通的光纤Bragg光栅，两根光栅性能一致，通过粘接一根固定在两个应变延伸臂顶端的凹槽上，一根固定在两个直角反向臂的凹槽上，固定时需要施加适当预拉。本发明所述的一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件，利用反向差动放大原理，可以实现对光纤光栅应变传感器的增敏同时也具有温度补偿功能。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件。
背景技术
电阻应变片测量方法是测量应变的一种基本传统手段。然而，电阻应变片因易受环境(如电磁场、温度、湿度、化学腐蚀等)影响、精度低和寿命短等原因，其应用受到一定程度的限制。而光纤Bragg光栅应变传感器具有响应速度快、重量轻、结构紧凑、使用灵活、成本低、不受电磁干扰和抗腐蚀等优点，这使它可以对应变进行更好的检测。
光纤布拉格(Bragg)光栅是利用光纤纤芯材料的光敏性在紫外线下形成的折射率呈周期性变化的一段光纤，随着光纤光栅制造技术的成熟以及光纤应用研究的深入，光纤Bragg光栅在应变传感领域得到了广泛的应用，使得光纤Bragg光栅应变传感器成为目前应用最具有潜力的应变测量传感器之一。
本专利利用光纤Bragg光栅传感器对材料表面应变进行检测，采用两根光纤Bragg光栅，利用反向差动放大原理，即一根光栅受拉力(正向应力)，一根光栅受压力(反向应力)，使两根光栅输出的两个Bragg中心波长向左右两个不同方向漂移，这两个输出的Bragg中心波长之差为单个光栅Bragg中心波长漂移量的两倍，产生反向差动信号输出效果，同时具有温度补偿功能。器件的灵敏度为两根光纤Bragg光栅的灵敏度之和，其中一根光纤Bragg光栅的灵敏度可通过改变左右两个应变延伸臂顶端的两个凹槽之间的距离来调节，另一根光纤Bragg光栅的灵敏度可通过改变两个直角反向臂上的两个凹槽之间的距离来调节，两者都是距离越短灵敏度越高。
发明内容
本发明提出一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件，利用反向差动放大原理，可以实现光纤光栅应变传感器的增敏同时具有温度补偿功能。
本发明提供一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件，所述光纤光栅传感器件包括两根光纤Bragg光栅、应变传导臂、应变延伸臂、螺柱焊脚、上直角反向臂、下直角反向臂和底座。
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
所述的应变传导臂、应变延伸臂、螺柱焊脚、上直角反向臂、下直角反向臂和底座为一体化连接。
所述的螺柱焊脚是基于螺柱焊的技术要求制作，两螺柱焊脚的位置与两直角反向臂上的光栅在一条直线上，可用螺柱焊机将其焊接在被测物体表面。
所述的光纤Bragg光栅为普通的光纤Bragg光栅，两根光纤Bragg光栅性能应一致，光纤Bragg光栅通过粘接一根固定在两个应变延伸臂顶端的凹槽上，一根固定在两个直角反向臂的凹槽上，且固定时需要施加适当预拉，以保证传感器具有双向应变传感能力。
所述的左右两个应变延伸臂顶端的两个凹槽之间的距离与两直角反向臂上的两个凹槽之间的距离相等。
所述的一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件，当所测的物体表面发生应变时，螺柱焊脚会将该应变传递到器件中，会使其中一根光栅受到拉应力，一根受到压应力，使返回的两个Bragg中心波长向左右两个不同方向漂移，产生反向差动输出效果，实现应变增敏，同时也具有温度补偿功能。
所述的器件灵敏度为两根光纤Bragg光栅的灵敏度之和，其中一根光纤Bragg光栅的灵敏度可通过改变左右两个应变延伸臂顶端的两个凹槽之间的距离来调节，另一根光纤Bragg光栅的灵敏度可通过改变两个直角反向臂上的两个凹槽之间的距离来调节，两者都是距离越短灵敏度越高。
本发明所述的一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件，利用反向差动放大原理，可以实现对光纤光栅应变传感器的增敏同时具有温度补偿功能。
附图说明
图1为所述的一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件示意图
图2为安装的光纤光栅应变传感器相对于材料表面的具体位置示意图
具体实施方式
本发明所述的一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件，包括光纤Bragg光栅(1)、光纤Bragg光栅(2)、应变传导臂(3)、应变延伸臂(4)、螺柱焊脚(5)、上直角反向臂(6)、下直角反向臂(7)和底座(8)。
所述的应变传导臂(3)、应变延伸臂(4)、螺柱焊脚(5)、上直角反向臂(6)、下直角反向臂(7)和底座(8)为一体化的金属结构。
所述的应变传导臂(3)、应变延伸臂(4)、螺柱焊脚(5)、上直角反向臂(6)、下直角反向臂(7)和底座(8)的材料宜选用与被测物体相一致的材料，避免不同材料在外界温度变化时由于热膨胀系数差异所引起的热应力，以保证传感器的检测精度。
所述的光纤Bragg光栅为普通的光纤Bragg光栅，光纤Bragg光栅(1)通过粘接固定在应变延伸臂(4)顶端的凹槽上，其栅区部分，如图1所示，位于两个应变延伸臂(4)顶端的中间部位，而光纤Bragg光栅(2)通过粘接固定在上直角反向臂(6)与下直角反向臂(7)上的凹槽上，其栅区部分，如图1所示，位于两凹槽之间的中间部位，且两根光栅在固定时都需要施加适当预拉，以保证传感器具有双向应变传感能力。
所述的左右两个应变延伸臂(4)顶端的两个凹槽之间的距离与上直角反向臂(6)和下直角反向臂(7)上的两个凹槽之间的距离相等。
所述的螺柱焊脚(5)是基于螺柱焊的技术要求制作，两螺柱焊脚(5)的位置与上直角传感臂(6)和下直角传感臂(7)上的光纤Bragg光栅(2)在一条直线上，可用螺柱焊机将其焊接在被测物体表面。
所述的器件灵敏度为光纤Bragg光栅(1)和光纤Bragg光栅(2)的灵敏度之和，其中光纤Bragg光栅(1)的灵敏度可通过改变左右两个应变延伸臂(4)顶端的两个凹槽之间的距离来调节，光纤Bragg光栅(2)的灵敏度可通过改变上直角传感臂(6)和下直角传感臂(7)上的两个凹槽之间的距离来调节，两者都是距离越短灵敏度越高。
根据理论力学理论，当所测的物体表面发生应变时，螺柱焊脚(5)会将该应变传递到器件中，会使其中一根光栅受到拉应力，一根受到压应力，使返回的两个Bragg中心波长向左右两个不同方向漂移，产生反向差动输出的效果，通过检测两中心波长的差值达到测量应变和增敏的效果，同时具有温度补偿功能。而光纤Bragg光栅(1)上受到的拉应力或压应力是经过应变传导臂(3)和应变延伸臂(4)两个放大结构放大过的应力，光纤Bragg光栅(2)上受到的拉应力或压应力也是经过上直角反向臂(6)和下直角反向臂(7)结构放大过的应力，再利用反向差动效果，使传感器灵敏度进一步提高。具体原理如下：
当光纤光栅同时受到温度与应变作用时，则有：
Δλ＝αεε+αTΔT
其中Δλ为Bragg中心波长变化值，αε为光纤光栅应变系数，αT为光纤光栅温度系数，ε为光纤光栅上所受应变，ΔT为温度变化值。
由于光纤Bragg光栅(1)与光纤Bragg光栅(2)性能一致，并处在相同温度下，ΔT也相同，只是受到应变时一个受拉一个受压，所以一个为正应变一个为负应变，即光纤Bragg光栅(1)所受应变ε1与光纤Bragg光栅(2)所受应变ε2一正一负，所以光纤Bragg光栅(1)Bragg中心波长变化值Δλ1与光纤Bragg光栅(2)Bragg中心波长变化值Δλ2的差值为：
Δλ1-Δλ2＝αε(ε1-ε2)
由上式可以看出，消去了温度的影响，具有了温度补偿功能，且ε1与ε2一正一负，信号输出差值翻倍，输出信号被放大，进一步提高了传感器灵敏度。
光纤光栅传感器的固定如图2所示，对被测物体表面进行焊接前的表面预处理，去除表面附着物，使之露出光洁表面，以便于焊接。在需要对横向和纵向应变同时检测的场合，两个传感器件分别沿横向和纵向安装焊接，如图2所示。
将光纤光栅应变传感器件的两端螺柱焊脚(5)使用螺柱焊方法焊接在被测物体表面，物体表面的应变可以通过上述应变传感器件传递到两根光纤光栅上，而光栅与解调仪相连接，通过对携有被测物体应变信息的反射波长信号进行分析，可以检测出被测物体表面所发生应变的大小。
Claims (2)
1.一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件，其特征在于，所述光纤光栅反向差动检测传感器件包括两根光纤Bragg光栅、应变传导臂、应变延伸臂、螺柱焊脚、上直角反向臂、下直角反向臂和底座，其中应变传导臂、应变延伸臂、螺柱焊脚、上直角反向臂、下直角反向臂和底座为一体化连接，而光纤Bragg光栅为普通的光纤Bragg光栅，两根光栅性能一致，通过粘接一根固定在两个应变延伸臂顶端的凹槽上，一根固定在两个直角反向臂的凹槽上，且固定时需要施加适当预拉，以保证传感器具有双向应变传感能力，螺柱焊脚是基于螺柱焊的技术要求制作，两螺柱焊脚的位置与两直角反向臂上的光栅在一条直线上，螺柱焊脚会将应变传递到器件中，会使其中一根光栅受到拉应力，一根受到压应力，使返回的两个光纤Bragg光栅Bragg中心波长向左右两个不同方向漂移，产生反向差动输出效果，实现应变增敏，同时也具有温度补偿功能。
2.根据权利要求1所述的一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件，其特征在于，两个应变延伸臂的顶端两个凹槽之间距离与两直角反向臂上的两个凹槽之间距离相等，应变传导臂、应变延伸臂、螺柱焊脚、上直角反向臂、下直角反向臂和底座的材料选用与被测物体相一致的材料，避免不同材料在外界温度变化时由于热膨胀系数差异所引起的热应力。
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