CN107202545B - 一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，包括光纤光栅、基片、补偿块、固定块Ⅰ和推动机构；补偿块设置在基片的一端，推动机构一端固定在固定块Ⅰ上，另一端与补偿块铰接，光纤光栅通过固定块Ⅰ固定在基片上；基片上开设有导向滑槽，固定块Ⅰ能够在导向滑槽内滑动，带动推动机构沿光栅光纤设置方向移动。该传感器结构简单且可在应变测量过程中自动消除温度影响，解调简单、测量结果更加直观无需再进行温度补偿相关的数据运算。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器。
背景技术
光纤光栅传感器作为一种新型光纤无源器件，以其全光传输、抗电磁干扰、耐腐蚀、高电绝缘性、低传输损耗、测量范围宽、便于复用成网、可微型化等优点，得到世界范围内的广泛关注，成为传感领域内发展最快的技术之一，在土木工程、航空航天、石油化工、电力、医疗、船舶工业等领域取得广泛应用。
由于光纤布拉格光栅(FBG)对温度和应变同时敏感，即其反射中心波长的漂移量同时受温度和应变的影响，这样就给实际传感测量带来了温度和应变交叉敏感问题。用FBG测量应变、压力等物理量时，由于温度的影响，光纤布拉格光栅的反射中心波长的变化无法精确测量，消除温度对应变测量的影响是必须解决的问题。目前，科研人员和工程技术人员提出了很多用于解决这一问题的技术和方法，如参考光纤光栅法、双波长光栅法、布拉格光栅和长周期光栅组合法、不同包层直径光栅对法、光纤光栅F-P腔法等。参考光纤光栅法通过将两只光纤光栅的反射中心波长做减法处理来消除温度变化对应变测量的影响；双波长光栅法通过求解温度和应变的方程组来实现应变的测量；布拉格光栅(FBG)和长周期光栅(LPG)组合法基于LPG和FBG相比，具有高温度响应和低应变响应，从而比较容易实现温度和应变的精确测量；不同包层直径光栅对法将两个不同直径的光栅熔接在一起，这两个光栅对温度灵敏度基本相同，而对应变则相差较大，通过测量两个反射中心波长相对偏移量可知应变的变化，若进而考虑绝对偏移量，可同时测量温度；光纤光栅F-P腔法将温度和应变量转换成光纤光栅反射光谱的中心波长移动量和功率变化来实现温度和应变的分离测量。
以上方法均是采用两个光栅对温度和应变同时进行测量，然后对应变测量结果进行温度补偿来消除温度对应变测量的影响。但是，其系统复杂、解调繁琐、加工困难、成本高。因此，研制一种结构简单且可在应变测量过程中自动消除温度影响的光纤光栅应变传感器非常有意义和价值。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，该传感器结构简单且可在应变测量过程中自动消除温度影响，解调简单、测量结果更加直观无需再进行温度补偿相关的数据运算。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，包括光纤光栅、基片、补偿块、固定块Ⅰ和推动机构；
补偿块设置在基片的一端，推动机构一端固定在固定块Ⅰ上，另一端与补偿块铰接，光纤光栅通过固定块Ⅰ固定在基片上；基片上开设有导向滑槽，固定块Ⅰ能够在导向滑槽内滑动，带动推动机构沿光栅光纤设置方向移动。
所述补偿块有两块，对称设置在基片一端的端部，推动机构包括推动杆Ⅰ和推动杆Ⅱ，推动杆Ⅰ、推动杆Ⅱ的一端通过转动销Ⅰ铰接于固定块Ⅰ上，推动杆Ⅰ、推动杆Ⅱ的另一端分别通过转动销Ⅱ与各自一侧的补偿块铰接。
基片上还设有用于固定补偿块的侧挡板。
在基片上还设有用于固定光纤光栅的固定块Ⅱ，固定块Ⅰ开设半圆形槽Ⅰ，固定块Ⅱ开设半圆形槽Ⅱ，光纤光栅穿过固定块Ⅰ的半圆形槽Ⅰ和固定块Ⅱ的半圆形槽Ⅱ固定在基片上。
光纤光栅两端施加预应力后分别用粘接剂固定于半圆形槽Ⅰ和半圆形槽Ⅱ内。
设固定块Ⅰ与固定块Ⅱ之间的距离为L，当环境温度升高时，固定块Ⅰ沿导向滑槽带动推动机构发生滑动的距离为ΔL，则光纤光栅的应变减小
还包括固定于基片两端底部的安装块，测量时，安装块通过焊接或粘结与待测物固定。
补偿块采用金属铝制成；基片和推动机构采用殷钢制成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的温度自补偿式光纤光栅应变传感器，包括光纤光栅、基片、补偿块、固定块Ⅰ及推动机构。光纤光栅通过固定块Ⅰ固定在基片上。基片上开设有导向滑槽，固定块Ⅰ能够在导向滑槽内滑动，带动推动机构沿光栅光纤设置方向移动。当环境温度发生变化时，补偿块发生热膨胀或热收缩进而传导至固定块I，固定块Ⅰ能够在导向滑槽内发生滑动，导致光纤光栅固定点之间的距离发生变化，使得温度变化引起光纤光栅的反射中心波长的变化量与补偿块膨胀或收缩使光纤光栅固定点之间距离变化，从而引起光纤光栅的反射中心波长变化量大小相同、方向相反，两者可相抵消，使得光纤光栅的反射中心波长不受温度变化的影响，仅取决于被测物的应变。该传感器结构简单且可在应变测量过程中自动消除温度影响，解调简单、测量结果更加直观无需再进行温度补偿相关的数据运算。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的基片结构示意图；
图3-1为本发明的固定块Ⅰ结构示意图；
图3-2为本发明的固定块Ⅱ结构示意图；
图3-3为本发明的补偿块结构示意图；
图3-4为本发明的安装块结构示意图；
图3-5为本发明的推动机构结构示意图；
图4为本发明的原理图。
其中，1、光纤光栅；2、基片；3、补偿块；4、推动杆Ⅰ；5、推动杆Ⅱ；6、固定块Ⅰ；7、固定块Ⅱ；8、转动销Ⅱ；9、安装块；10、转动销Ⅰ；11、半圆形槽Ⅰ；12、滑片；13、半圆形槽Ⅱ；14、固定块Ⅱ上的通孔；15、侧挡板；16、侧挡板上的通孔；17、导向滑槽；18、固定块Ⅱ安装螺纹孔；19、基片两端的安装通孔；20、补偿块上的螺纹孔；21、补偿块上的通孔；22、补偿块上的矩形槽；23、推动杆Ⅰ、推动杆Ⅱ两端的通孔；24、推动杆Ⅱ上的槽；25、安装块上的螺纹孔；26、光纤光栅固定点。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1和图2，本发明公开的一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，包括光纤光栅1、基片2、补偿块3、固定块Ⅰ6和推动机构；
补偿块3设置在基片2的一端，推动机构一端固定在固定块Ⅰ6上，另一端与补偿块3铰接，光纤光栅1通过固定块Ⅰ6固定在基片2上；基片2上开设有导向滑槽17，固定块Ⅰ6能够在导向滑槽17内滑动，带动推动机构沿光栅光纤1设置方向移动。
补偿块3有两块，对称设置在基片2一端的端部，推动机构包括推动杆Ⅰ4和推动杆Ⅱ5，推动杆Ⅰ4、推动杆Ⅱ5的一端通过转动销Ⅰ10铰接于固定块Ⅰ6上，推动杆Ⅰ4、推动杆Ⅱ5的另一端分别通过转动销Ⅱ8与各自一侧的补偿块3铰接。基片2上还设有用于固定补偿块3的侧挡板15。
参见图3-1和3-2，所述的固定块Ⅰ6上设置有转动销Ⅰ10、半圆形槽Ⅰ和滑片12，固定块Ⅱ7上设置有半圆形槽Ⅱ13和两个通孔14。光纤光栅1穿过固定块Ⅰ6的半圆形槽Ⅰ11和固定块Ⅱ7的半圆形槽Ⅱ13固定在基片2上。光纤光栅1两端施加预应力后分别用粘接剂固定于半圆形槽Ⅰ11和半圆形槽Ⅱ13内。
参见图2，基片2上设置有侧挡板15，侧挡板15上设有通孔16，基片2上还设有固定块Ⅱ7的安装螺纹孔18，基片2两端分别设置有两个安装通孔19。
参见图3-3，补偿块3的一端设置有螺纹孔20，另一端设置有通孔21和矩形槽22。
参见图3-5，推动杆Ⅰ4、推动杆Ⅱ5的两端均设置有通孔23，且推动杆Ⅱ5一端还设置有槽24。
参见图3-4，还包括固定于基片2两端底部的安装块9，测量时，安装块9通过焊接或粘结与待测物固定，安装块9上设置有两个螺纹孔25。
优选地，补偿块3采用金属铝制成；基片2和推动机构采用殷钢制成。
本发明的工作原理是：
光纤光栅1两端施加一定预应变后分别用粘接剂固定在固定块Ⅰ6的半圆形槽Ⅰ11和固定块Ⅱ7的半圆形槽Ⅱ13内。当环境温度升高时，补偿块3产生ΔL1的热膨胀进而通过转动销8和推动杆Ⅰ4、推动杆Ⅱ5使得与推动杆Ⅰ4、推动杆Ⅱ5相连接的固定块Ⅰ6通过滑片12沿着基片2上的导向滑槽17发生滑动ΔL，即光纤光栅固定点26(光栅固定点即两个固定块所在位置)之间的距离L减少ΔL，释放了光纤光栅的部分预应变，使得光纤光栅的预应变减小
当环境温度降低时，补偿块3发生ΔL1＝α1L1ΔT的冷收缩，工作原理一样，过程与之相反，光纤光栅的预应变增大
通过合理的结构参数的选择，使得温度变化引起光纤光栅1的反射中心波长的变化量与光纤光栅固定点26之间距离的变化，即预应变发生变化，引起光纤光栅1的反射中心波长变化量大小相同、方向相反，两者之和为零，从而使得光纤光栅1的反射中心波长不受温度变化的影响，仅取决于被测物的应变。因此，测量结果无温度的影响，直接反应被测物的应变的大小，测量结果更加直观。
下面结合附图4，给出该传感器的各个结构参数的选择方法。设补偿块3的长度为L1、基片2的宽度为L2、推动杆Ⅰ4和推动杆Ⅱ5的长度为L3、光纤光栅固定点26之间的距离为L。
已知温度和应变变化引起的光纤光栅反射中心波长偏移量为：
其中，α为光纤光栅的热膨胀系数、ξ为热光系数、Pe为有效弹光系数、ΔT为温度变化、Δε为应变变化。对于一般的石英光纤，室温下α≈0.55×10-6/℃、ξ≈7×10-6/℃、Pe≈0.22。
对于温度自补偿结构的应变传感器来说，Δε为应变变化由两部分构成，包括被测物的应变变化Δε被测物和补偿块导致光纤光栅产生的预应变变化Δε补偿，故可得：
要使温度变化引起光纤光栅1的反射中心波长的变化量与光纤光栅固定点26之间距离的变化，即预应变发生变化，引起光纤光栅1的反射中心波长变化量相抵消，即使得光纤光栅1的反射中心波长不受温度变化的影响，仅取决于被测物的应变，应满足条件：
(α+ξ)ΔT+(1-Pe)Δε补偿＝0 (3)
将α≈0.55×10-6/℃、ξ≈7×10-6/℃、Pe≈0.22代入公式(3)，可得：
当温度升高ΔT时，热膨胀系数为α1的补偿块3发生ΔL1＝α1L1ΔT的热膨胀进而通过转动销8和推动杆Ⅰ4、推动杆Ⅱ5使得与推动杆Ⅰ4、推动杆Ⅱ5相连接的固定块Ⅰ6通过滑片12沿着基片2上的导向滑槽17发生滑动ΔL，即光纤光栅固定点26之间的距离L减少ΔL。由于基片2、推动杆Ⅰ4、推动杆Ⅱ5的材料为低热膨胀系数金属殷钢，其热膨胀系数接近于零，故可认为其不发生热膨胀，即推动杆Ⅰ4、推动杆Ⅱ5的长度L3不发生变化。由三角形关系及勾股定理可得：
通过绘制函数曲线图可知，常温下，在L1、L2、L3、L取值适当的情况下，Δε补偿与温度ΔT近似呈线性变化关系，故可认为Δε补偿＝KΔT，K为常数。只需分别设置L1、L2、L3、L使K＝-9.68×10-6即满足条件(4)，就可实现温度自补偿。
当温度降低时，工作原理一样，过程与之相反，尺寸设置结果与温度升高时相同。
上述实施例仅为本发明的一种优选实施方式。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，凡是通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，包括光纤光栅(1)、基片(2)、补偿块(3)、固定块Ⅰ(6)和推动机构；
补偿块(3)设置在基片(2)的一端，推动机构一端固定在固定块Ⅰ(6)上，另一端与补偿块(3)铰接，光纤光栅(1)通过固定块Ⅰ(6)固定在基片(2)上；基片(2)上开设有导向滑槽(17)，固定块Ⅰ(6)能够在导向滑槽(17)内滑动，带动推动机构沿光栅光纤(1)设置方向移动；
在基片(2)上还设有用于固定光纤光栅(1)的固定块Ⅱ(7)，固定块Ⅰ(6)开设半圆形槽Ⅰ(11)，固定块Ⅱ(7)开设半圆形槽Ⅱ(13)，光纤光栅(1)穿过固定块Ⅰ(6)的半圆形槽Ⅰ(11)和固定块Ⅱ(7)的半圆形槽Ⅱ(13)固定在基片(2)上；
所述补偿块(3)有两块，对称设置在基片(2)一端的端部，推动机构包括推动杆Ⅰ(4)和推动杆Ⅱ(5)，推动杆Ⅰ(4)、推动杆Ⅱ(5)的一端通过转动销Ⅰ(10)铰接于固定块Ⅰ(6)上，推动杆Ⅰ(4)、推动杆Ⅱ(5)的另一端分别通过转动销Ⅱ(8)与各自一侧的补偿块(3)铰接。
2.根据权利要求1所述的温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，基片(2)上还设有用于固定补偿块(3)的侧挡板(15)。
3.根据权利要求1所述的温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，光纤光栅(1)两端施加预应力后分别用粘接剂固定于半圆形槽Ⅰ(11)和半圆形槽Ⅱ(13)内。
4.根据权利要求1所述的温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，设固定块Ⅰ(6)与固定块Ⅱ(7)之间的距离为L，当环境温度升高时，固定块Ⅰ(6)沿导向滑槽(17)带动推动机构发生滑动的距离为ΔL，则光纤光栅的应变减小
5.根据权利要求1～4中任一项所述的温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，还包括固定于基片(2)两端底部的安装块(9)，测量时，安装块(9)通过焊接或粘结与待测物固定。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，补偿块(3)采用金属铝制成；基片(2)和推动机构采用殷钢制成。
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