CN108731610A - 高灵敏度拉压式光纤光栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，包括：外套管，其左端通过左端头封堵，其右端通过右端头封堵；内套管，其由中空圆柱形的弹性体构成，所述内套管的两端分别穿设于左端头和右端头，并通过密封体密封；温补套管，其为中空圆柱形，且同轴穿设于内套管的右端，所述温补套管的一端与右端头固定，其另一端悬空设置；应变光栅，其粘贴于内套管中，所述内套管位于应变光栅的一侧形成一椭圆形镂空，所述应变光栅的尾纤从左端头穿出；温度光栅，其黏贴于温补套管中，所述温度光栅的尾纤从右端头穿出。本发明能够精确测量弹模量小的混凝土、玻璃以及陶瓷结构表面的应变。
Description
技术领域
本发明涉及测量装置领域。更具体地说，本发明涉及一种高灵敏度拉压式光纤光栅传感器。
背景技术
目前，光纤光栅表贴式传感器形式多样，有几个关键问题决定了其质量好坏，包括下面所述的几个：一是怎么尽量从结构上提高传感器的灵敏度；二是实用有效的温度自补偿机制；三是怎么尽量扩大应变范围；对于第一个问题一部分是直接将光栅粘贴在弹性体表面，由于空间结构的限制，弹性体未做任何结构上的处理，也有少部分通过加大传感器标距的形式增加灵敏度；对于第二个问题有基于材料热应力的负膨胀温度补偿法，也有结构自补偿法，前者由于材料选型较困难，工艺要求高，后者结构较复杂，补偿效果均不是很理想；对于第三个问题目前的先进技术有金属化光纤光栅，然后把光栅激光点焊在金属弹性体表面，该技术摒弃了胶黏剂，应变传递效果良好，但工艺复杂，价格较贵，实际工程中采用不多，而大部分非金属化的胶粘式传感器，由于粘胶本身固有的弹性范围小于金属表面，其易产生蠕变，这样应变弹性范围偏小，不满足应变大的测点的测力要求；所以研究一种高灵敏、温度自补偿、拉压式光纤光栅传感器有其实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，能够精确测量弹模量小的混凝土、玻璃以及陶瓷结构表面的应变。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，包括：
外套管，其左端通过左端头封堵，其右端通过右端头封堵；
内套管，其由中空圆柱形的弹性体构成，所述内套管的两端分别穿设于左端头和右端头，并通过密封体密封；
温补套管，其为中空圆柱形，且同轴穿设于内套管的右端，所述温补套管的一端与右端头固定，其另一端悬空设置；
应变光栅，其粘贴于内套管中，所述内套管位于应变光栅的一侧形成一椭圆形镂空，所述应变光栅的尾纤从左端头穿出；
温度光栅，其黏贴于温补套管中，所述温度光栅的尾纤从右端头穿出。
优选的是，所述温补套管与所述内套管的间隙为0.3～0.7mm。
优选的是，所述温补套管与所述内套管的间隙为0.5mm，所述温度光栅的厚度为0.125mm。
优选的是，所述外套管的中部直径小于所述外套管两端的直径，所述外套管的中部与所述外套管的端部通过变径段衔接；
还包括施加预应力的弹簧，所述弹簧的一端顶于所述左端头，所述弹簧的另一端顶于变径段形成的限位端。
优选的是，所述应变光栅位于所述外套管的中部。
优选的是，所述左端头和右端头均通过密封圈与外套管密封。
优选的是，还包括一对安装支座，其分别通过安装螺钉与所述左端头或右端头固定。
优选的是，所述内套管为不锈钢材质，所述温补套管为不锈钢材质。
本发明至少包括以下有益效果：
温补套管的一端与右端头固定(可以是焊接也可以通过黏胶固定)，温补套管的另一端为完全自由端，因此温补套管不会因为内套管的应变而受应力变化影响，从而通过温补套管封装的温度光栅只受温度影响，能完全实现温度补偿，且结构工艺简单，成本低廉。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的高灵敏度拉压式光纤光栅传感器的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的高灵敏度拉压式光纤光栅传感器的灵敏度线性图。
附图说明
1-外套管，2-内套管，3-温补套管，4-应变光栅，5-椭圆形镂空，6-温度光栅，7-弹簧，8-密封圈，11-外套管的中部，12-安装支座，13-安装螺钉，41-应变光栅的尾纤，42-温度光栅的尾纤，91-密封体，101-左端头，102-右端头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明还提供了高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，包括：
外套管1，其左端通过左端头101封堵，其右端通过右端头102封堵，实现密封防水防潮。
内套管2，其由中空圆柱形的弹性体构成，所述弹性体一般为不锈钢，但也不限于该材料，所述内套管2的两端分别穿设于左端头101和右端头102，并通过密封体91密封，实现防水防潮的作用。
温补套管3，其为中空圆柱形，且同轴穿设于内套管2的右端，所述温补套管3的一端与右端头102固定，其另一端悬空设置，不与内套管2接触，因此不受内套管2的应力变化影响，只受温度影响，能完全实现温度补偿，且结构工艺简单，成本低廉。
应变光栅4，其粘贴于内套管2中，所述内套管2位于应变光栅4的一侧形成一椭圆形镂空5，优选的是镂空在内套管2正中间，为避免应力集中，镂空为椭圆形，长度约光栅长度2.5倍，所述应变光栅的尾纤41从左端头101穿出，应变光栅4的右端通过光纤和温度光栅6连接。
温度光栅6，其黏贴于温补套管3中，所述温度光栅的尾纤42从右端头102穿出。
在上述技术方案中，内套管2为弹性体，不锈钢，其局部镂空后，镂空处的截面受力截面很小，传感器标距范围内的应变会大部传递到该镂空处，因为截面小应变灵敏度大大增加。本申请高灵敏度拉压式光纤光栅传感器尤其适合测量弹模小的混凝土、玻璃及陶瓷结构。
在另一种技术方案中，高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，所述温补套管3与所述内套管2的间隙为0.3～0.7mm。
在另一种技术方案中，高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，所述温补套管3与所述内套管2的间隙为0.5mm，所述温度光栅6的厚度为0.125mm。
在另一种技术方案中，高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，所述外套管的中部11直径小于所述外套管1两端的直径，所述外套管的中部11与所述外套管1的端部通过变径段衔接；
还包括施加预应力的弹簧7，所述弹簧7的一端顶于所述左端头101，所述弹簧7的另一端顶于变径段形成的限位端。
在上述技术方案中，提前对弹簧7施加预应力，这样可以制造主受拉应变传感器和主受压应变传感器，应变范围可扩大到1.5-2倍，克服了胶粘式光栅应变范围偏小的弱点。
在另一种技术方案中，高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，所述应变光栅4位于所述外套管的中部11。
在另一种技术方案中，高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，所述左端头101和右端头102均通过密封圈8与外套管1密封，保证了高灵敏度拉压式光纤光栅传感器的密封度。
在另一种技术方案中，高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，还包括一对安装支座12，其分别通过安装螺钉13与所述左端头101或右端头102固定，安装支座12最终焊接在待测结构表面。
在另一种技术方案中，高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，所述内套管2为不锈钢材质，所述温补套管3为不锈钢材质。
实施例1
本发明还提供了高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，包括：
外套管1，其左端通过左端头101封堵，其右端通过右端头102封堵，所述左端头101和右端头102均通过密封圈8与外套管1密封，保证了高灵敏度拉压式光纤光栅传感器的密封度，实现密封防水防潮。所述外套管的中部11直径小于所述外套管1两端的直径，所述外套管的中部11与所述外套管1的端部通过变径段衔接；还包括施加预应力的弹簧7，所述弹簧7的一端顶于所述左端头101，所述弹簧7的另一端顶于变径段形成的限位端。提前对弹簧7施加预应力，这样可以制造主受拉应变传感器和主受压应变传感器，应变范围可扩大到原有基础的1.5-2倍，克服了胶粘式光栅应变范围偏小的弱点。
内套管2，其由中空圆柱形的弹性体构成，所述弹性体为不锈钢材质，所述内套管2的两端分别穿设于左端头101和右端头102，并通过密封体91密封，实现防水防潮的作用。
温补套管3，其为中空圆柱形、不锈钢材质，且同轴穿设于内套管2的右端，所述温补套管3的一端与右端头102固定，其另一端悬空设置，不与内套管2接触，所述温补套管3与所述内套管2的间隙为0.5mm，因此不受内套管2的应力变化影响，只受温度影响，能完全实现温度补偿，且结构工艺简单，成本低廉。
应变光栅4，其粘贴于内套管2中，且位于外套管的中部11，所述内套管2位于应变光栅4的一侧形成一椭圆形镂空5，优选的是镂空在内套管2正中间，为避免应力集中，镂空为椭圆形，长度约光栅长度2.5倍(即椭圆形的长轴方向)，高度(即椭圆形的短轴方向)约小于内套管2的直径，所述应变光栅的尾纤41从左端头101穿出，应变光栅4的右端通过光纤和温度光栅6连接。
温度光栅6，其黏贴于温补套管3中，所述温度光栅的尾纤42从右端头102穿出，其厚度为0.125mm。
一对安装支座12，其分别通过安装螺钉13与所述左端头101或右端头102固定，安装支座12最终焊接在待测结构表面。
对比例1
其与实施例1唯一不同点在于镂空为椭圆形，长度约光栅长度4倍。
对比例2
其与实施例1唯一不同点在于镂空为椭圆形，长度与光线长度一致。
将图1所示的高灵敏度拉压式光纤光栅传感器进行灵敏度测试，测试的灵敏度线性图如图2，由图2可知本申请的高灵敏度拉压式光纤光栅传感器的线性拟合度R2＞0.99999。将实施例1、对比例1和对比例2的传感器的温漂测试结果见表1。
表1
| 实施例1 | 对比例1 | 对比例2 |
| 0.090％F.S | 0.284％F.S | 0.401％F.S |
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，其特征在于，包括：
外套管，其左端通过左端头封堵，其右端通过右端头封堵；
内套管，其由中空圆柱形的弹性体构成，所述内套管的两端分别穿设于左端头和右端头，并通过密封体密封；
温补套管，其为中空圆柱形，且同轴穿设于内套管的右端，所述温补套管的一端与右端头固定，其另一端悬空设置；
应变光栅，其粘贴于内套管中，所述内套管位于应变光栅的一侧形成一椭圆形镂空，所述应变光栅的尾纤从左端头穿出；
温度光栅，其黏贴于温补套管中，所述温度光栅的尾纤从右端头穿出。
2.如权利要求1所述的高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，其特征在于，所述温补套管与所述内套管的间隙为0.3～0.7mm。
3.如权利要求2所述的高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，其特征在于，所述温补套管与所述内套管的间隙为0.5mm，所述温度光栅的厚度为0.125mm。
4.如权利要求1～3任意一项所述的高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，其特征在于，所述外套管的中部直径小于所述外套管两端的直径，所述外套管的中部与所述外套管的端部通过变径段衔接；
还包括施加预应力的弹簧，所述弹簧的一端顶于所述左端头，所述弹簧的另一端顶于变径段形成的限位端。
5.如权利要求4所述的高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，其特征在于，所述应变光栅位于所述外套管的中部。
6.如权利要求1所述的高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，其特征在于，所述左端头和右端头均通过密封圈与外套管密封。
7.如权利要求1所述的高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，其特征在于，还包括一对安装支座，其分别通过安装螺钉与所述左端头或右端头固定。
8.如权利要求7所述的高灵敏度拉压式光纤光栅传感器，其特征在于，所述内套管为不锈钢材质，所述温补套管为不锈钢材质。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20210901 Address after: No.430011, Jinyinhu Road, Wuhan, Hubei Province Applicant after: CCCC SECOND HARBOR ENGINEERING Co.,Ltd. Applicant after: CCCC HIGHWAY BRIDGES NATIONAL ENGINEERING RESEARCH CENTER Co.,Ltd. Address before: 430048 No. 11 Jinyinhu Road, Dongxihu District, Wuhan City, Hubei Province Applicant before: CCCC SECOND HARBOR ENGINEERING Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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