CN107449369A - 安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片，包括：光纤光栅、第一基座、第二基座和弹性合金体；其中，弹性合金体为一体化平板结构体，其中间部位设有承载光纤光栅的凹槽，承载光纤光栅的凹槽两端分别设置第一、第二基座；第一基座通过紧固件固定在弹性合金体上，第二基座通过紧固件固定在弹性合金体上；光纤光栅采用带有聚酰亚胺涂覆层的光纤，其上设有经飞秒激光刻栅制成的光栅，光纤光栅的光栅位于弹性合金体的凹槽内，光栅两端的光纤通过低熔点玻璃分别焊接在第一、第二基座上。该应变片的光纤光栅预应力调解在封装过程中完成。封装难度低，且精度高。

Description

安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片

技术领域

本发明涉及光纤光栅制备领域，尤其涉及一种安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片。

背景技术

由于电阻应变片具有价格便宜、技术成熟、反映速度快等特点，传统上主要采用电阻应变片进行应变测量，在实验测试中得到了广泛的应用。但无论是丝式或箔式的电阻应变片均存在若电阻应变片受潮会降低绝缘电阻和粘结强度，严重时会使敏感栅锈蚀；酸碱及油类侵入甚至会改变基底和粘接剂的物理性能。电阻应变片易受电磁干扰，寿命短，很难适用于长期的监测。

而光纤传感器自20世纪70年代问世以来，受到了广泛关注，特别是近几年，光纤传感器的工程应用研究发展迅速。其中，光纤光栅传感器是用光纤布拉格光栅作为敏感元件的功能型光纤传感器，可以直接传感温度和应变，而应变是表征工程结构安全的重要指标，光纤型应变传感器以其应变灵敏度高(1个微应变)，响应速度快，抗电磁干扰，体积小(125um)，耐腐蚀(主要成分为二氧化硅)，易于安装，使用寿命长等特点，在工程结构的安全监测中得到了广泛的应用，而且对工程结构的应变进行长期、实时、动态的检测有着非常重要的意义。

目前的光纤光栅点焊式应变传感器基体结构如图1所示，光纤光栅整体粘附于基体小槽内，通过紧固件可以调节光栅的预拉力来提高负向应变的测量精度。当被测件由外力引起拉伸或者压缩时，带动传感基体协同变形，使得应变传递到光纤光栅处达到测量效果。其具体安装步骤为：焊接固定端→穿入调节螺钉→调节螺钉穿至导向孔，依靠六角螺钉旋钮，调节拉升量(同步要将光纤一端接入光纤光栅解调仪读取波长数据)→焊接应变传感器另外一端。但这种现有的点焊式光纤光栅应变传感器，普遍存在两个问题：一是由于光纤光栅基体厚薄差距较大，焊接存在较大难度并且焊接距离很短，易损伤到基体凹槽中的光纤光栅；二是安装难度较大，在现场环境中调节预拉并焊接安装对专业技术要求很高，非常容易安装失败或者损坏应变传感器。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片，安装方便，安装后不用进行预应力调整，灵敏度高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片，包括：

光纤光栅、第一基座、第二基座和弹性合金体；其中，

所述弹性合金体为一体化平板结构体，其中间部位设有承载光纤光栅的凹槽，所述承载光纤光栅的凹槽两端分别设置第一、第二基座；

所述第一基座通过紧固件固定在所述弹性合金体上，所述第二基座通过紧固件固定在所述弹性合金体上；

所述光纤光栅采用带有聚酰亚胺涂覆层的光纤，其上设有经飞秒激光刻栅制成的光栅，所述光纤光栅的光栅位于所述弹性合金体的凹槽内，所述光栅两端的光纤通过低熔点玻璃分别焊接在第一、第二基座上。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片，其有益效果为：

由于采用带有聚酰亚胺涂覆层的经飞秒激光刻栅制成的光纤光栅经低熔点玻璃焊接在第一、第二基座上，第一、第二基座设在带有凹槽的特定结构弹性合金体上，形成一种具有增敏结构的光纤光栅应变片，抗拉性更好，便于安装，精度高，特别是由于采用第一、第二基座与特定结构的弹性合金体配合，在封装过程中即能完全预应力调整，应变片后续使用中不用再调节预应力，使用不仅更分别，也保证了精度更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为现有的光纤光栅点焊式应变传感器基体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片结构示意图；

图2中：1-光纤光栅；2-凹槽；3-弹性合金体；4-第一基座；5-第二基座；6-焊池；7-环形结构。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图2所示，本发明实施例提供一种安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片，其包括：

光纤光栅、第一基座、第二基座和弹性合金体；其中，

所述弹性合金体为一体化平板结构体，其中间部位设有承载光纤光栅的凹槽，所述承载光纤光栅的凹槽两端分别设置第一、第二基座；

所述第一基座通过紧固件固定在所述弹性合金体上，所述第二基座通过紧固件固定在所述弹性合金体上；

所述光纤光栅采用带有聚酰亚胺涂覆层的光纤，其上设有经飞秒激光刻栅制成的光栅，所述光纤光栅的光栅位于所述弹性合金体的凹槽内，所述光栅两端的光纤通过低熔点玻璃分别焊接在第一、第二基座上。

上述应变片中，弹性合金体的一体化平板结构体中，所述凹槽与第一基座的安装位、第二基座的安装位之间均设有环形结构；设置环形结构起到增敏效果，在外力作用下，弹性元件只需产生微小的形变，就可传达到光纤光栅从而引起中心波长的偏移，进而推算出应变的大小，比没有设置环形结构的粘贴式应变片更灵敏。

所述第一基座、第二基座两侧均设有0.3mm厚的焊池；设置厚度为0.3mm的焊池，便于工程安装点焊于被测物上。以往的应变片通过粘胶或者满焊的方式安装固定，胶粘方式的应变片随时间推移及腐蚀物质的侵蚀等导致脱胶脱落，造成应变计中心波长整体漂移；满焊对焊接工艺要求高，难度很大，且焊接后应力释放的时候容易引起传感器开翘，直接影响测量效果。而本发明所述的焊池位置将应变片点焊于被测物，有效解决了上述两种常用安装方式的出现的问题，且可以保证安装强度。

上述应变片中，弹性合金体的一体化平板结构体中，沿该平板结构体中承载光纤光栅的凹槽的中线两端的结构完全对称。

上述应变片中，弹性合金体的厚度为0.5mm。

上述应变片中，第一基座通过紧固件固定设在所述第一基座承载部上的紧固件固定处设有第一胶封结构，所述第二基座通过紧固件固定设在所述第二基座承载部上的紧固件固定处设有第二胶封结构。

上述应变片的应变监测范围为±3000με。

上述应变片中，弹性合金体的常温下抗拉强度不小于1225Mpa，延伸率不小于5％；

所述第一基座、第二基座均采用常温下抗拉强度不小于1225Mpa，延伸率不小于5％的弹性合金制成。

本发明实施例还提供一种安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片的制备方法，用于制备上述的应变片，包括以下步骤：

光纤光栅采用带有聚酰亚胺涂覆层的光纤，其上设有经飞秒激光刻栅制成的光栅；

弹性合金体采用一体化平板结构体，其中间部位设有承载光纤光栅的凹槽，所述光栅承载部两端分别设置第一、第二基座；

将所述光纤光栅的光栅两端的光纤通过低熔点玻璃分别焊接在第一、第二基座上；

将第一基座通过紧固件固定在所述弹性合金体上，所述第二基座通过紧固件固定在所述弹性合金体上，使所述光纤光栅的光栅处于所述弹性合金体的凹槽内；

通过调整第一、第二基座的紧固件调节所述第一、第二基座中至少一个基座与所述弹性合金体的相对位置，对所述光纤光栅的进行预应力设定，预应力设定后分别用封胶固定所述第一、第二基座的紧固件，将上述结构整体放入温箱进行老化，然后按照工艺流程制作成光纤光栅应变片。

上述方法中，对所述光纤光栅的进行预应力设定包括：

将所述光纤光栅一端连接到光纤光栅解调仪上读取常温静态下的波长数值并记录，通过扭动其中一个基座背后的紧固件来调节预拉，边调节边看波长数据调至增大3nm，即完全预应力设定。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

本实施例提供一种安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片，其包括：光纤光栅、第一基座、第二基座和弹性合金体；其中，第一、第二基座、弹性合金体的材料选用弹性合金，具有高的弹性模量、高强度、耐高温、耐腐蚀、无磁性，在一定温度范围内弹性模量基本不变，膨胀系数小，品质因素高等特性。常温下抗拉强度不小于1225Mpa，延伸率不小于5％。

光纤光栅采用利用飞秒激光脉冲诱导光纤纤芯产生折射率变化刻写光栅制成的光纤光栅，光纤采用聚酰亚胺涂覆层的光纤。飞秒激光的非线性光学效应能产生极端稳定的不可擦除的光栅，具有至1000摄氏度的极端稳定性；透过涂覆层直写,保留光纤更好的机械强度，保留特殊涂覆层的优异性能，远高于常规剥离的再涂覆法光纤光栅的机械强度。

由于聚酰亚胺是一种具有极高的耐热性、优异的化学稳定性、良好的电绝缘性和高机械强度等性能的耐高温材料，因此，本发明采用的能聚酰亚胺涂覆层的光纤能保证在低熔点玻璃270℃焊接温度下涂覆层不会被烧坏。

在封装应变片的过程中，首先，利用低熔点玻璃焊料将两个基座焊接在飞秒激光刻栅、聚酰亚胺涂覆层的光栅两端；其次，将封装好的基座与光栅一起放置于弹性合金体上，背面使用螺丝作为紧固件将两个基座固定；封装过程中进行光纤光栅的预应力设定，将光纤一段连接到光纤光栅解调仪上读取常温静态下的波长数值并记录；最后，通过扭动其中一个基座背后的螺丝来调节预拉，边调节边看波长数据调至增大3nm左右，点螺纹胶固定螺丝，将该结构整体放入温箱进行老化，然后按照工艺流程制作成光纤光栅应变片。

上述应变片中，将预拉后的此点波长作为零点波长，当光纤光栅应变片受到轴向压缩时，会将波长变化传送到解调仪自动换算为负应变；当光纤光栅应变片受到轴向拉伸时，会将波长变化传送到解调仪自动换算为正应变。

上述应变片在测试应用中，采用便携式储能点焊机进行焊接将其安装在被测物上，具体是在该弹性合金体上厚度为0.3mm的焊池位置将其点焊于被测物上，这种点焊机利用超级电容存储能量，在电子电路控制下放电，使焊点介质瞬时发热而熔接。具体可采用专门为焊接薄型/超薄型铁板、不锈钢板或精致微小型零部件而设计的便携式微型储能点焊机，其全新的点焊工艺改变了以往轻薄部件与厚重载体的粘接、紧固件和铆接方式的局限性，使施工更加方便快捷。整个焊机操作简易，点焊效果优异。以高容量充电电池为能源，充电后可连续点焊1000余次，还可配专用太阳能充电器，完全满足野外无电源工作条件。

上述应变片封装过程中，光纤光栅与基座的连接采用低熔点玻璃，是一种低温封接玻璃焊料，可直接焊接，无需将光纤表面金属化，浸润性良好，能够达到气密封装；化学稳定较好，熔封过程中不产生气体，熔封后无残留物；气密封接温度比较低，封接温度范围为330℃～380℃，易于操作；适用性强，相对传统封装，使用该产品封装后的元件寿命长。较常规环氧树脂胶的封装工艺，光纤光栅依靠低熔点玻璃焊接，接触点稳定性好，消除了蠕变造成的波长零点的漂移。

上述应变片采用独特的应变增敏封装结构，使得光纤光栅应变片测量精度提高三倍，应变监测范围可达到±3000με。

本发明的应变片制备方法，具有以下优点：光纤光栅预应力调节在光纤光栅与两个基座、弹性合金体封装的过程中完成，将光纤光栅的两端通过低熔点玻璃焊接在基座上，通过调节基座背面作为紧固件的螺丝进行预应力设定，之后再封胶固定，整个过程操作简单、预应力的调解方便；由于光纤光栅应变片固定于被测物上的焊接采用便携式储能点焊机来完善、简化焊接工艺，采用的储能式点焊机原理为电容充电、瞬间放电的方式焊接，对电源要求不高，现场环境易于满足.储能式点焊式焊点较小，形成的熔池较小，且不会对结构其他部分产生影响，实现更便携、更可靠、焊接效果更优良。光纤光栅采用飞秒激光刻栅及带有聚酰亚胺涂覆层的光纤光栅，提高应变片的抗拉强度，提高工程结构健康监测中应变监测的实用性；采用独特的应变增敏封装结构，使得光纤光栅应变传感器测量精度提高三倍，应变监测范围扩展至±3000με。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片，其特征在于，包括：

光纤光栅、第一基座、第二基座和弹性合金体；其中，

所述弹性合金体为一体化平板结构体，其中间部位设有承载光纤光栅的凹槽，所述承载光纤光栅的凹槽两端分别设置第一、第二基座；

所述第一基座通过紧固件固定在所述弹性合金体上，所述第二基座通过紧固件固定在所述弹性合金体上；

所述光纤光栅采用带有聚酰亚胺涂覆层的光纤，其上设有经飞秒激光刻栅制成的光栅，所述光纤光栅的光栅位于所述弹性合金体的凹槽内，所述光栅两端的光纤通过低熔点玻璃分别焊接在第一、第二基座上。

2.根据权利要求1所述的一种安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片，其特征在于，所述弹性合金体的一体化平板结构体中，所述凹槽与第一基座的安装位、第二基座的安装位之间均设有环形结构；

所述第一基座、第二基座两侧均设有0.3mm厚的焊池。

3.根据权利要求1或2所述的一种安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片，其特征在于，所述弹性合金体的一体化平板结构体中，沿该平板结构体中承载光纤光栅的凹槽的中线两端的结构完全对称。

4.根据权利要求1所述的一种安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片，其特征在于，所述弹性合金体的厚度为0.5mm。

5.根据权利要求1至3任一项所述的一种安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片，其特征在于，所述第一基座通过紧固件固定设在所述第一基座承载部上的紧固件固定处设有第一胶封结构，所述第二基座通过紧固件固定设在所述第二基座承载部上的紧固件固定处设有第二胶封结构。

6.根据权利要求1、2或4所述的一种安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片，其特征在于，该应变片的应变监测范围为±3000με。

7.根据权利要求1、2或4所述的一种安装便易的光纤光栅储能焊接式应变片，其特征在于，所述弹性合金体的常温下抗拉强度不小于1225Mpa，延伸率不小于5％；

所述第一基座、第二基座均采用常温下抗拉强度不小于1225Mpa，延伸率不小于5％的弹性合金制成。