CN106989863B - 基于光纤光栅的点式测力传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤光栅的点式测力传感器，包括外套钢管、内芯钢管、测力触头、光纤引出端口和设置在内芯钢管内并与测力触头相连接的测试传感元件，所述测试传感元件为内嵌有光纤光栅的弹性结构，所述内芯钢管位于所述外套钢管内，所述的测力触头与弹性结构相接触，用于将外部的压力变化敏感地传递到测试传感元件中的弹性结构，再经由内嵌在测试传感元件中的光纤光栅的变形测出外部压力的变化；所述光纤光栅远离测力触头的一端与光纤引出端口连接，所述光纤引出端口用于光纤光栅导线的引出。本发明耐腐蚀、实时监控、传感精度高、抗电磁干扰、准分布式监测、物理量的绝对测量、可重复利用和易于数据管理。

Description

基于光纤光栅的点式测力传感器

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感领域、结构内压力监测技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的点式测力传感器，测试结果可用于评估结构的受力状态和安全性能。

背景技术

如果能实时掌握工程结构外的流体压力、土体压力等外界压力的变化信息，即可在结构服役过程中出现安全风险时，及时采用适当工程加固方法有效降低事故发生的几率，延长结构的使用年限。此基于光纤光栅的点式测力传感器是一种运用范围较广的监测装置，其广泛应用于各种交通工程、水利工程、海洋工程和管道输送工程等服役过程中等结构的侧向梯度压力的监测，以往针对水下压力或土中压力测试没有专门的传感器，大部分现有的测压传感器在水中或土中易受到外部环境影响而导致测量精度的下降，会受外部介质的侵蚀而无法长期工作，耐久性差。第二、不易安装的特点也十分突出，大多数仪器在水中或土中的安装和固定十分不方便，灵活性差，而且一经安装就不能轻易改动，在实际工程中的实用性非常低。

发明内容

为了克服已有的测力传感器耐久性差、不易于安装、体积大、不能实时测量液体压力或者土体压力的变化等不足，本发明的目的在于提供一种通过弹性结构与布拉格布拉格光纤光栅的结合、提高布拉格布拉格光纤光栅的精确性和耐久性并能将测得的数据实时地导出到地面的数据库中方便数据的计算和储存的基于光纤光栅的点式测力传感器，具有耐腐蚀、实时监控、传感精度高、抗电磁干扰、准分布式监测、物理量的绝对测量、可重复利用和易于数据管理的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于光纤光栅的点式测力传感器，其特征在于：包括外套钢管、内芯钢管、测力触头、光纤引出端口和设置在内芯钢管内并与测力触头相连接的测试传感元件，所述测试传感元件为内嵌有光纤光栅的弹性结构，所述内芯钢管位于所述外套钢管内，所述的测力触头与弹性结构相接触，用于将外部的压力变化敏感地传递到测试传感元件中的弹性结构，再经由内嵌在测试传感元件中的光纤光栅的变形导致光纤光栅的波长变化从而测出外部压力的变化；所述光纤光栅远离测力触头的一端与光纤引出端口连接，所述光纤引出端口用于光纤光栅导线的引出。

进一步，所述光纤引出端口为SMA接口。具有频带宽、性能优、高可靠、寿命长的特点。

再进一步，所述内芯钢管底部为螺纹结构，所述外套钢管的底部为螺母结构，将内芯钢管固定在外套钢管上。使测试传感原件更加稳固，不会导致测试传感原件的倾斜所产生的外力测量不准确的情况。

更进一步，所述光纤光栅为布拉格光纤光栅，所述的布拉格光纤光栅的布拉格波长为

λ_B＝2n_eΛ (1)

式中，Λ，为折射率变化的周期；n_e为纤芯的有效折射率，当Λ和n_e中任一发生变化时都将引起光栅波长的移动，即

由式(2)知，当光纤长度方向上产生应变时，使Λ和n_e产生变化，导致布拉格布拉格光纤光栅反射波长改变，从而通过检测λ_B的变化量来求得待测应变量。

所述的外套钢管为圆环形钢管，内芯钢管为圆柱形钢管。外套钢管起到固定和支持的作用，所述的内芯钢管可保护测试传感元件的正常工作，防止外部液体或土体等外界环境的侵入对弹性结构和布拉格光纤光栅的侵蚀，防止外部环境对测试传感元件的破坏，起到保证测试传感元件正常工作和测量精度的作用；

可以方便地安装在围护结构内外壁的适当支座或者管壁上。根据测量精度的需求改变布置的密度，可通过在不同长度范围内布置多个基于光纤光栅的点式测力传感器来测得该线段上的梯度压力值，如水中构件外侧不同深度的水压力、土中构件不同深度的土压力等等。

本发明的技术构思为：基于光纤光栅的点式测力传感器技术主要涉及到以下三个方面的内容：(1)对外界压力变化的敏感性；(2)传感器的高耐久性；(3)外界压力测量的精确性。外界土压力变化测量所需的数据主要来自测力触头传递的外界压力值和光纤光栅受压引起的波长变化。

布拉格光纤光栅是目前在智能材料系统研究中应用最为广泛的敏感元件之一，其工作原理是外界物理量的变化引起布拉格光纤光栅中心波长的变化，由布拉格光纤光栅中心波长的变化获得被测量的值。这种测量方法思路清晰，操作便捷，很容易为广大工程技术人员接受。光纤传感元件的优点主要表现为抗电磁干扰；耐腐蚀；分布式测量、绝对测量、信号衰减小；灵敏度高，精度高等优点。此外，近年来结构的实时安全监测已成为国内外研究的热点之一，作为结构健康监测重要手段的光纤技术也得到了极大的发展。因此本装置结合布拉格光纤光栅进行感知和传输的优点，研发了高耐久性的基于光纤光栅的点式测力传感器，充分发挥了布拉格光纤光栅监测具有的精度高、耐久性好的特点，克服了传统测试方法的缺点，可以经受不同场合测试环境的考验，并满足不同测量精度的需求。

本发明的有益效果主要表现在：耐腐蚀、实时监控、传感精度高、抗电磁干扰、准分布式监测、物理量的绝对测量、可重复利用和易于数据管理。

附图说明

图1为基于光纤光栅的点式测力传感器的剖面图；

图2为基于光纤光栅的点式测力传感器的工作原理示意图；

图3为基于光纤光栅的点式测力传感器的立面示意图；

图4为测试传感元件的弹性结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种基于光纤光栅的点式测力传感器，包括外套钢管2、内芯钢管3、测力触头1、光纤引出端4口和设置在内芯钢管3内并与测力触头1相连接的测试传感元件，所述测试传感元件为内嵌有光纤光栅6的弹性结构5，所述内芯钢管3位于所述外套钢管2内，所述的测力触头1与弹性结构5相接触，用于将外部的压力变化敏感地传递到测试传感元件中的弹性结构5，再经由内嵌在测试传感元件中的光纤光栅6的变形测出外部压力的变化；所述光纤光栅6远离测力触头的一端与光纤引出端口4连接，所述光纤引出端口4用于光纤光栅导线的引出。

进一步，所述光纤引出端口4为SMA接口。具有频带宽、性能优、高可靠、寿命长的特点。

再进一步，所述内芯钢管3底部为螺纹结构7，所述外套钢管2的底部为螺母结构，将内芯钢管固定在外套钢管上。使测试传感原件更加稳固，不会导致测试传感原件的倾斜所产生的外力测量不准确的情况。

更进一步，所述光纤光栅6为布拉格光纤光栅，所述的布拉格光纤光栅的布拉格波长为

λ_B＝2n_eΛ (1)

式中，Λ，为折射率变化的周期；n_e为纤芯的有效折射率，当Λ和n_e中任一发生变化时都将引起光栅波长的移动，即

由式(2)知，当光纤长度方向上产生应变时，使Λ和n_e产生变化，导致布拉格布拉格光纤光栅反射波长改变，从而通过检测λ_B的变化量来求得待测应变量。

所述的外套钢管2为圆环形钢管，内芯钢管3为圆柱形钢管。外套钢管起到固定和支持的作用，所述的内芯钢管可保护测试传感元件的正常工作，防止外部液体或土体等外界环境的侵入对弹性结构和布拉格光纤光栅的侵蚀，防止外部环境对测试传感元件的破坏，起到保证测试传感元件正常工作和测量精度的作用；

可以方便地安装在围护结构内外壁的适当支座或者管壁上。根据测量精度的需求改变布置的密度，可通过在不同长度范围内布置多个基于光纤光栅的点式测力传感器来测得该线段上的梯度压力值，如水中构件外侧不同深度的水压力、土中构件不同深度的土压力等等。

基于光纤光栅的点式测力传感器的工作流程为：

StepA:根据图2所示，将基于光纤光栅的点式传感器安装固定在固定装置或直接安装在管壁上；

StepB：外界压力的变化传递至测力触头1的位置；

StepC：测力触头将压力传递至弹性结构5；

StepD：弹性结构5受力产生变形并将变形传递至内嵌的布拉格光纤光栅；

StepE：布拉格光纤光栅的受压变形致使布拉格光纤光栅内光的波长发生变化；

StepF：通过波长变化的大小，根据数学解析的方法就能算得外界某点的压力值；

StepG：通过导线从光纤引出端口4可将测得的数据导出到电脑储存和分析。

所述的测试传感元件的顶部与测力触头1接触，外界液体、土体等其他环境压力会使测力触头附近的压力发生改变，外部的压力变化通过测力触头传递至测试传感元件的弹性结构；

所述的弹性结构5，采用高灵敏度的材料，能够测量到测量触头压力的微小变化。

式中，P_e为有效弹光系数，P_ij为弹光系数，μ为纤芯材料的泊松比。

由(4)式得到压力灵敏度：

布拉格光纤光栅二阶灵敏度系数为：

则有布拉格光纤光栅的轴向应变ε₁引起的波长变化为：

由于忽略布拉格光纤光栅的二阶应变灵敏度所引起的误差不超过0.5％，所以布拉格光纤光栅的波长漂移量与所有的应变变化呈良好的线性关系，不考虑二阶应变的灵敏度影响。

假设沿光纤轴向施加压力F₁，根据胡克定律易求得布拉格光纤光栅处轴向应变为：

式中，E₁为布拉格光纤光栅的杨氏模量，A₁为布拉格光纤光栅的有效横截面积，F₁为作用在布拉格光纤光栅上的压力值。

则布拉格光纤光栅的波长变化引起的压力F₁的变化为:

根据变形协调的原理，内芯钢管和弹性结构内的布拉格光纤光栅受力压缩产生的变形值应相等：

ε₁＝ε₂ (10)

F＝F₁+F₂ (12)

式中，ε₁为布拉格光纤光栅的轴向应变，ε₂为内芯钢管的轴向应变，E₁为布拉格光纤光栅的杨氏模量，E₂为内芯钢管的杨氏模量，A₁为布拉格光纤光栅的受力表面积，A₂为内芯钢管的受力表面积，F₂为内芯钢管顶部所受的压力值，F为外界某点的压力总值。

所述的光纤引出端口，采用SMA接口，将布拉格光纤光栅测得的数据传输到数据采集仪中，根据上述力学解析法就可得知该点的压力值。

本发明是一种基于光纤光栅的点式测力传感器，适用于实时监测工程上某一点的压力变化值，从而对交通工程、水利工程、海洋工程和管道输送工程等服役过程中的结构进行安全监测，可广泛应用于新建或已经建成的工程设备的安全监测环境中，具有高耐久性、高精度、结构简单、实时监控和易于工程布设等优点。

其工作原理如下：按设计要求的不同，测量圆柱形设备时可将基于光纤光栅的点式测力传感器直接布置到管壁内侧，测量管壁内侧某点的压力变化值，或者通过将传感器安装在仪器上可测得自然环境下某点的压力变化值。当外部压力发生变化时，外部的压力传递至测力触头，再由测力触头将压力传递至弹性结构，使弹性结构发生变形，导致嵌入在弹性结构中的布拉格光纤光栅因压缩变形使其波长发生变化，通过布拉格光纤光栅的数据传输线把测力传感器测得的信号传输到外部数据采集仪中，再通过信号解析和力学分析即可获得实时的压力变化值。

近年来，作为最有前途敏感原件之一的光纤也得到巨大的发展，相比于电子类传感器,布拉格光纤光栅传感器也更适合用在深水、岩土中或其他高温高压等苛刻环境中。目前，光纤传感器已经广泛用于交通工程、水利工程、海洋工程和管道输送工程等领域，构建全光纤的健康监测系统也成为今后结构健康监测的发展目标之一。基于光纤的点式测力传感器是结合布拉格光纤光栅测力的一种形式，它是以布拉格光纤光栅作为敏感元件的功能性传感器，具有其他类型测力传感器无可比拟的优点，主要有耐久性好，可适用于环境恶劣的土木水利等结构中通过改变测试传感元件内的弹性结构、内芯钢管和测力触头的刚度大小或者改变基于光纤光栅的点式测力传感器的布置密度等，可以方便地改变测量的精度或量程。具有可靠性好，抗电磁干扰能力强，而且易构成传感网络和易于安装布设等优点。数据的收集和存储可以基于阿里云的平台，容纳海量数据，服务器数量可以弹性扩张。

本发明的关键技术有：

1、本发明是以布拉格光纤光栅为敏感元件，利用测力触头、测试传感元件和测力传感器内的弹性结构作为传力机构，以上元件的选择使得本专利具有精确、实时、高耐久性的特点。

2、本发明所设计的基于光纤光栅的点式测力传感器可以直接监测土层的厚度变化、管壁内的液体压力及其他各种工程环境的压力变化，且体型小巧能够使测量的位置更加精确，并且布拉格光纤光栅与弹性结构的复合使得布拉格光纤光栅对压力的变化更准确而且更加敏感，因此在外力变化较小的情况下，也能准确地检测到外力变化的数值。

3、本发明所设计的基于布拉格光纤光栅的点式压力传感器具有良好的密封性和耐腐蚀性可以在任何工作环境下工作，并且可以根据测量精度及长度的要求改变布置的密度。

本基于光纤光栅的点式测力传感器的技术原理及理论依据：

本发明将布拉格光纤光栅嵌入在弹性结构中，再将弹性结构和布拉格布拉格光纤光栅复合并整体放入内芯钢管中，再将内芯钢管与外套钢管通过螺纹连接。从而形成一个可以监测外界压力变化的基于光纤光栅的点式测力传感器。

由于内芯具有密封性并且采用具有较高耐腐蚀性的材料，使得测量部分有很高的耐久性，从而本专利的冲刷传感器在潮湿环境下仍然具有较高的耐久性。本传感器优点在于耐腐蚀性高、传感精度高、抗电磁干扰、准分布式监测、物理量的绝对测量等。最后,这种光纤冲刷传感器适于长期监测的实际工程需要，并且可以根据工程需要设计出不同精度、不同量程的传感器。本基于光纤光栅的点式测力传感器可以有效地监测工程结构内部受力情况，并可在结构发生破坏前起到提前预警的作用。该装置敏感元件布拉格光纤光栅，传力机构采用测力触头和内部的弹性材料，设计巧妙、构造简单，解决了大、小型工程结构的健康监测问题，具有重大的实际应用意义。

本发明涉及交通工程、水利工程、海洋工程和管道输送工程等服役过程中的结构安全监测，是一种适用于特殊监测条件下的压力测试技术，具体涉及一种基于光纤光栅的点式测力传感器，测试结果可用于评估结构的受力状态和安全性能。

Claims (3)

1.一种基于光纤光栅的点式测力传感器，其特征在于：包括外套钢管、内芯钢管、测力触头、光纤引出端口和设置在内芯钢管内并与测力触头相连接的测试传感元件，所述测试传感元件为内嵌有光纤光栅的弹性结构，所述内芯钢管位于所述外套钢管内，所述的测力触头与弹性结构相接触，用于将外部的压力变化敏感地传递到测试传感元件中的弹性结构，再经由内嵌在测试传感元件中的光纤光栅的变形测出外部压力的变化；所述光纤光栅远离测力触头的一端与光纤引出端口连接，所述光纤引出端口用于光纤光栅导线的引出；

所述光纤光栅为布拉格光纤光栅，所述的布拉格光纤光栅的布拉格波长为

λ_B＝2n_eΛ (1)

式中，Λ，为折射率变化的周期；n_e为纤芯的有效折射率，当Λ和n_e中任一发生变化时都将引起光栅波长的移动，即

由式(2)知，当光纤长度方向上产生应变时，使Λ和n_e产生变化，导致布拉格光纤光栅反射波长改变，从而通过检测λ_B的变化量来求得待测应变量；

基于光纤光栅的点式测力传感器的工作流程为：

StepA:将基于光纤光栅的点式传感器安装固定在固定装置或直接安装在管壁上；

StepB：外界压力的变化传递至测力触头(1)的位置；StepC：测力触头将压力传递至弹性结构(5)；

StepD：弹性结构(5)受力产生变形并将变形传递至内嵌的布拉格光纤光栅；

StepE：布拉格光纤光栅的受压变形致使布拉格光纤光栅内光的波长发生变化；

StepF：通过波长变化的大小，根据数学解析的方法算得外界某点的压力值；

StepG：通过导线从光纤引出端口(4)将测得的数据导出到电脑储存和分析；

其中，所述的测试传感元件的顶部与测力触头(1)接触，外界液体、土体会使测力触头附近的压力发生改变，外部的压力变化通过测力触头传递至测试传感元件的弹性结构；

所述的弹性结构(5)，采用高灵敏度的材料，能够测量到测量触头压力的微小变化；

式中，P_e为有效弹光系数，μ为纤芯材料的泊松比；

由(4)式得到压力灵敏度：

布拉格光纤光栅二阶灵敏度系数为：

则有布拉格光纤光栅的轴向应变ε₁引起的波长变化为：

假设沿光纤轴向施加压力F₁，根据胡克定律易求得布拉格光纤光栅处轴向应变为：

式中，E₁为布拉格光纤光栅的杨氏模量，A₁为布拉格光纤光栅的有效横截面积，F₁为作用在布拉格光纤光栅上的压力值；

则布拉格光纤光栅的波长变化引起的压力F₁的变化为：

根据变形协调的原理，内芯钢管和弹性结构内的布拉格光纤光栅受力压缩产生的变形值应相等：

ε₁＝ε₂ (10)

F＝F₁+F₂ (12)

式中，ε₁为布拉格光纤光栅的轴向应变，ε₂为内芯钢管的轴向应变，E₁为布拉格光纤光栅的杨氏模量，E₂为内芯钢管的杨氏模量，A₁为布拉格光纤光栅的受力表面积，A₂为内芯钢管的受力表面积，F₂为内芯钢管顶部所受的压力值，F为外界某点的压力总值；

所述的光纤引出端口，采用SMA接口，将布拉格光纤光栅测得的数据传输到数据采集仪中，根据上述力学解析法就可得知该点的压力值。

2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的点式测力传感器，其特征在于：所述内芯钢管底部为螺纹结构，所述外套钢管的底部为螺母结构，将内芯钢管固定在外套钢管上。

3.如权利要求1所述的基于光纤光栅的点式测力传感器，其特征在于：所述的外套钢管为圆环形钢管，内芯钢管为圆柱形钢管。