CN107202546A - 一种高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器，属于光纤传感技术领域。技术方案包括：应变测量光纤光栅、温度补偿光纤光栅、转动机构及伸缩机构；应变测量光纤光栅设置于转动机构顶端，温度补偿光纤光栅穿设于伸缩机构内，应变测量光纤光栅与温度补偿光纤光栅平行设置；转动机构与伸缩机构铰接；在伸缩机构外还套设有用于调节伸缩杆移动位置的调节套筒。该传感器在对封装尺寸有严格限制的场合，依然能提供很高的应变灵敏度，且可以调节应变灵敏度和量程。同时，该传感器可以进行温度补偿，剔除温度对应变测量的影响。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种高灵敏度的温度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。
应变测量是监测结构安全状况的重要手段，不同应用场合和不同材料结构所需的应变分辨率和应变量程存在区别。目前，绝大多数光纤光栅应变传感器没有采用增敏结构，其应变量程一般为±1500με，应变灵敏度1.2pm/με，主要用于应变较大场合，如桥梁、隧道、铁塔、管道等。然而，在微小应变测量场合，其应变灵敏度过低，应变量程过大。
目前，已有研究人员提出过一些增敏结构，如专利201220154883.8和201220207094.6，其主要通过控制安装块之间的距离大于固定光纤光栅两端粘接剂之间的距离来提高应变灵敏度，但是该方法只能得到某一个特定的应变灵敏度和对应的应变量程，而无法满足不同的应用场合。由此，专利201521078307.X和201611066853.0对此做了进一步的改进，分别提出了一种灵敏度可调的光纤光栅应变传感器的封装结构。前者主要是通过改变盖板在安装底座上的位置来调整光纤光栅受应变作用的长度，从而改变光纤光栅的应变灵敏度和应变量程。后者主要是通过在两组转动臂上设置多组光纤牵引孔，每组光纤牵引孔对应一种放大比例，来增大光纤光栅的应变灵敏度和应变量程。但是这两种封装结构带来的光纤光栅应变灵敏度的增加量主要取决于传感器安装距离与光纤光栅固定间距之比，在对传感器封装尺寸有严格限制的场合，其灵敏度的增加量有限，并不能满足所用场合的高灵敏度要求。
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高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器，该传感器结构设计合理，能够进行温度补偿，调节应变灵敏度和量程。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开的一种高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器，包括应变测量光纤光栅、温度补偿光纤光栅、转动机构及伸缩机构；应变测量光纤光栅设置于转动机构顶端，温度补偿光纤光栅穿设于伸缩机构内，应变测量光纤光栅与温度补偿光纤光栅平行设置；
转动机构包括交叉设置的转动杆Ⅰ和转动杆Ⅱ，伸缩机构包括伸缩杆Ⅰ和伸缩杆Ⅱ，转动杆Ⅰ底端与伸缩杆Ⅰ端部铰接，转动杆Ⅱ底端与伸缩杆Ⅱ端部铰接；
在伸缩机构外还套设有用于调节伸缩杆Ⅰ和伸缩杆Ⅱ之间的距离的调节套筒。
所述转动杆Ⅰ和转动杆Ⅱ均呈Z型，包括杆身、上臂及下臂，转动杆Ⅰ的杆身和上、下臂均为实心结构，转动杆Ⅱ的杆身及上臂为中空结构，下臂为实心结构，转动杆Ⅰ的杆身能够插入转动杆Ⅱ的杆身的中空结构内；转动杆Ⅰ、转动杆Ⅱ的下臂的底端固定于待测结构的表面。
转动杆Ⅰ和转动杆Ⅱ的下臂上均开设铰接孔，伸缩杆Ⅰ和伸缩杆Ⅱ的端部各设有一个铰接销；转动杆Ⅰ和伸缩杆Ⅰ通过转动杆Ⅰ的铰接孔和伸缩杆Ⅰ上的铰接销相铰接，转动杆Ⅱ和伸缩杆Ⅱ通过转动杆Ⅱ上的铰接孔和伸缩杆Ⅱ上的铰接销相铰接。
转动杆Ⅰ和转动杆Ⅱ的上臂顶部开设半圆形槽，应变测量光纤光栅粘结于半圆形槽内。
设转动杆Ⅰ下臂底端与转动杆Ⅱ下臂底端之间的距离为L1，应变测量光纤光栅在转动杆Ⅰ与转动杆的上臂顶部半圆形槽中固定点之间的距离为L2，则有L1＞L2；
设转动杆Ⅰ、转动杆Ⅱ的下臂底端距离铰接孔的距离为H1，转动杆Ⅰ、转动杆Ⅱ的上臂顶端距离铰接孔的距离为H2，则有H1＜H2；
当待测结构的应变为ε时，应变测量光纤光栅的应变为应变测量光纤光栅的应变灵敏度提高到原来的倍。
在转动杆Ⅰ、转动杆Ⅱ的杆身上的均设置若干三角形销孔，通过设置与所述三角形销孔配合的三角形销将转动杆Ⅰ和转动杆Ⅱ位置固定。
伸缩杆Ⅰ和伸缩杆Ⅱ为中空杆体，且杆体内壁开设半圆形槽，温度补偿光栅穿过中空杆体且粘结于半圆形槽内。
伸缩杆Ⅰ、伸缩杆Ⅱ和调节套筒之间通过螺纹旋接，伸缩杆Ⅰ上的左旋螺纹与调节套筒上的左旋螺纹孔相旋接，伸缩杆Ⅱ上的右旋螺纹与调节套筒上的右旋螺纹孔相旋接；在伸缩杆Ⅰ和伸缩杆Ⅱ上还设有用于固定调节套筒的紧固螺母。
转动杆Ⅰ、转动杆Ⅱ、伸缩杆Ⅰ和伸缩杆Ⅱ均采用殷钢制成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器，包括相互铰接的转动机构和伸缩机构，转动机构包括两个交叉设置的转动杆，伸缩机构亦由两个伸缩杆组成，将应变测量光纤光栅设置在两个转动杆顶端，将温度补偿光纤光栅穿设在伸缩机构内，在伸缩机构外还套设有调节套筒，能够通过调节套筒来调节两个伸缩杆之间的距离，实现传感器应变测量光纤光栅应变灵敏度的调节。本发明利用转动机构和伸缩机构的长度变化来实现双级放大，该传感器在对封装尺寸有严格限制的场合，依然能提供很高的应变灵敏度，且可以调节应变灵敏度和量程。同时，该传感器可以进行温度补偿，剔除温度对应变测量的影响。
进一步地，两个转动杆下臂底端之间的距离L1大于应变测量光纤光栅固定点之间的距离L2，两个转动杆下臂底端距铰接孔的距离H1小于两个转动杆上臂顶端距铰接孔的距离H2，可根据传感器的应用场合及应变灵敏度要求事先计算确定得出L1、L2、H1、H2的值，且L1、L2还可通过转动机构和伸缩机构及调节套筒进行进一步的调节，实现应变测量光纤光栅的应变灵敏度的双级放大，将应变灵敏度提高到原来的倍。
进一步地，为了能够准确的测量出物体的负应变，会对应变测量光纤光栅进行预拉伸，在转动杆Ⅰ、转动杆II的杆身上分别设有若干三角形销孔(进一步优选地，设置三组三角形销孔)，当对应变测量光纤光栅进行预拉伸后，将三角形销插入到转动杆Ⅰ、转动杆Ⅱ上的三角形销孔中来防止应变测量光纤光栅的预拉伸释放。当转动杆Ⅰ、转动杆Ⅱ的底端固定于待测结构表面后，拔出三角形销，传感器进入正常工作状态。三角形销孔能够与调节套筒和伸缩杆Ⅰ、伸缩杆Ⅱ相配合共同实现应变测量光纤光栅应变灵敏度的进一步调节，不同的距离L1对应不同位置的三角形销孔。
附图说明
图1为高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器的立体结构示意图；
图2为高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器的结构主视图；
图3为转动机构的转动杆Ⅰ和转动杆Ⅱ的结构示意图；
图4为伸缩机构的伸缩杆Ⅰ和伸缩杆Ⅱ的结构示意图；
图5为三角形销结构示意图。
其中，1、应变测量光纤光栅；2、温度补偿光纤光栅；3、尾纤；4、转动杆Ⅰ；5、转动杆Ⅱ；6、伸缩杆Ⅰ；7、伸缩杆Ⅱ；8、紧固螺母Ⅰ；9、紧固螺母Ⅱ；10、调节套筒；11、三角形销；12、转动杆Ⅰ和转动杆Ⅱ上的半圆形槽；13、转动杆Ⅰ和转动杆Ⅱ上的铰接孔；14、伸缩杆I和伸缩杆Ⅱ上的半圆形槽；15、伸缩杆Ⅰ和伸缩杆Ⅱ上的铰接销；16、伸缩杆Ⅰ上的左旋螺纹；17、伸缩杆Ⅱ上的右旋螺纹；18、伸缩杆Ⅰ和伸缩杆Ⅱ上的轴线中心深孔；19、调节套筒上的左旋螺纹孔；20、调节套筒上的右旋螺纹孔；21、转动杆Ⅰ、转动杆Ⅱ的底端；22、转动杆Ⅰ和转动杆Ⅱ的顶端；23、转动杆Ⅰ和转动杆Ⅱ的三角形销孔。
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，本发明公开的一种高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器，包括应变测量光纤光栅1、温度补偿光纤光栅2、尾纤3；还包括转动机构和伸缩机构，应变测量光纤光栅1设置于转动机构顶端，温度补偿光纤光栅2穿设于伸缩机构内，应变测量光纤光栅1与温度补偿光纤光栅2平行设置；温度补偿光纤光栅2能够实时监测环境温度，在后续测量数据处理中可剔除环境温度对应变测量光纤光栅1测量结果的影响。
转动机构包括交叉设置的转动杆Ⅰ4和转动杆Ⅱ5，伸缩机构包括伸缩杆Ⅰ6和伸缩杆Ⅱ7，转动杆Ⅰ4底端与伸缩杆Ⅰ6端部铰接，转动杆Ⅱ5底端与伸缩杆Ⅱ7端部铰接；在伸缩机构外还套设有用于调节伸缩杆Ⅰ6和伸缩杆Ⅱ7之间的距离的调节套筒10。
参见图3，转动杆Ⅰ4和转动杆Ⅱ5均呈Z型，包括杆身、上臂及下臂，转动杆Ⅰ4的杆身和上、下臂均为实心结构，转动杆Ⅱ5的杆身及上臂为中空结构，下臂为实心结构，转动杆Ⅰ4的杆身能够插入转动杆Ⅱ5杆身的中空结构内；转动杆Ⅰ4、转动杆Ⅱ5的下臂的底端21固定于待测结构的表面，优选地，采用胶粘、螺钉固定或者焊接方式固定于待测结构表面；
参见图3和图4，转动杆Ⅰ4和转动杆Ⅱ5的下臂上均开设铰接孔13，伸缩杆Ⅰ6和伸缩杆Ⅱ7的端部各设有一个铰接销15；转动杆Ⅰ4和伸缩杆Ⅰ6通过转动杆Ⅰ4的铰接孔13和伸缩杆Ⅰ6上的铰接销15相铰接，转动杆Ⅱ5和伸缩杆Ⅱ7通过转动杆Ⅱ5上的铰接孔13和伸缩杆Ⅱ7上的铰接销15相铰接。
在转动杆Ⅰ4、转动杆Ⅱ5的杆身上的均设置若干三角形销孔23，通过设置与所述三角形销孔23配合的三角形销11将转动杆Ⅰ4和转动杆Ⅱ5位置固定。三角形销11的结构参见图5，为了测量物体的负应变，会对应变测量光纤光栅进行预拉伸，优选地，本实施例的转动杆Ⅰ4、转动杆Ⅱ5上分别设有三组三角形销孔，当对应变测量光纤光栅进行预拉伸后，将三角形销11插入到转动杆Ⅰ、转动杆Ⅱ上的三角形销孔23中来防止应变测量光纤光栅的预拉伸释放。当转动杆Ⅰ4、转动杆Ⅱ5的底端固定于待测结构表面后，拔出三角形销11，传感器进入正常工作状态。
参见图4，伸缩杆Ⅰ6和伸缩杆Ⅱ7为中空杆体，杆体中心为轴线中心深孔18，温度补偿光纤光栅2穿过伸缩杆Ⅰ6、伸缩杆Ⅱ7的轴线中心深孔18，伸缩杆Ⅰ和伸缩杆Ⅱ上开设半圆形槽14，温度补偿光纤光栅2通过胶粘或低温玻璃焊料粘结于伸缩杆I和伸缩杆Ⅱ上的半圆形槽14内。应变测量光纤光栅1通过胶粘或低温玻璃焊料粘结于转动杆Ⅰ和转动杆Ⅱ上的半圆形槽12内。
参见图2，伸缩杆Ⅰ6、伸缩杆Ⅱ7和调节套筒10之间通过螺纹旋接，伸缩杆Ⅰ6上的左旋螺纹16与调节套筒10上的左旋螺纹孔19相旋接，伸缩杆Ⅱ7上的右旋螺纹17与调节套筒10上的右旋螺纹孔20相旋接；在伸缩杆Ⅰ6和伸缩杆Ⅱ7上还分别设有一个用于固定调节套筒10的紧固螺母，紧固螺母Ⅰ8、紧固螺母Ⅱ9上的螺纹分别为左旋和右旋，分别与伸缩杆Ⅰ6、伸缩杆Ⅱ7相旋合固定调节套筒10的左右两端。
参见图2，设转动杆Ⅰ4下臂底端与转动杆Ⅱ5下臂底端之间的距离为L1，应变测量光纤光栅1在转动杆Ⅰ4、转动杆5的上臂顶部半圆形槽中固定点之间的距离为L2，则有L1＞L2；
设转动杆Ⅰ4、转动杆Ⅱ5的下臂底端距离铰接孔13的距离为H1，转动杆Ⅰ4、转动杆Ⅱ5的上臂顶端距离铰接孔13的距离为H2，则有H1＜H2；
当待测结构的应变为ε时，应变测量光纤光栅1的应变为应变测量光纤光栅1的应变灵敏度提高到原来的倍。
可通过旋转调节套筒10来调节伸缩杆Ⅰ6、伸缩杆Ⅱ7的铰接销15之间的距离，即转动杆Ⅰ4、转动杆Ⅱ5固定于待测结构表面的两个底端21之间的距离L1，实现应变测量光纤光栅1应变灵敏度的调节。
所述的转动杆Ⅰ4、转动杆Ⅱ5、伸缩杆Ⅰ6、伸缩杆Ⅱ7、调节套筒10材料均为膨胀系数极低、弹性模量较大的殷钢。
本发明的具体测量过程如下：
首先，光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化)，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波或反射镜。其反射波中心波长满足布拉格条件：
λB＝2neffΛ
式中：neff为纤芯等效折射率，Λ为光栅周期。
由此可见，反射波中心波长λB，与纤芯等效折射率neff和光栅周期Λ有关。
光纤光栅传感器基本原理为：当光纤光栅周围的温度、应力或应变改变时，将引起纤芯等效折射率neff和光栅周期Λ的变化，从而使光纤光栅的反射波中心波长λB发生漂移ΔλB，通过测量反射波中心波长λB的漂移情况，即可获得待测物理量的变化情况，即
式中：KT为光纤光栅温度传感灵敏度系数，Kε为光纤光栅应变传感灵敏度系数。
根据上述基本原理，本发明的应变测量光纤光栅的反射波中心波长λB会随着温度ΔT和应变Δε的改变而发生漂移；由于不受应变作用，温度补偿光纤光栅的反射波中心波长λB仅随着温度ΔT的改变而发生漂移，其公式如下：
其中，和可通过光纤光栅解调仪测得；作为一种规格参数，对于每一根光纤光栅来说是定值；均可通过实验测得。所以，根据以上两式，可解出ΔT和Δε，从而实现温度补偿，剔除温度对应变测量的影响。与此同时，也对温度进行了测量。
其次，当被测结构的应变为ε时，转动杆Ⅰ、转动杆Ⅱ固定于待测结构表面的两个底端之间的距离的变化量ΔL1＝εL1。由杠杆原理可知，当ΔL1数值相对于转动杆Ⅰ、转动杆Ⅱ的结构尺寸足够小时，由此可得，即实现了应变测量光纤光栅的应变灵敏度的双级放大，将应变测量光纤光栅的应变灵敏度提高到原来的倍。
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 (9)
1.一种高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，包括应变测量光纤光栅(1)、温度补偿光纤光栅(2)、转动机构及伸缩机构；应变测量光纤光栅(1)设置于转动机构顶端，温度补偿光纤光栅(2)穿设于伸缩机构内，应变测量光纤光栅(1)与温度补偿光纤光栅(2)平行设置；
转动机构包括交叉设置的转动杆Ⅰ(4)和转动杆Ⅱ(5)，伸缩机构包括伸缩杆Ⅰ(6)和伸缩杆Ⅱ(7)，转动杆Ⅰ(4)底端与伸缩杆Ⅰ(6)端部铰接，转动杆Ⅱ(5)底端与伸缩杆Ⅱ(7)端部铰接；
在伸缩机构外还套设有用于调节伸缩杆Ⅰ(6)和伸缩杆Ⅱ(7)之间的距离的调节套筒(10)。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述转动杆Ⅰ(4)和转动杆Ⅱ(5)均呈Z型，包括杆身、上臂及下臂，转动杆Ⅰ(4)的杆身和上、下臂均为实心结构，转动杆Ⅱ(5)的杆身及上臂为中空结构，下臂为实心结构，转动杆Ⅰ(4)的杆身能够插入转动杆Ⅱ(5)的杆身的中空结构内；转动杆Ⅰ(4)、转动杆Ⅱ(5)的下臂的底端固定于待测结构的表面。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，转动杆Ⅰ(4)和转动杆Ⅱ(5)的下臂上均开设铰接孔(13)，伸缩杆Ⅰ(6)和伸缩杆Ⅱ(7)的端部各设有一个铰接销(15)；转动杆Ⅰ(4)和伸缩杆Ⅰ(6)通过转动杆Ⅰ(4)的铰接孔(13)和伸缩杆Ⅰ(6)上的铰接销(15)相铰接，转动杆Ⅱ(5)和伸缩杆Ⅱ(7)通过转动杆Ⅱ(5)上的铰接孔(13)和伸缩杆Ⅱ(7)上的铰接销(15)相铰接。
4.根据权利要求3所述的高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，转动杆Ⅰ(4)和转动杆Ⅱ(5)的上臂顶部开设半圆形槽，应变测量光纤光栅(1)粘结于半圆形槽内。
5.根据权利要求4所述的高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，设转动杆Ⅰ(4)下臂底端与转动杆Ⅱ(5)下臂底端之间的距离为L1，应变测量光纤光栅(1)在转动杆Ⅰ(4)与转动杆(5)的上臂顶部半圆形槽中固定点之间的距离为L2，则有L1＞L2；
设转动杆Ⅰ(4)、转动杆Ⅱ(5)的下臂底端距离铰接孔(13)的距离为H1，转动杆Ⅰ(4)、转动杆Ⅱ(5)的上臂顶端距离铰接孔(13)的距离为H2，则有H1＜H2；
当待测结构的应变为ε时，应变测量光纤光栅(1)的应变为应变测量光纤光栅(1)的应变灵敏度提高到原来的倍。
6.根据权利要求2所述的高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，在转动杆Ⅰ(4)、转动杆Ⅱ(5)的杆身上的均设置若干三角形销孔(23)，通过设置与所述三角形销孔(23)配合的三角形销(11)将转动杆Ⅰ(4)和转动杆Ⅱ(5)位置固定。
7.根据权利要求1所述的高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，伸缩杆Ⅰ(6)和伸缩杆Ⅱ(7)为中空杆体，且杆体内壁开设半圆形槽，温度补偿光栅(2)穿过中空杆体且粘结于半圆形槽内。
8.根据权利要求1所述的高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，伸缩杆Ⅰ(6)、伸缩杆Ⅱ(7)和调节套筒(10)之间通过螺纹旋接，伸缩杆Ⅰ(6)上的左旋螺纹(16)与调节套筒(10)上的左旋螺纹孔(19)相旋接，伸缩杆Ⅱ(7)上的右旋螺纹(17)与调节套筒(10)上的右旋螺纹孔(20)相旋接；在伸缩杆Ⅰ(6)和伸缩杆Ⅱ(7)上还设有用于固定调节套筒(10)的紧固螺母。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，转动杆Ⅰ(4)、转动杆Ⅱ(5)、伸缩杆Ⅰ(6)和伸缩杆Ⅱ(7)均采用殷钢制成。
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