CN107687817A - 一种小型化柔性光纤光栅应变传感器 - Google Patents

一种小型化柔性光纤光栅应变传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，包括光纤、光纤光栅、高弹性模量聚合物材料涂覆层、低弹性模量聚合物材料涂覆层、高弹性模量聚合物材料夹层；光纤的一部分刻写有光纤光栅，光纤的包层表面涂覆有高弹性模量聚合物材料涂覆层；光纤中刻写有光纤光栅的部分对应的高弹性模量聚合物材料涂覆层表面涂覆有低弹性模量聚合物材料涂覆层；涂覆有低弹性模量聚合物材料涂覆层的部分光纤及光纤光栅两侧的部分光纤固定在高弹性模量聚合物材料夹层内部。本发明公开的小型化柔性光纤光栅应变传感器，适用于多种形状的复合材料、金属结构的表面和内部的应变测试，应变传递效率高，光纤光栅的反射光谱不容易发生啁啾。

Description

一种小型化柔性光纤光栅应变传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种柔性光纤光栅应变传感器。
背景技术
复合材料结构广泛应用于航空航天、军事、电力、石化等领域。为了及时对复合材料结构进行维护、保障运行安全，需要对复合材料结构的变形、载荷、损伤等状况进行监测。光纤光栅应变传感器具有抗电磁干扰、体积小、信号易传输、易复用、稳定性好等优点，在复合材料结构状态监测中具有重要和广泛的应用。
复合材料状态监测，尤其是植入复合材料结构内部的监测，要求光纤光栅应变传感器的体积小、柔性好，同时在复合材料固化应力下能够保持光学信号完整。
现有的金属封装的光纤光栅应变传感器，通过金属结构对光纤光栅进行保护，待测结构的应变通过光纤光栅的两端传递到光纤光栅部分，避免粘接胶直接作用在光纤光栅上导致光纤光栅反射光谱产生啁啾；这种光纤光栅应变传感器，体积较大、刚度较高，难以用于复合材料结构的非平直表面测量，难以用于复合材料结构内部的测量。现有的直接粘接的光纤光栅应变传感器，光纤光栅通过粘接胶直接固定在待测结构表面；这种光纤光栅应变传感器，光纤光栅会受粘接胶固化内应力的影响，使光纤光栅受到不均匀应变的作用，导致光纤光栅的反射光谱产生啁啾，影响光纤光栅应变传感器信号的正常测量。现有的聚合物夹层封装的光纤光栅应变传感器，光纤光栅采用低弹性模量材料夹层进行保护，抑制待测结构应变不均匀对光纤光栅反射光谱的影响；这种光纤光栅应变传感器包括多层结构，制作工艺复杂，低弹性模量材料夹层的面积较大，不利于光纤光栅的定位。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，克服了现有的金属封装光纤光栅应变传感器体积较大、刚度较高，直接粘接光纤光栅的光纤光栅应变传感器容易发生反射光谱啁啾，光纤光栅采用低弹性模量材料夹层封装的光纤光栅应变传感的结构和制作工艺复杂的问题。
本发明的技术解决方案是：一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，包括光纤、光纤光栅、高弹性模量聚合物材料涂覆层、低弹性模量聚合物材料涂覆层、高弹性模量聚合物材料夹层；光纤的一部分刻写有光纤光栅，光纤的包层表面涂覆有高弹性模量聚合物材料涂覆层；光纤中刻写有光纤光栅的部分对应的高弹性模量聚合物材料涂覆层表面涂覆有低弹性模量聚合物材料涂覆层；涂覆有低弹性模量聚合物材料涂覆层的部分光纤及光纤光栅两侧的部分光纤固定在高弹性模量聚合物材料夹层内部。
所述高弹性模量聚合物材料涂覆层的材料为聚酰亚胺或尼龙。
所述高弹性模量聚合物材料涂覆层的厚度为5μm～30μm。
所述低弹性模量聚合物材料涂覆层的材料为有机硅凝胶、硅橡胶或丙烯酸酯。
所述低弹性模量聚合物材料涂覆层的厚度为20μm～70μm。
所述高弹性模量聚合物材料夹层的材料为聚酰亚胺、玻璃纤维增强聚酰亚胺、环氧树脂或环氧酚醛。
所述高弹性模量聚合物材料夹层为长方体夹层，长度为10mm～40mm，宽度为0.5mm～8mm，厚度为0.2mm～0.4mm。
所述高弹性模量聚合物材料涂覆层的弹性模量大于1GPa，
所述低弹性模量聚合物材料涂覆层的弹性模量小于30MPa，
所述高弹性模量聚合物材料夹层的弹性模量大于1GPa。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的柔性光纤光栅应变传感器，采用高弹性模量聚合物材料涂覆层、低弹性模量聚合物材料涂覆层、高弹性模量聚合物材料夹层的封装结构，结构简单、体积小、柔性高，适用于多种形状的结构测量和植入式测量。
(2)本发明的柔性光纤光栅应变传感器，光纤光栅的栅区采用圆柱对称的低弹性模量聚合物材料涂覆层抑制待测结构应变不均匀对光纤光栅反射光谱的影响，同时圆柱对称的结构有利于光纤光栅的准确定位；
(3)本发明的柔性光纤光栅应变传感器，采用标准的光纤涂覆工艺来制作，工艺难度低、一致性好；最外层采用高弹性模量聚合物材料夹层，对光纤光栅的保护好、应变传递效率高。
附图说明
图1为本发明的小型化柔性光纤光栅应变传感器的结构示意图；
图2为图1中A-A位置的剖视图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明公开的一种小型化柔性光纤光栅应变传感器进一步详细的说明。
如图1、图2所示，本发明公开的一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，包括光纤5、光纤光栅6、高弹性模量聚合物材料涂覆层12、低弹性模量聚合物材料涂覆层13、高弹性模量聚合物材料夹层14；光纤5的一部分刻写了光纤光栅6，光纤5的包层表面涂覆有高弹性模量聚合物材料涂覆层12，光纤5中刻写有光纤光栅6部分对应的高弹性模量聚合物材料涂覆层12表面涂覆有低弹性模量聚合物材料涂覆层13，涂覆有低弹性模量聚合物材料涂覆层13的部分光纤5及光纤光栅6两侧的部分光纤5固定在高弹性模量聚合物材料夹层14内部；
高弹性模量聚合物材料涂覆层12的材料为聚酰亚胺或尼龙，弹性模量大于1GPa；高弹性模量聚合物材料涂覆层12的厚度为5μm～30μm，外径为135μm～190μm；高弹性模量聚合物材料涂覆层12采用光纤涂覆机涂覆在光纤5和光纤光栅6的包层表面。高弹性模量聚合物材料涂覆层12对光纤5和光纤光栅6提供高强度的保护。
低弹性模量聚合物材料涂覆层13的材料为有机硅凝胶、硅橡胶或丙烯酸酯，弹性模量小于30MPa；低弹性模量聚合物材料涂覆层13的厚度为20μm～70μm，外径为180μm～280μm；低弹性模量聚合物材料涂覆层13采用光纤涂覆机涂覆在光纤光栅6部分的高弹性模量聚合物材料涂覆层12的表面；沿光纤轴向低弹性模量聚合物材料涂覆层13覆盖住光纤光栅6。低弹性模量聚合物材料涂覆层13抑制光纤光栅6的反射光谱发生啁啾。
高弹性模量聚合物材料夹层14的材料为聚酰亚胺、玻璃纤维增强聚酰亚胺、环氧树脂或环氧酚醛，弹性模量大于1GPa；高弹性模量聚合物材料夹层14的长度为10mm～40mm，宽度为0.5mm～8mm，厚度为0.2mm～0.4mm。高弹性模量聚合物材料夹层14为光纤5和光纤光栅6进行保护；将待测结构应变传递至光纤光栅6，传递效率大于99％。
本发明说明书未详细公开部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，其特征在于：包括光纤(5)、光纤光栅(6)、高弹性模量聚合物材料涂覆层(12)、低弹性模量聚合物材料涂覆层(13)、高弹性模量聚合物材料夹层(14)；光纤(5)的一部分刻写有光纤光栅(6)，光纤(5)的包层表面涂覆有高弹性模量聚合物材料涂覆层(12)；光纤(5)中刻写有光纤光栅(6)的部分对应的高弹性模量聚合物材料涂覆层(12)表面涂覆有低弹性模量聚合物材料涂覆层(13)；涂覆有低弹性模量聚合物材料涂覆层(13)的部分光纤(5)及光纤光栅(6)两侧的部分光纤(5)固定在高弹性模量聚合物材料夹层(14)内部。
2.根据权利要求1所述的一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述高弹性模量聚合物材料涂覆层(12)的材料为聚酰亚胺或尼龙。
3.根据权利要求1或2所述的一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述高弹性模量聚合物材料涂覆层(12)的厚度为5μm～30μm。
4.根据权利要求3所述的一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述低弹性模量聚合物材料涂覆层(13)的材料为有机硅凝胶、硅橡胶或丙烯酸酯。
5.根据权利要求4所述的一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述低弹性模量聚合物材料涂覆层(13)的厚度为20μm～70μm。
6.根据权利要求4或5所述的一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述高弹性模量聚合物材料夹层(14)的材料为聚酰亚胺、玻璃纤维增强聚酰亚胺、环氧树脂或环氧酚醛。
7.根据权利要求6所述的一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述高弹性模量聚合物材料夹层(14)为长方体夹层，长度为10mm～40mm，宽度为0.5mm～8mm，厚度为0.2mm～0.4mm。
8.根据权利要求2所述的一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述高弹性模量聚合物材料涂覆层(12)的弹性模量大于1GPa。
9.根据权利要求4所述的一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述低弹性模量聚合物材料涂覆层(13)的弹性模量小于30MPa。
10.根据权利要求6所述的一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述高弹性模量聚合物材料夹层(14)的弹性模量大于1GPa。
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