CN107860329B - 一种高灵敏度的光纤光栅应变传感器 - Google Patents
一种高灵敏度的光纤光栅应变传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107860329B CN107860329B CN201711408227.XA CN201711408227A CN107860329B CN 107860329 B CN107860329 B CN 107860329B CN 201711408227 A CN201711408227 A CN 201711408227A CN 107860329 B CN107860329 B CN 107860329B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lever
- metal piece
- piece
- middle layer
- high sensitivity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 title claims abstract description 27
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 82
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 82
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 26
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 26
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 17
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 16
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 4
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 abstract description 8
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 abstract description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 206010070834 Sensitisation Diseases 0.000 description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 2
- 230000008313 sensitization Effects 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000029052 metamorphosis Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000006855 networking Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
- G01B11/165—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by means of a grating deformed by the object
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高灵敏度的光纤光栅应变传感器,属于光纤传感器技术。包括可拆卸相连的底层金属片、中层金属片和顶层金属片;顶层金属片上安装有应变测量光栅,底层金属片固定在待测物体上;在顶层和中层金属片中均设有杠杆机构,待测物体发生的变形能够通过层与层之间相互级联的杠杆机构传递并放大至应变测量光栅上。本发明的传感器采用三层金属片级联结构,运用杠杆机构,对被测物体的应变进行了多级放大。放大结构采用了“增敏式”放大和“集中式”放大原理,故放大倍数明显增大,灵敏度高。该传感器结构简单,体积小,灵敏度高,能用于微小结构应变的测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器技术,涉及一种高灵敏度的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±1500,应变灵敏度1.2,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,但是采用该方法的传感器的体积大及结构笨重,不适用于微小结构应变的测量。
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光纤光栅应变传感器,该传感器设计合理,结构简约,体积小,灵敏度高,能用于微小结构应变的测量。
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光纤光栅应变传感器,包括可拆卸相连的底层金属片、中层金属片和顶层金属片;顶层金属片上安装有应变测量光栅,底层金属片固定在待测物体上;
在顶层金属片和中层金属片中均设有杠杆机构,待测物体发生的变形作用在底层金属片上,底层金属片上将会发生变形,其变形可通过中层金属片和顶层金属片相互级联的杠杆机构传递并放大至应变测量光栅上,以实现应变高灵敏度测量。
优选地,三层金属片的一端均设有能够与螺栓配合的金属片连接孔,三层金属片通过螺栓可拆卸连接。
优选地,底层金属片通过其两端对称设置的底层安装凸台将待测物体固定。更进一步优选地,两侧安装凸台可以用螺栓固定连接,或通过强力胶粘贴连接在被测物体上。
优选地,顶层金属片上设有光纤光栅安装槽,应变测量光栅置于该光纤光栅安装槽内,光纤光栅安装槽为半圆形槽。
优选地,底层金属片上设有变形传递杆,变形传递杆上开设有变形传递杆孔,变形传递杆通过S型弹性结构与底层金属片的一端相连。
优选地,中层金属片的杠杆机构包括相对设置在中层外部框架内的一级杠杆和二级杠杆,一级杠杆和二级杠杆之间通过第一平衡块相连,在一级杠杆上设有连接块,该连接块上设有连接块固定孔,二级杠杆上开设有杠杆孔;
连接块固定孔与底层金属片上设置的变形传递杆孔位置对应。
优选地,一级杠杆、二级杠杆与中层外部框架的边框采用柔性铰链连接;一级杠杆与连接块之间采用柔性铰链连接;第一平衡块与一级杠杆、二级杠杆也采用柔性铰链连接。
优选地,中层金属片的一端设有中层安装凸台,中层安装凸台底面与底层金属片的上表面接触配合,使底层金属片和中层金属片之间存在间隙。
优选地,顶层金属片的杠杆机构包括设置在顶层外部框架内的杠杆,杠杆通过第二平衡块连接有杠杆连接块,杠杆连接块上开设杠杆连接块固定孔,该连接块固定孔与中层金属片上设置的杠杆孔位置对应,二级杠杆的变形通过杠杆连接块传递至顶层金属片的杠杆上,杠杆的变形拉动应变测量光纤光栅,以实现光纤光栅对被测物体的测量。
优选地,杠杆与顶层外部框架的边框之间采用柔性铰接连接,杠杆与第二平衡块之间采用柔性铰接连接,第二平衡块与杠杆连接块之间采用柔性铰接连接。
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光纤光栅应变传感器,包括底层金属片、中层金属片、顶层金属片和应变测量光栅四部分,在顶层和中层金属片中均设有杠杆机构,待测物体发生的变形能够通过层与层之间相互级联的杠杆机构传递并放大至应变测量光栅上。该传感器采用三层金属片级联结构,运用杠杆原理,对被测物体的应变进行了多级放大。放大结构采用了“增敏式”放大和“集中式”放大原理,故放大倍数明显增大,灵敏度高。该传感器结构简单,体积小,灵敏度高,能用于微小结构应变的测量。
进一步地,各级金属片的杠杆结构与边框之间运用柔性铰链的连接方式,亦能减小杠杆转动过程的变形损失。
附图说明
图1为本发明高灵敏度的光纤光栅应变传感器的立体结构图;
图2为本发明高灵敏度的光纤光栅应变传感器的结构主视图;
图3为本发明高灵敏度的光纤光栅应变传感器的底层金属片结构示意图;其中,(a)为俯视图;(b)为主视图;
图4为本发明高灵敏度的光纤光栅应变传感器的中层金属片结构示意图;其中,(a)为俯视图;(b)为主视图;
图5为本发明高灵敏度的光纤光栅应变传感器的顶层金属片结构示意图。
其中,1、底层金属片;2、中层金属片;3、顶层金属片;4、应变测量光栅;11、底层金属片连接孔;12、变形传递杆孔;13、变形传递杆;14、S型弹性结构;15、底层安装凸台;21、中层金属片连接孔;22、连接块固定孔;23、一级杠杆;24、第一平衡块;25、二级杠杆;26、杠杆孔;27、中层外部框架;28、中层安装凸台;29、连接块;31、顶层金属片连接孔;32、杠杆连接块;33、杠杆连接块固定孔;34、第二平衡块;35、杠杆;36、顶层外部框架;37、光纤光栅安装槽。
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1~5,本发明公开的一种高灵敏度的光纤光栅应变传感器,包括可拆卸相连的底层金属片1、中层金属片2和顶层金属片3;顶层金属片3上安装有应变测量光栅4,底层金属片1固定在待测物体上;在顶和中层金属片中均设有杠杆机构,待测物体发生的变形能够通过层与层之间相互级联的杠杆机构传递并放大至应变测量光栅4上。
参见图3、图4和图5,三层金属片的一端均设有能够与螺栓配合的金属片连接孔,底层金属片1上为底层金属片连接孔11,中层金属片2上为中层金属片连接孔21,顶层金属片3上为顶层金属片连接孔31,三层金属片通过螺栓可拆卸连接。
优选地,参见图3中(a),底层金属片1通过两端对称设置的底层安装凸台15固定在待测物体上。两侧底层安装凸台15可以用螺栓固定连接,或通过强力胶粘贴连接在待测物体上。
参见图5,顶层金属片3上设有光纤光栅安装槽37,应变测量光栅4置于该光纤光栅安装槽37内,光纤光栅安装槽37为半圆形槽,光纤方便安装固定。
参见图3,底层金属片1的杠杆机构包括变形传递杆13,变形传递杆13上开设有变形传递杆孔12,变形传递杆13通过S型弹结构14与底层金属片1的一端相连。
参见图4,中层金属片2结构主要包括:连接块固定孔22、一级杠杆23、第一平衡块24、二级杠杆25、杠杆孔26、中层外部框架27、中层安装凸台28和连接块29;中层安装凸台28底面与底层金属片1的上表面接触配合,以保证底层金属片1和中层金属片2之间存在间隙;连接块固定孔22与底层金属片1的变形传递杆孔12对应连接;一级杠杆23和二级杠杆25与中层外部框架27直接采用柔性铰链连接,第一平衡块24、连接块29与一级杠杆23和二级杠杆25之间也采用柔性铰链连接。
参见图5,顶层金属片3主要结构包括杠杆连接块32、杠杆连接块固定孔33、第二平衡块34、杠杆35、顶层外部框架36及光纤光栅安装槽37;杠杆连接块固定孔33与中层金属片2的杠杆孔26对应固定连接,二级杠杆25的变形通过杠杆连接块32传递到顶层金属片3的杠杆35上,杠杆35与顶层外部框架36之间采用柔性铰链连接,第二平衡块34与杠杆35之间也采用柔性铰链连接。
本发明的高灵敏度的光纤光栅应变传感器,在使用时:
参见图2,当测量物体应变时,底层金属片1紧固安装在待测物体上,当待测物体发生变形时,由于紧固连接底层金属片1也会发生受力变形,由于S型弹性结构14的刚度较小,底层金属片1的主要变形都集中在S型弹性结构14上,变形传递杆13相对于底层金属片1紧固安装点有较大的变形位移,令其位移为S1。
参见图3-5,由于底层金属片1的变形传递杆13与中层金属片2的连接块29通过连接块固定孔22固定连接,则变形位移S1被传递到中层金属片2的一级杠杆23上,然后一级杠杆23的位移又通过第一平衡块24和柔性铰链传递到二级杠杆25,此过程中,第一平衡块24平衡了杠杆转动过程中的剪切力,使得杠杆机构放大位移能力达到最大。令连接块29距离一级杠杆23支点的距离为l1,第一平衡块24距离一级杠杆23支点的距离为l2,第一平衡块24距离二级杠杆25支点的距离为l3,杠杆孔26距离二级杠杆25支点的距离为l4,则二级杠杆25上杠杆孔26处的位移可表示为:
中层金属片2的二级杠杆25与顶层金属片3的杠杆连接块32通过杠杆连接块固定孔33固定连接,则二级杠杆25的变形位移S2被传递到顶层金属片3的杠杆35上,令杠杆连接块32距离杠杆35支点的距离为l5,光纤光栅安装槽37距离杠杆35支点的距离为l6,则光纤光栅安装槽37处的位移可表示为:
参见图2,底层金属片1安装长度L,光栅光纤长度Lf,当待测物体的应变为ε时,则变形传递杆13位移S1=Lε,光纤光栅安装槽37处的位移应变测量光纤光栅4的应变即应变测量光纤光栅4的应变灵敏度提高到原来的倍。
Claims (8)
1.一种高灵敏度的光纤光栅应变传感器,其特征在于,包括可拆卸相连的底层金属片(1)、中层金属片(2)和顶层金属片(3);顶层金属片(3)上安装有应变测量光栅(4),底层金属片(1)固定在待测物体上;
在顶层金属片(3)和中层金属片(2)中均设有杠杆机构,待测物体发生的变形由底层金属片(1)感应后通过中层金属片(2)和顶层金属片(3)相互级联的杠杆机构传递并放大至应变测量光栅(4)上;
底层金属片(1)包括变形传递杆(13),变形传递杆(13)上开设有变形传递杆孔(12),变形传递杆(13)通过S型弹性结构(14)与底层金属片(1)的一端相连;
中层金属片(2)的杠杆机构包括相对设置在中层外部框架(27)内的一级杠杆(23)和二级杠杆(25),一级杠杆(23)和二级杠杆(25)之间通过第一平衡块(24)相连,在一级杠杆(23)上设有连接块(29),该连接块(29)上设有连接块固定孔(22),二级杠杆(25)上开设有杠杆孔(26);
连接块固定孔(22)与底层金属片(1)上设置的变形传递杆孔(12)位置对应。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度的光纤光栅应变传感器,其特征在于,三层金属片的一端均设有能够与螺栓配合的金属片连接孔,三层金属片通过螺栓可拆卸连接。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度的光纤光栅应变传感器,其特征在于,底层金属片(1)通过其两端对称设置的底层安装凸台(15)与待测物体固定。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度的光纤光栅应变传感器,其特征在于,顶层金属片(3)上设有光纤光栅安装槽(37),应变测量光栅(4)置于该光纤光栅安装槽(37)内,光纤光栅安装槽(37)为半圆形槽。
5.根据权利要求1所述的高灵敏度的光纤光栅应变传感器,其特征在于,一级杠杆(23)、二级杠杆(25)与中层外部框架(27)的边框采用柔性铰链连接;一级杠杆(23)与连接块(29)之间采用柔性铰链连接;第一平衡块(24)与一级杠杆(23)、二级杠杆(25)也采用柔性铰链连接。
6.根据权利要求1所述的高灵敏度的光纤光栅应变传感器,其特征在于,中层金属片(2)的一端设有中层安装凸台(28),中层安装凸台(28)底面与底层金属片(1)的上表面接触配合,使底层金属片(1)和中层金属片(2)之间存在间隙。
7.根据权利要求1所述的高灵敏度的光纤光栅应变传感器,其特征在于,顶层金属片(3)的杠杆机构包括设置在顶层外部框架(36)内的杠杆(35),杠杆(35)通过第二平衡块(34)与杠杆连接块(32)连接,杠杆连接块(32)上开设杠杆连接块固定孔(33),该连接块固定孔(33)与中层金属片(2)上设置的杠杆孔(26)位置对应,二级杠杆(25)的变形通过杠杆连接块(32)传递至顶层金属片(3)的杠杆(35)上,杠杆(35)的变形拉动应变测量光纤光栅(4)。
8.根据权利要求7所述的高灵敏度的光纤光栅应变传感器,其特征在于,杠杆(35)与顶层外部框架(36)的边框之间采用柔性铰接连接,杠杆(35)与第二平衡块(34)之间采用柔性铰接连接,第二平衡块(34)与杠杆连接块(32)之间采用柔性铰接连接。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201711408227.XA CN107860329B (zh) | 2017-12-22 | 2017-12-22 | 一种高灵敏度的光纤光栅应变传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201711408227.XA CN107860329B (zh) | 2017-12-22 | 2017-12-22 | 一种高灵敏度的光纤光栅应变传感器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN107860329A CN107860329A (zh) | 2018-03-30 |
CN107860329B true CN107860329B (zh) | 2019-10-11 |
Family
ID=61707129
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201711408227.XA Active CN107860329B (zh) | 2017-12-22 | 2017-12-22 | 一种高灵敏度的光纤光栅应变传感器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN107860329B (zh) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109861581B (zh) * | 2018-12-05 | 2020-08-21 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种微位移放大机构 |
CN109458946B (zh) * | 2018-12-26 | 2021-01-19 | 西安交通大学 | 一种基于微位移放大机构的增敏型光纤光栅应变传感器 |
CN109633234A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-04-16 | 西安交通大学 | 一种高灵敏度的光纤光栅电场传感器 |
CN110057309B (zh) * | 2019-05-21 | 2024-02-09 | 衢州学院 | 一种适用于多种工况的光纤光栅应变传感器的安装拆卸方法 |
CN112097884A (zh) * | 2020-06-09 | 2020-12-18 | 承德石油高等专科学校 | 具有柔性放大结构的动态轨道称重光纤光栅压力传感器 |
CN112923864B (zh) * | 2021-03-16 | 2022-04-05 | 哈尔滨工业大学 | 分布式光纤-保护层-粘贴层-基体应变传递的计算方法 |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101975638B (zh) * | 2010-09-27 | 2012-01-04 | 山东大学 | 矿用光纤布拉格光栅正压传感器 |
KR20130103872A (ko) * | 2012-03-12 | 2013-09-25 | (주)에프비지코리아 | 곡면에 설치가 용이한 광섬유격자 변형률 센서 |
CN104048615B (zh) * | 2014-06-30 | 2017-02-15 | 国网河南省电力公司电力科学研究院 | 点焊式光纤光栅应变传感器及其安装方法 |
CN105157591B (zh) * | 2015-07-10 | 2018-06-05 | 同济大学 | 一种高灵敏度高分辨率高精度的光纤布拉格光栅阵列应变传感器 |
CN106441140A (zh) * | 2016-10-25 | 2017-02-22 | 武汉理工大学 | 一种光纤光栅应变增敏传感器 |
-
2017
- 2017-12-22 CN CN201711408227.XA patent/CN107860329B/zh active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN107860329A (zh) | 2018-03-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107860329B (zh) | 一种高灵敏度的光纤光栅应变传感器 | |
CA2885620C (en) | Device and method for detecting the tension on a guide rope of a hanging scaffold in a construction shaft | |
CN106705877B (zh) | 一种基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器 | |
US7424832B1 (en) | Cable tensiometer for aircraft | |
CN102141452A (zh) | 一种隔水管应力测量装置及测量方法 | |
CN108760109A (zh) | 基于布拉格光纤光栅的可变量程的土体压力测量装置和方法 | |
CN202511764U (zh) | 一种高灵敏度光纤光栅应变传感器 | |
CN109458946A (zh) | 一种基于微位移放大机构的增敏型光纤光栅应变传感器 | |
CN107152449A (zh) | 一种基于光纤光栅用于监测螺栓松动的智能垫片装置 | |
CN203191143U (zh) | 一种用于测量液体压力的光纤光栅传感器 | |
CN107202546A (zh) | 一种高灵敏度的温度补偿式光纤光栅应变传感器 | |
RU88145U1 (ru) | Устройство для измерения натяжения троса или провода | |
CN110133324A (zh) | 一种差动式光纤光栅加速度传感装置 | |
CN107202545A (zh) | 一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器 | |
CN110007392A (zh) | 一种复合多芯光纤的智能纤维板及其制备方法 | |
WO2011115386A2 (ko) | 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀 | |
CN101650282B (zh) | 一种单丝纤维压缩性能的测量方法及其装置 | |
EP3311130A1 (en) | Fiber optic pressure apparatus, methods, and applications | |
Pan et al. | Design and investigation of a high-sensitivity tilt sensor based on FBG | |
BR0212920A (pt) | Aparelho para a medição de gradientes gravitacionais | |
CN108469320A (zh) | 一种集成启闭力检测功能的水工钢闸门 | |
CN103017973A (zh) | 耐高温微压光纤光栅传感器 | |
CN109633234A (zh) | 一种高灵敏度的光纤光栅电场传感器 | |
CN203519239U (zh) | 一种活塞式菱形结构光纤Bragg光栅渗压传感器 | |
Li et al. | Rail expansion devices monitored by FBG sensors on an urban railway viaduct |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |