CN107121158A - 一种内封式悬臂梁光纤光栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内封式悬臂梁光纤光栅传感器，属于传感器领域。本发明内封式悬臂梁光纤光栅传感器在配有固定端和受力端的悬臂梁构件内部具有内封孔，用于放置作为敏感元件的光纤光栅；每个内封孔有两个从悬臂梁外表面打通至内封孔的注胶孔；使用光纤固定胶通过注胶孔将光纤光栅栅区固定在内封孔内两个注胶孔之间。封装后的悬臂梁构件与施力杆及施力杆安装件组合成传感器安装在待测物上；当待测物受到力载荷的作用，与光纤光栅、海缆连接的光纤光栅解调仪通过监测光纤光栅特征波长的变化监测力载荷的大小。本发明综合光纤光栅和悬臂梁结构的优势，可用于在深水中监测工程结构的力载荷，同时具有耐海水腐蚀和高水压、结构简单成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种可适用于深水力载荷监测的内封式悬臂梁光纤光栅传感器，属于传感器领域。
背景技术
光纤光栅作为一种新型的光子器件，其特征光中心波长的变化与温度变化和应变有着较好的线性关系。由于光纤光栅具有现场无需供电、不受电磁干扰、测量精度和分辨率高、响应速度快、扩展容量大、可长期应用于高温高湿及存在化学侵蚀等恶劣环境、线路损耗不影响测量、传输距离远的优点，得到了广泛的应用研究，并取得了丰硕的成果。光纤光栅随着批量生产技术的突破而走向实用化，被广泛应用于光纤通信和光纤传感，主要体现在生物、医学、环境、结构健康监测等领域。
悬臂梁结构，特别是等强度悬臂梁结构及其相似结构，由于灵敏度调节方便、应变区范围大、应变大小均匀的特点，被大量应用于各类光纤传感器的受力结构中。现有的悬臂梁式光纤传感器大多将光纤光栅粘贴在悬臂梁的外表面。当悬臂梁一端受到外力的作用时，外表面会产生与外力有线性关系的应变。在该应变的作用下，光纤光栅的特征光中心波长也会产生线性的变化，从而达到测量外力的目的。
光纤光栅直接暴露于深水高压环境中会影响传感器的性能，无法长时间稳定工作。在公开号为CN200420023342的专利中，虽然使用了耐压容器和波纹管来保护传感器并具有一定的灵活性，但是该方法结构复杂、成本较高。
为了克服上述方法的不足，本发明提出的传感器将光纤光栅封装于悬臂梁结构内部，既保留了此类传感器结构简单、力学性能优异的特点，也提高了传感器的耐压抗腐蚀能力。同时，在悬臂梁上增加的注胶孔即可以完成光纤光栅的粘贴也可以通过其位置的变化调节传感器的性能，灵活性更高。
发明内容
要解决的技术问题
为了实现在深水环境中对工程结构力载荷的监测，防止深水压力环境对光纤结构的侵蚀，并避免过大的外部抗压封装结构，本发明提出一种内封式悬臂梁力载荷传感器。
技术方案
一种内封式悬臂梁光纤光栅传感器，其特征在于包括悬臂梁构件、施力杆、施力杆安装件、光纤光栅、光纤固定胶、海缆、结构胶七个组成部分。
所述悬臂梁构件包括受力端、受力端通孔、固定端、固定端固定孔、悬臂梁、中性面、内封孔和注胶孔。
所述的悬臂梁构件通过受力端、受力端通孔与施力杆连接，并通过固定端、固定端固定孔、施力杆安装件，与施力杆一起被安装在待测物上。
所述施力杆安装后与待测物平行，用于传递固定端和施力杆安装件之间待测物(8)的形变，并将该形变以外力的方式通过受力端加载到悬臂梁上。
所述悬臂梁的厚度处处相等，上下表面形状相同，可以为等腰梯形、矩形和等腰三角形；中性面位于悬臂梁上下表面之间，且与上下表面等距。
所述内封孔为通孔，位于悬臂梁外表面和中性面之间的内部，平行于悬臂梁中轴线，用于放置光纤光栅；内封孔距离中性面越远，传感器的力载荷灵敏度越高。
所述注胶孔为从悬臂梁外表面由外向内打通至内封孔的通孔；同一个内封孔上具有两个注胶孔和注胶孔；在悬臂梁上下表面形状非等腰三角形的条件下，通过调整注胶孔和注胶孔的打孔位置可实现对传感器的力载荷灵敏度的调节，即，如果两孔间距确定，打孔位置越接近固定端，灵敏度越大。
所述的光纤光栅包括FBG、TFBG、LPFG等具有栅格结构的光纤器件，其特征在于当宽带光通过光纤光栅时，能反射或透射携带栅格结构特征信息的光波，该光波具有相应的特征波长；当光纤光栅温度改变或产生轴向应变时，光纤光栅的特征波长将产生变化。
所述的光纤光栅被光纤固定胶通过注胶孔和注胶孔以两点固定的方式粘贴在内封孔内；在向注胶孔和注胶孔注入光纤固定胶之前，光纤光栅栅区处于注胶孔和注胶孔之间，悬置在内封孔的孔心位置；光纤光栅与光纤光栅解调仪通过海缆连接，可实时监测光纤光栅的特征波长。
所述的海缆为能在深海中使用的光缆，可以为单芯光缆，也可以为多芯光缆。
所述的光纤光栅被固定于内封孔后，将所述的结构胶分别注入注胶孔、注胶孔和内封孔的两个端口，固化后用于承压并防止外界水压对光纤光栅产生直接影响。
所述的悬臂梁构件在其受力端受到外力作用时，内部产生沿悬臂梁轴向的应变，通过注胶孔和注胶孔处的光纤固定胶将所述轴向应变传递给光纤光栅，并促使光纤光栅的特征波长产生变化。
所述光纤光栅的特征波长的变化量反映了所述的悬臂梁构件在其受力端受到的外力作用值。
有益效果
本发明内封式悬臂梁光纤光栅传感器综合光纤光栅技术和悬臂梁结构的优势，将光纤光栅封装在悬臂梁的内部，能够有效防止深水压力环境对光纤结构的侵蚀，并避免过大的外部抗压封装结构，可用于深水中监测工程结构的力载荷，具有耐海水腐蚀和高水压、结构简单、成本低的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简要的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明实施例中现有悬臂梁构件外观结构示意图；图中，1-悬臂梁，11-受力端，12-受力端通孔,13-固定端，14-固定端固定孔，15-梯形悬臂梁，17-内封孔，18-注胶孔。
图2为本发明实施例中现有悬臂梁构件内部结构示意图；图中，4-光纤光栅，41-光纤光栅栅区，5-光纤固定胶，7-结构胶，11-受力端，13-固定端，15-梯形悬臂梁,16-中性面，17-内封孔，181-注胶孔，182-注胶孔。
图3为本发明实施例中现有传感器的结构示意图；图中，1-悬臂梁，2-施力杆，3-施力杆安装件，6-海缆，8-待测物，9-光纤光栅解调仪。
图4为本发明实施例三次测量得到的力载荷与传感器光纤光栅特征光中心波长变化的关系曲线。
图5为本发明中拥有两个对称内封孔实施例的悬臂梁构件内部结构示意图；图中，4-光纤光栅，42-上光纤光栅栅区，43-下光纤光栅栅区，5-光纤固定胶，7-结构胶，11-受力端，13-固定端，15-梯形悬臂梁，16-中性面，171-内封孔，172-内封孔，183-注胶孔，184-注胶孔，185-注胶孔，186-注胶孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
参见图1、图2，本发明实施例中现有的内封式悬臂梁光纤光栅传感器的悬臂梁构件(1)结构如下所述。内封孔(17)在悬臂梁构件(1)内部，平行于悬臂梁(15)的中轴线，与中性面(16)存在一定距离，可避免在外力作用下光纤光栅(4)出现应变为零的情况。注胶孔(181)和注胶孔(182)间隔一定距离从悬臂梁构件(1)外表面向下打通至内封孔(17)，两孔距离大于光纤光栅栅区(41)的长度。光纤光栅(4)被光纤固定胶(5)以两点粘贴的方式固定在内封孔(17)中间，不与孔壁粘连，以避免因悬臂梁(15)受力应变分布不均匀而出现啁啾失效。其中，光纤光栅栅区(41)位于注胶孔(181)和注胶孔(182)之间。注胶孔(181)、注胶孔(182)和内封孔(17)的所有对外端口使用结构胶(7)封装保护，避免光纤光栅栅区41直接承压受外界恶劣环境的影响。
当受力端(11)受到外力F作用时，悬臂梁(15)会产生线性的应变。在光纤固定胶(5)的传递下，该应变使得光纤光栅栅区(41)也产生轴向应变，并使其特征波长产生线性的变化Δλ。因此，光纤光栅(4)的特征波长变化Δλ与外力F有线性关系。即，Δλ＝ηgF，ηg为悬臂梁结构力学灵敏度。
本发明实施例中现有传感器的结构示意图如图3所示，当待测物(8)受到力载荷FZH作用产生形变时，传感器悬臂梁构件(1)和施力杆安装件(3)的距离会产生变化，使得施力杆(2)能够对悬臂梁构件(1)的受力端(11)产生拉伸或压缩的外力F。力载荷FZH与外力F有线性关系为FZH＝ηF，η为力学传递系数。结合Δλ＝ηgF，有Δλ＝ηFFZH，ηF＝ηg/η为力载荷灵敏度。经过海缆(6)，光纤光栅(4)的特征波长被光纤光栅解调仪(9)实时监测解调Δλ，从而实现监测力载荷FZH的功能。其中海缆(6)为能在深海中使用的光缆，可以为单芯光缆，也可以为多芯光缆。
图4左图是依据本实施例现有传感器三次测量得到的外力F与光纤光栅(4)特征波长变化量Δλ的关系曲线。由图4可知，FZH与光纤光栅(4)特征波长变化量Δλ具有较好的线性关系。
参见图5，本发明中拥有两个对称内封孔实施例的悬臂梁构件(1)具有两个内封孔(171)、(172)，四个注胶孔(183)、(184)、(185)、(186)，分为两组关于中性面(16)对称。当悬臂梁构件(1)只受到力载荷FZH作用时，两个内封孔(171)、(172)内上光纤光栅(42)和下光纤光栅(43)的特征波长变化大小相等，正负相反。此时，上光纤光栅(42)的特征波长变化为ΔλFU＝ηFFZH，下光纤光栅(43)的特征波长变化ΔλFD＝-ηFFZH。在同时具有温度及水压变化的情况下，由于上光纤光栅(42)和下光纤光栅(43)关于中性面(16)对称，温度和水压变化对两个光纤光栅(4)的特征波长变化影响相同，皆为ΔλT+P；因此，上光纤光栅(42)特征波长总变化为ΔλU＝ΔλFU+ΔλT+P，下光纤光栅(43)的特征波长总变化为ΔλD＝-ΔλFD+ΔλT+P；将两个特征波长变化相减，有ΔλU-ΔλD＝2ηFFZH。该式中无ΔλT+P，且力载荷灵敏度为2ηF。即，该传感器实例既实现了对力载荷的监测，也消除了温度和水压变化对传感器的影响，并使得传感器力载荷灵敏度加倍。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (3)
1.一种内封式悬臂梁光纤光栅传感器，其特征在于：在配有固定端和受力端的悬臂梁构件内部，具有平行于悬臂梁中轴线的内封孔，用于放置作为敏感元件的光纤光栅以避免其直接承压；内封孔设置有至少两个从悬臂梁外表面打通至内封孔的注胶孔；使用光纤固定胶通过注胶孔将光纤光栅栅区固定在内封孔内。
2.根据权利要求1所述的内封孔为通孔，位于悬臂梁外表面和中性面之间的内部，平行于悬臂梁中轴线，用于放置光纤光栅；内封孔距离中性面越远，传感器的力载荷灵敏度越高。
3.根据权利要求1所述的注胶孔为从悬臂梁外表面由外向内打通至内封孔的通孔；同一个内封孔上具有两个注胶孔和注胶孔；在悬臂梁上下表面形状非等腰三角形的条件下，通过调整注胶孔和注胶孔的打孔位置可实现对传感器的力载荷灵敏度的调节，即，如果两孔间距确定，打孔位置越接近固定端，灵敏度越大。
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