CN106152961B - 一种光纤应变传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤应变传感器及其制备方法。一种光纤应变传感器，其特征在于：包括至少两个固定支架，光纤器件，传动杆，悬臂梁，传动杆的一端固定在其中一个固定支架上，传动杆的另一端与悬臂梁接触，光纤器件和悬臂梁固定在另外一个固定支架上，光纤器件用于发射探测光束和接收从悬臂梁反射回的探测光束。其有益效果是：可以通过改变传动杆的长度和热膨胀系数，可以降低温度对传感器的影响，本发明所提供的传感器具有可调谐、制备简单、以及低成本的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种应变传感器及其制备方法，特别涉及一种光纤应变传感器及其制备方法，可用于检测物体的形变量。
背景技术
光纤传感器是以光为载体、光纤为媒介，感知和传输外界信号，适用于易燃易爆、高温和高压等环境中加速度、压强、以及振动的检测[IEEE Sensors Journal，vol.8，PP.1184-1193，2008]。光纤传感器由于其体积小，重量轻，安装方便，不易受化学物质腐蚀，不受电磁辐射干扰，能够远程传感和多点化传感的优点，非常适合于应变的检测，已经广泛应用于建筑物健康监测与智能材料之中。
目前，光纤应变传感器通常采用光纤光栅结构，但是光纤光栅结构的应变传感器需要可调谐激光器或光谱分析仪等来监控反射波长，因此系统价格昂贵。并且，光纤光栅对温度敏感，由于热胀冷缩会导致光栅的周期发生改变，相应的反射波长也随温度改变，从而降低了检测精度。
因此，研发对温度不敏感、高灵敏度、且低成本的光纤应变传感器，是本发明的创研动机。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种对温度不敏感、可调谐、制备简单、高灵敏度、且低成本的一种光纤应变传感器。本发明的另一目的还提供了一种光纤应变传感器的制备方法。
本发明所提供的一种光纤应变传感器，其主要技术方案为：
一种光纤应变传感器，其特征在于：包括至少两个固定支架，光纤器件，传动杆，悬臂梁，传动杆的一端固定在其中一个固定支架上，传动杆的另一端与悬臂梁接触，光纤器件和悬臂梁固定在另外一个固定支架上，光纤器件用于发射探测光束和接收从悬臂梁反射回的探测光束。
本发明所提供的一种光纤应变传感器，还可以包括以下附属技术方案：
其中，所述传动杆的热膨胀系数与待测底座的热膨胀系数相同或相近。
其中，所述传动杆的长度可以调节。
其中，所述传动杆由不同热膨胀系数的材料串接或并接构成。
其中，所述固定支架具有凸起，所述悬臂梁的一端固定在所述凸起上。
其中，所述的光纤器件选自光纤、光纤准直器或拉锥光纤中的任一种。
其中，所述光纤器件、所述悬臂梁和所述传动杆保持同一高度，并且光纤器件与悬臂梁垂直。
其中，所述悬臂梁选自金属应变片、镀了金属薄膜的无机玻璃、硅薄膜或者有机薄膜中的任一种。
其中，所述悬臂梁形状选自梯形、矩形或锥形中的任一种。
本发明还提供了一种光纤应变传感器的制备方法，其技术方案为：
一种光纤应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
首先，制备两个固定支架，将两个固定支架固定在待测底座上，其中一个固定支架的角上凸起一块，用于固定悬臂梁；
然后，将传动杆的一端固定在一个固定支架上，光纤器件和悬臂梁固定在具有凸起的固定支架上；
最后，调节传动杆的长度，使得传动杆接触或者挤压悬臂梁，使器件工作在合适的静态工作点，得到光纤传感器。
本发明的工作原理是：在光纤器件的端面附近悬置弹性悬臂梁(以下简称“悬臂梁”)，光纤器件射出的光束经悬臂梁反射后返回到光纤器件中，并被光电探测器所探测(如图1)；传动杆是悬空的，其一端与悬臂梁接触，另一端固定在固定支架上；当传动杆挤压悬臂梁时悬臂梁发生弯曲，光纤器件与悬臂梁的间距L3、以及光束反射角都会发生改变，导致了返回光纤器件的光束强度发生改变，从而可以获知传动杆固定端的形变量。
本发明的光纤应变传感器，其中两个固定支架是固定在待测底座上，光纤器件、悬臂梁和传动杆分别固定在两个固定支架上(如图2)。当待测底座受压形变时，两个固定支架的间距由L1变为L1-ΔL(变化量为ΔL)，由于传动杆是悬空的(其长度L2保持不变)，相应的光纤器件与悬臂梁的间距由L3变为L3-ΔL(由于L1＝L2+L3)。因此，外界作用在待测底座上的形变量ΔL，通过传动杆传递到悬臂梁上，使得悬臂梁的一端发生ΔL的位移，并导致反射回光纤器件的功率发生变化。
本发明的传感器，当温度发生变化ΔT时，由于材料的热胀冷缩，待测底座和传动杆分别发生ΔLd和ΔLc的形变(ΔLd＝ΔT×L1×αd，ΔLc＝ΔT×L2×αc，其中αd和αc分别为待测底座和传动杆的热膨胀系数)，相应的光纤器件与悬臂梁的间距由L3变为L3+ΔLd-ΔLc。通过选择合适的材料，使得待测底座和传动杆的温度形变量相等(即ΔLd＝ΔLc)，那么光纤器件与悬臂梁的间距L3可以不受温度影响，从而传感器对温度不敏感。
本发明的传感器，测试对象可以是除待测底座之外的物体(如钢筋、水泥等)，此时只需待测底座换成测试对象，可以利用同样的方式检测应变。
本发明的传感器，当传动杆挤压悬臂梁时，光纤器件与悬臂梁的间距L3发生改变，从而使得悬臂梁弯曲、并改变悬臂梁对光束的反射角。
本发明的传感器，经悬臂梁反射，返回到光纤器件中的光束功率P(L3)是L3的函数。通过调节传动杆的长度，可以调节L3的大小，从而改变器件的静态工作点和灵敏度。
本发明的传感器，通过调节传动杆的长度，可以调节传动杆的温度形变量ΔLc，从而精确的抵消待测底座的温度形变量ΔLd，使得传感器对温度不敏感。
本发明的实施包括以下技术效果：
本发明提供的一种光纤应变传感器采用光纤器件接收悬臂梁反射回的探测光束，并利用传动杆将形变量传递到悬臂梁上；可以通过改变传动杆的长度和热膨胀系数，可以降低温度对传感器的影响。该传感器具有可调谐、制备简单、以及低成本的优势。
附图说明
图1为光纤应变传感器的示意图(俯视图)；
图2为光纤应变传感器的示意图(侧视图)。
1、固定支架；2、悬臂梁；3、传动杆；4、光纤器件；5、待测底座。
具体实施方式
下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
参见附图1为本实施例一种光纤应变传感器的示意图(俯视图)；图2为本实施例一种光纤应变传感器的示意图(侧视图)。一种光纤应变传感器，包括至少两个固定支架1，光纤器件4，传动杆3，悬臂梁2，传动杆3的一端固定在其中一个固定支架1上，传动杆3的另一端与悬臂梁2接触，光纤器件4和悬臂梁2固定在另外一个固定支架1上，光纤器件4用于发射探测光束和接收从悬臂梁2反射回的探测光束。所述的光纤器件4选自光纤、光纤准直器或拉锥光纤中的任一种；本实施例优选光纤准直器；所述传动杆3由不同热膨胀系数的材料串接或并接构成；从而调节传动杆3整体的热膨胀系数；并且本实施例中所述传动杆3的热膨胀系数与待测底座5的热膨胀系数相同或相近，使得传感器可以不受温度的影响，对使用环境的温度不敏感。所述传动杆3的长度可以调节，如此可以改变器件的静态工作点和灵敏度；所述固定支架1具有凸起，所述悬臂梁2的一端固定在所述凸起上，利于悬臂梁2的变形。所述光纤器件4、所述悬臂梁2和所述传动杆3保持同一高度，并且光纤器件4与悬臂梁2垂直，可以提高传感器的灵敏度。所述悬臂梁2选自金属应变片、镀了金属薄膜的无机玻璃、硅薄膜或者有机薄膜中的任一种本实施例优选金属应变片，可以提高反射率。所述悬臂梁2形状选自梯形、矩形或锥形中的任一种；本实施例优选矩形。
一种光纤应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
首先，制备两个固定支架1，将两个固定支架1固定在待测底座5上，其中一个固定支架1的角上凸起一块，用于固定悬臂梁2；
然后，将传动杆3的一端固定在一个固定支架1上，光纤器件4和悬臂梁2固定在具有凸起的固定支架1上；
最后，调节传动杆3的长度，使得传动杆3接触或者挤压悬臂梁2，使器件工作在合适的静态工作点，得到光纤传感器。
综上所述，本发明提供的光纤应变传感器，利用传动杆3将形变量传递到悬臂梁2上，并通过改变传动杆3的长度和热膨胀系数，降低温度对传感器的影响。发明的传感器具有可调谐、制备简单、以及低成本的优势。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种光纤应变传感器，其特征在于：包括至少两个固定支架，光纤器件，传动杆，悬臂梁，传动杆的一端固定在其中一个固定支架上，传动杆的另一端与悬臂梁接触，光纤器件和悬臂梁固定在另外一个固定支架上，光纤器件用于发射探测光束和接收从悬臂梁反射回的探测光束；
所述传动杆的长度可以调节，所述传动杆由不同热膨胀系数的材料串接或并接构成。
2.根据权利要求1所述的一种光纤应变传感器，其特征在于：所述传动杆的热膨胀系数与待测底座的热膨胀系数相同或相近。
3.根据权利要求1所述的一种光纤应变传感器，其特征在于：所述固定支架具有凸起，所述悬臂梁的一端固定在所述凸起上。
4.根据权利要求1所述的一种光纤应变传感器，其特征在于：所述的光纤器件选自光纤、光纤准直器或拉锥光纤中的任一种。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种光纤应变传感器，其特征在于：所述光纤器件、所述悬臂梁和所述传动杆保持同一高度，并且光纤器件与悬臂梁垂直。
6.根据权利要求5所述的一种光纤应变传感器，其特征在于：所述悬臂梁选自金属应变片、镀了金属薄膜的无机玻璃、硅薄膜或者有机薄膜中的任一种。
7.根据权利要求5所述的一种光纤应变传感器，其特征在于：所述悬臂梁形状选自梯形、矩形或锥形中的任一种。
8.一种光纤应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
首先，制备两个固定支架，将两个固定支架固定在待测底座上，其中一个固定支架的角上凸起一块，用于固定悬臂梁；
然后，将传动杆的一端固定在一个固定支架上，光纤器件和悬臂梁固定在具有凸起的固定支架上；
最后，调节传动杆的长度，使得传动杆接触或者挤压悬臂梁，使器件工作在合适的静态工作点，得到光纤传感器；
其中，所述传动杆的长度可以调节，所述传动杆由不同热膨胀系数的材料串接或并接构成。
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