CN1061439C

CN1061439C - 光纤微弯传感器

Info

Publication number: CN1061439C
Application number: CN 96116927
Authority: CN
Inventors: 骆飞
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 1996-05-15
Filing date: 1996-05-15
Publication date: 2001-01-31
Anticipated expiration: 2016-05-15
Also published as: CN1156819A

Abstract

本发明属于以光学方法检测应变以及温度的器件。它采用了弧形刚性弹性片2将x方向的应变转换为y方向的位移，利用光纤的微弯损耗原理将此位移量通过光纤弯曲程度的变化所引起的光纤中传输光的损耗变化来反映，实现了对应变尤其是拉伸应变的检测。它不仅可作拉伸及压缩应变传感器，另外还可以作温度传感器使用。并可利用光时域反射技术等形成多点分布测试以用于对大型工程结构进行实时监测和安全评估等。

Description

光纤微弯传感器

本发明是属于以光学方法检测应变以及温度的器件。

光纤微弯传感器是根据光纤的微弯损耗现象而设计的，其原理是根据光纤受被测参量调制而发生弯曲产生微弯损耗，通过探测光纤中传输光的损耗而检测被测参量。光纤被置于两块平行的齿型试板之间，当试板受被测参量调制而产生相对位移时，光纤在齿的压力作用下产生弯曲并且弯曲振幅发生变化，这时光纤中通过的光信号损耗就会发生变化，由此可检测被测参量的变化。由于该种光纤传感器具有结构简单、易于实用化的特点而受到广泛关注。该传感器的设计关键是要寻求有效的方法和途径将被测参量的变化转换为光纤微弯量的变化。目前该原理已被研究开发用于位移、压力、加速度、应变、声波等参量的检测中，而在对应变检测问题上虽已有文献研究，例如美国专利5020379号，但至今为止未能有效地解决用于构件拉伸应变检测问题，使实际应用具有局限性。同样，光纤微弯传感原理亦尚未能有效地用于温度的检测。

本发明的目的在于提供一种能够检测拉伸应变、压缩应变以及温度的光纤微弯传感器。

本发明的解决方案为：

由带齿的弧形刚性弹性片和应变传递板相对安置组成光纤微弯调制器，光纤置于调制器的齿隙之间(受齿间间隙变化的影响而产生微弯变形)，弹性片的两端与应变传递板或其两端的挡板相连接且位置固定。

对于上述传感器，由两块应变传递板通过其两端的挡板相连而形成应变传递架，弧形刚性弹性片位于其间且两面带齿，即弹性片的两面均与应变传递板相对而组成一对光纤微弯调制器。

对于上述传感器，其光纤沿着由弧形刚性弹性片的弧形所形成平面的正交方向放置，微弯调制器中的齿亦相应地沿该方向排列。

对于上述传感器，应变传递板上的齿也可以直接由柔性弹性材料制作形成。

对于上述的传感器，其弧形刚性弹性片的热膨胀系数比应变传递板的热膨胀系数高。

附图1：本发明的基本结构示意图。

附图2：本发明的几何关系示意图。

附图3：h-k关系曲线图。

附图4：本发明的拉伸应变传感器结构示意图。

附图5：附图4的侧向剖视图。

附图6：本发明的压缩应变传感器结构之一示意图。

附图7：本发明的压缩应变传感器结构之二示意图。

附图8：本发明的拉伸及压缩双向应变传感器结构示意图。

附图9：附图8的侧向剖视图。

附图10：h ′-k关系曲线图。

附图11：本发明的温度传感器结构示意图。

从附图1和2中可以看出，本发明是由带齿的弧形刚性弹性片2与应变传递板3相对安置而组成光纤微弯调制器，通过弧形弹性片与应变传递板的共同作用将x方向的应变转换为齿在y方向的位移，位于微弯调制器中齿隙间的光纤1在齿的y方向位移作用下产生弯曲并且弯曲振幅发生变化，这时光纤中通过的光信号损耗就会发生变化，以实现对应变的检测。当由应变传递板感受被测应变ε并导致变形量xε时，弹性片的拱高就要产生变化，其变化量Δy可给出为：其中：

h = \frac{4 k^{2} - 2 k \arcsin [4 k / (1 + 4 k^{2})]}{4 k - (1 - 4 k^{2}) \arcsin [4 k / (1 + 4 k^{2})]},

k = y / x

式中的h表示位移量Δy对应变ε的灵敏度系数。根据计算可得出h-k的关系曲线(见附图3)。在实际应用中，可根据对被测应变的灵敏度和测量动态范围要求选择合适的灵敏度系数，由于灵敏度系数h的放大作用使得这种结构对应变的测量可达到高灵敏度。

在传感器使用时，应变传递板固定连接在被测构件4上，被测构件的应变传递到应变传递板上使之产生相应的应变量，使弹性片的拱高产生变化。或者应变传递板就直接由被测构件代替，即在被测构件上直接加工出所需的齿或将一齿板直接固定在被测构件上，然后将弹性片的两端与被测构件相连，构件产生的应变亦能使弹性片的拱高产生变化。由于弹性片与应变传递板相对的表面上带有相互交错的齿(弹性片上的齿位于弧顶处)，使位于齿间的光纤在弹性片上齿的位移作用下产生弯曲并且弯曲振幅发生变化，这时光纤中通过的光信号损耗就会发生变化，应变即能反映在光信号的损耗变化上，以实现对应变的检测。对于该传感器，弧形弹性片的凹面与应变传递板相对即光纤位于弧形弹性片的凹侧时，该结构用于构件的拉伸应变检测；而当弧形弹性片的凸面与应变传递板相对即光纤位于弧形弹性片的凸侧时，该结构可用于构件的压缩应变检测。因此可以根据实际需要制作成拉伸应变传感器(见附图4、5)或压缩应变传感器(见附图6、7)。弹性片的两端可以通过铆接、粘接或焊接等固定方式联结在应变传递板或其两端所设置的挡板5上，也可以是卡在挡板内，只要弹性片的两个端点位置固定并能随应变传递板所感受的应变位移而移动。弹性片或挡板的适当位置处留出孔或槽作为光纤的通道。

本发明还可以组成拉伸和压缩双向应变传感器(见附图8、9)。在双向应变传感器中，两面带齿的弧形刚性弹性片被置于一由两块应变传递板通过其两端的挡板相连而形成的应变传递架中间，应变传递架的上下内面各有齿以与弧形弹性片上的齿相对而同时形成上下两条齿隙，即弹性片与应变传递架之间组成了一对光纤微弯调制器，调制器的两齿隙中各放置一根传感光纤，分别用于检测拉伸或压缩应变，使拉伸或压缩应变都能被测量。

从传感器结构、工艺以及实际测量应用上的考虑，还可将光纤和齿的方向垂直于纸面安置，即光纤沿着由弧形刚性弹性片的弧形所形成平面的正交方向放置，微弯调制器中的齿亦相应地沿该方向排列。这样光纤就可直接穿过弹性片与应变传递板之间的齿隙，弹性片的位移与应变的关系保持不变。

为了避免光纤被调制器中的齿损伤，可在光纤的周围或齿隙中充填柔性缓冲材料(如硅橡胶等)以起缓冲和保护作用。或者亦可将应变传递板上的齿直接由一柔性弹性材料(如橡胶等)制作的垫片取代，该垫片被粘在应变传递板上，垫片上也可不带齿。当光纤被弧形刚性弹性片上的齿压到垫片上时，由于垫片具有柔性，光纤受弧形刚性弹性片上齿的压力作用同样会发生弯曲，从而引起光纤中传输光损耗的变化。

另外，为了避免或减少温度变化对应变测量的影响，在上述结构中的弧形弹性片和应变传递板应尽量选择具有相近热膨胀系数的材料组成并与被测构件的热膨胀系数也尽量一致。

而当弧形弹性片的热膨胀系数比应变传递板的热膨胀系数高时，根据上述传感原理就可设计成一种光纤温度微弯传感器。此时，传感机理为：弧形弹性片与应变传递板在温度变化时由于受热膨胀作用的影响其弧长及板长要发生变化，而弧长的变化又大于板长的变化，从而使位于弧顶的齿在y方向产生相应的位移，位于齿间的光纤在齿的y方向位移作用下产生弯曲并且弯曲振幅发生变化，这时光纤中通过的光信号损耗就会发生相应变化，通过探测光信号的变化可以实现对温度的检测。此时，其微弯调制器的齿间隙受温度变化的影响而产生的变化量△y可给出为：

Δy = \frac{4 k^{2} [L α_{T} (T - T_{0})] + {4 k^{2} - 2 k \arcsin [4 k / (1 + 4 k^{2})]} [x β_{T} (T - T_{0})]}{4 k - (1 - 4 k^{2}) \arcsin [4 k / (1 + 4 k^{2})]}

式中L为弧形刚性弹性片的弧长，α_T和β_T分别为弹性片和应变传递板的热膨胀系数，T为被测温度，T₀为参考温度，

当α_T＞＞β_T时(在实际应用中可根据精度和测量范围要求进行选择，一般取α_T＞2β_T即可满足工程使用要求)，则有：其中：

h' = \frac{\overset{Δy \approx h' L α_{T} (T - T_{0}),}{4 k^{2}}}{4 k - (1 - 4 k^{2}) \arcsin [4 k / (1 + 4 k^{2})]}

此时，弹性片弧顶的位移量反应了温度的变化。这时的应变传递板及其挡板实际上是作为固定弧形弹性片的“壳体”使用。同样，根据对被测温度的灵敏度和动态范围要求可选择合适的灵敏度系数h′，以满足实际使用需要。h′-K的关系曲线见附图10。

与上述应变传感器的结构相类似，温度传感器同样可做成升温传感器、降温传感器或升降温两用传感器，见附图11。其中，位于弹性片凸侧的光纤感受温度的上升，而位于弹性片凹侧的光纤感受温度的下降。

利用本发明的重要应用在于还可以组成多点分布测试系统，即沿着光纤可以顺序安置若干个传感器，传感光纤甚至可达数十公里长，通过光时域反射技术或多路复用技术等，即可检测沿光纤分布的各传感器中的应变或温度的状态，将这些传感器分布于重要的大型工程结构中(如舰船、飞行器、桥梁、水坝、矿井、电力系统等)，可以实现对大型工程结构的实时监测，进行安全评估、故障诊断和损伤报警等。

综上所述，由于弧形刚性弹性片的作用，本发明不仅实现了对拉伸应变、压缩应变以及温度的检测，而且由于传感器的灵敏度系数h、h′的放大作用使该传感方法的灵敏度高并可根据实际应用要求进行方便的选择和调整。本发明使光纤微弯传感器的应用范围有了很大的突破。

Claims

1．一种光纤微弯传感器，光纤(1)置于光纤微弯调制器的齿隙中，其特征在于调制器是由带齿的弧形刚性弹性片(2)与应变传递板(3)相对安置而形成，弹性片的两端与应变传递板或其两端的挡板(5)相连接且位置固定。

2．如权利要求1所述的光纤微弯传感器，其特征在于由两块应变传递板通过其两端的挡板相连而形成应变传递架，弧形刚性弹性片位于其间且两面带齿，即弹性片的两面均与应变传递板相对而组成一对光纤微弯调制器。

3．如以利要求1或2所述的光纤微弯传感器，其特征在于光纤沿着由弧形刚性弹性片的弧形成形成平面的正交方向放置，调制器中的齿亦相应地沿着该方向排列。

4．如权利要求1或2所述的光纤微弯传感器，其特征在于弹性片的热膨胀系数比应变传递板的热膨胀系数高。

5．如权利要求3所述的光纤微弯传感器，其特征在于弹性片的热膨胀系数比应变传递板的热膨胀系数高。