CN108759681B - 光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤光栅应用领域，公开了一种光纤光栅传感器，该光纤光栅传感器包括光纤(1)、壳体(2)和设置在壳体(2)中的夹持件，夹持件中设置有用于穿过光纤(1)的容纳通道(3)，夹持件包括用于压紧光纤(1)的压紧部(4)和连接于压紧部(4)的凸缘部(5)，凸缘部(5)夹紧在壳体(2)中，两个夹持件的凸缘部(5)相向设置且两个夹持件的凸缘部之间具有间隙，光纤(1)位于两个夹持件的所述压紧部(4)之间的部分上设置有光栅。本申请提供了一种无需聚合材料胶接的光纤光栅传感器，具有良好的可靠性和实用性。

Description

光纤光栅传感器

技术领域

本发明涉及光纤光栅应用领域，具体地涉及一种光纤光栅传感器。

背景技术

由于光纤优良的物理、化学、机械以及传输性能，使光纤传感器具有电绝缘性好、响应速度快、动态范围大、传输距离远、耐腐蚀、成本低等特点。光纤光栅中心波长能够直接受应变的调制，并有着良好的线性响应，是理想的应变测量元件。目前，光纤传感器在军事、科研、工业、商业、医学等领域的应用也越来越广泛。但是裸光纤光栅的纤芯直径很小、特别脆弱、抗剪性能差，易被损坏而无法直接用于工程，因而对光纤进行封装保护显得尤为重要。

现有的封装技术通常采用有机聚合物与金属外套的管状封装，或者采用胶接方式固定光纤，或者填充膏体，这些封装形状安装不方便，易脱落，可靠性和实用性很难达到实际的工程要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的光纤光栅传感器封装效果不理想的问题，提供一种光纤光栅传感器。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种光纤光栅传感器，该光纤光栅传感器包括光纤、壳体和设置在所述壳体中的夹持件，所述夹持件中设置有用于穿过所述光纤的容纳通道，所述夹持件包括用于压紧所述光纤的压紧部和连接于所述压紧部的凸缘部，所述凸缘部夹紧在所述壳体中，两个所述夹持件的凸缘部相向设置且两个所述夹持件的凸缘部之间具有间隙，所述光纤位于两个所述夹持件的所述压紧部之间的部分上设置有光栅。

优选地，所述壳体上设置有伸缩部，所述伸缩部的刚度小于所述壳体其他部分的刚度，所述凸缘部之间的间隙对准于所述伸缩部的位置。

优选地，所述压紧部包括螺杆和螺接于所述螺杆的螺纹管，所述螺杆内具有螺杆通孔以构成所述容纳通道的位于所述压紧部中的部分。

优选地，所述螺杆和所述螺纹管采用梯形螺纹螺接。

优选地，所述螺杆通孔以所述螺杆的中轴线为轴，所述螺杆的一部分被多个经过所述螺杆的中轴线的平面均匀分割为多个部分。

优选地，其中一个所述夹持件的凸缘部为第一凸缘柱，另一个所述夹持件的凸缘部为第二凸缘柱，所述第一凸缘柱的端面上形成有凸起，所述第二凸缘柱的端面上形成有凹槽，所述凸起伸入所述凹槽且所述第一凸缘柱的端面和所述第二凸缘柱的端面之间具有间隙，所述第一凸缘柱、所述第二凸缘柱内具有凸缘通孔以构成所述容纳通道的位于所述凸缘部中的部分。

优选地，所述壳体上形成有裂缝以在所述壳体上形成所述伸缩部。

优选地，所述壳体的端部设置有护管通孔，所述传感器包括设置在所述护管通孔中的光纤护管。

优选地，所述夹持件和所述壳体同轴，所述容纳通道设置在所述夹持件的中心。

优选地，所述伸缩部设置在所述壳体的中段。

优选地，所述壳体的周面上设置有多个压槽以便于所述壳体被压紧装置压紧在需监测的表面，多个所述压槽沿所述壳体的轴向间隔设置。

优选地，所述周面的与所述压槽相对的位置设置有用于与需监测的表面相贴合的凸台。

通过上述技术方案，可以将光纤光栅传感器的两端通过夹具夹持在需监测位移的物体的表面，保持壳体的周面紧贴在被监测物体的表面，当被监测物体被由两端向外拉而发生拉伸形变或者被监测物体被从两端向中间压而发生压缩形变时，在夹具的作用下传感器的壳体会随着被监测的物体发生拉伸形变或者压缩形变，使得壳体的两端向外拉伸或者向内压缩，壳体中的夹持件会向两端移动使得两个夹持件之间的距离增加或者向中间移动使得两个夹持件之间的距离减小。由于光纤在夹持件的压紧部中的部分被压紧，当两个夹持件之间发生相对移动时，位于两个夹持件之间的光纤上的光栅会发生拉伸形变或者压缩形变，使得连接光纤的解调仪上测得的数值发生变化，实现了光纤光栅传感器的传感功能。

附图说明

图1是根据本发明优选实施方式的光纤光栅传感器的示意图；

图2是图1的光纤光栅传感器的夹持件的示意图；

图3是图1的光纤光栅传感器的壳体的示意图；

图4是图1的光纤光栅传感器的螺杆的侧视图；

图5是图1的光纤光栅传感器的两个夹持件配合关系的示意图。

图6是图1的光纤光栅传感器被夹具固定在需监测的表面的示意图；

图7是图6的侧视图。

附图标记说明

1-光纤 2-壳体 3-容纳通道 4-压紧部 5-凸缘部 6-裂缝 7-护管通孔 8-压槽9-凸台 41-螺杆 42-螺纹管 43-基体 51-第一凸缘柱52-第二凸缘柱 53-凸起 54-凹槽

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本申请提供一种光纤光栅传感器，如图1所示，该光纤光栅传感器包括光纤1、壳体2和设置在所述壳体2中的夹持件，所述夹持件中设置有用于穿过所述光纤1的容纳通道3，所述夹持件包括用于压紧所述光纤1的压紧部4和连接于所述压紧部4的凸缘部5，两个所述夹持件的凸缘部5相向设置且两个所述夹持件的凸缘部5之间具有间隙，所述凸缘部5夹紧在所述壳体2中，所述光纤1位于两个所述夹持件的所述压紧部4之间的部分上设置有光栅。

如图1所示，壳体2可以选用圆柱或者四棱柱，只要保证壳体2内部具有圆柱状的中空部分以放置夹持件，为了使得夹持件能够夹紧在该中空部分，夹持件的凸缘部5为圆柱状并且和中空部分过盈配合。其中，壳体2的材质可以选用不锈钢，凸缘部5的材质选用铜。

其中，在图1所示的结构中，容纳通道3设置在夹持件的中心，壳体2中的中空部分与壳体2不同轴，使得夹持件和壳体2也不同轴；但是本申请并不限定于此，本申请也可以使壳体2中的中空部分与壳体2同轴，从而使得夹持件和壳体2同轴。

所述壳体2上设置有伸缩部，所述伸缩部的刚度小于所述壳体2其他部分的刚度，所述凸缘部5之间的间隙对准于所述伸缩部的位置

本申请提供的光纤光栅传感器在使用时，可以将光纤光栅传感器的两端通过夹具夹持在需监测位移的物体的表面，保持壳体2的底面紧贴在被监测物体的表面，当被监测物体被由两端向外拉而发生拉伸形变或者被监测物体被从两端向中间压而发生压缩形变时，在夹具的作用下传感器的壳体2会随着被监测的物体发生拉伸形变或者压缩形变，使得壳体2的两端向外拉伸或者向内压缩，壳体2中的夹持件会向两端移动使得两个夹持件之间的距离增加或者向中间移动使得两个夹持件之间的距离减小。由于光纤1在夹持件的压紧部中的部分被压紧，当两个夹持件之间发生相对移动时，位于两个夹持件之间的光纤1上的光栅会发生拉伸形变或者压缩形变，使得连接光纤1的解调仪上测得的数值发生变化，实现了光纤光栅传感器的传感功能。

另外，可以在壳体2上设置伸缩部从而使得伸缩部的位置所发生拉伸形变或者压缩形变更明显。其中，伸缩部可以和壳体2上其他部分的材料不同，以使得伸缩部的刚度小于壳体2其他部分的刚度，也可以如图1和图3所示的结构，在壳体2上的某一段设置一条或多条裂缝6以形成伸缩部，裂缝6的长度不能过长以避免壳体2发生断裂，如果设置多条裂缝6，裂缝6应当在壳体2的周向方向上错开，使得伸缩部在容易发生形变的同时避免壳体2发生断裂而损坏。

为了便于壳体2被夹具压紧，如图3所示，壳体2的周面上设置有多个压槽8以便于壳体2被压紧装置压紧在需监测的表面，多个压槽8沿所述壳体的轴向间隔设置，壳体2可以选用四棱柱或者圆柱，当壳体2的一侧压在需检测的表面时，多个压槽8此时应当位于壳体2的另一侧，且多个压槽8的朝向相同，均朝向斜上方或者正上方，优选为朝向正上方以便被夹具压紧在需监测的表面。其中，压槽8优选为设置在壳体2周面靠近壳体2的两个端部的位置，将夹具压在压槽8中，当被监测的表面发生形变时，壳体2的两端由于被紧紧地夹紧在被监测的物体上因此能够随着被监测物体的形变而发生相应的运动，因此伸缩部最好设置在壳体2的中段。

另外，如图3所示，在壳体2周面的与压槽8相对的位置设置有凸台9，凸台9用于贴合在被监测物体的表面，减少壳体2和被监测物体的表面之间的接触面，从而在壳体2形变时能够减少因壳体2的移动所产生的摩擦力。需要说明的是，也可以利用粘结剂将壳体2的两端粘贴在被监测物体的表面，只要能够保证壳体2的两端随着被监测物体移动即可。

图6和图7示出了本申请提供的光纤光栅传感器应用在钢轨上的示意图，在实际使用中，可以将多个光纤光栅传感器沿着钢轨的长度方向延伸设置，从而监测这一段长度的钢轨的形变，每个传感器可以通过两个夹具10分别夹在壳体2的两侧从而将壳体2固定在钢轨的表面。

如图7所示，钢轨直接与列车接触的部分是位于上部的轨头，传感器设置在轨底的表面上，夹具10从钢轨的另一侧经钢轨的底面延伸到钢轨的设置有壳体2的一侧，并且压紧在壳体2的上方。当列车从该段钢轨的轨头部分经过时，该段钢轨的上部被压缩，下部被拉伸，此时轨底发生拉伸形变，壳体2的两端在夹具10的作用下向外拉伸，使得位于两个压紧部4之间的光纤1被拉伸即光纤1具有光栅的部分被拉伸，该形变能够反映在与光纤1连接的解调仪上，工作人员就能测量出钢轨的应变以及钢轨的变形。

对于一整段钢轨来说，当列车的车轮离开壳体2所处的钢轨后，轨底的拉伸会变小，并且随着车轮越来越远离该段钢轨，轨底的拉伸会变成压缩，轨底上的传感器的壳体2的两端会向内压缩，使得位于两个压紧部4之间的光纤1被压缩即光纤1具有光栅的部分被压缩。

需要说明的是，本申请的光纤1具有光栅的部分的拉伸形变和压缩形变能够带来该部分光纤1的紧绷程度的变化，在实际应用中，位于两个夹持件之间的光纤1在正常状态下保持一个略微紧绷的状态，当壳体2的两端向外拉伸时，这部分光纤1的紧绷程度更高，当壳体2的两端向内压缩时，这部分光纤1会发生松弛，光纤1的这种更加紧绷以及更加松弛都能够反映在与光纤1连接的解调仪上。

为了使得压紧部4能够压紧光纤1，优选地，如图5所示，所述压紧部4包括螺杆41和螺接于所述螺杆41的螺纹管42，所述螺杆41内具有螺杆通孔43以构成所述容纳通道3的位于所述压紧部4中的部分，采用螺纹连接能够使得螺杆41在其周向方向上均匀地被螺纹管42所压紧，进而使得螺杆通孔43中的光纤1被螺杆41所压紧。

另外，螺杆41和螺纹管42所配合形成的压紧部4的外径小于凸缘部5的外径，螺纹管42从螺杆41远离凸缘部5的一侧旋入螺杆41，在螺纹管42接触到凸缘部5之后继续旋转螺纹管42能够使螺纹管42在螺杆41的周向方向上给予螺杆41更大的压紧力，从而加强对光纤1的压紧效果。

其中，螺杆41和螺纹管42采用梯形螺纹螺接，此时螺纹管42给予螺杆41的接触力可以分解为沿螺杆41轴向的轴向力以及沿螺杆41径向的径向力。在径向力作用下，随着螺纹管42在接触到凸缘部5之后的继续旋转，螺杆41对光纤1的压紧力逐渐增加，这种夹紧方法能对一段距离内的光纤1产生均匀的压紧力，保持光纤1顺直，由于没有压紧力的突然变化，这种压紧方式不会挤伤光纤，且挤压力大，使得固定较为牢固，进而使得位于两个夹持件的凸缘部5之间的光纤光栅部分悬空设置，可使光纤光栅自由运动，保证光栅部分变形均匀，不会产生光栅啁啾现象。此外，随着螺纹管42在接触到凸缘部5之后的继续旋转，螺纹管42和螺杆41之间的锁紧力也逐渐增加，避免螺纹管42和螺杆41之间发生松脱。

进一步地，螺杆通孔43以螺杆41的中轴线为轴，螺杆41的一部分被多个经过螺杆41的中轴线的平面均匀分割为多个部分。为了避免螺杆41被完全切割为多个独立的部分，每个分割平面的宽度应当小于螺杆41的内径，而每个分割平面的长度应当等于螺杆41的轴向长度，使得螺杆41在整个轴向长度上被分割。如图4所示，随着螺纹管42对螺杆41的径向的挤压力逐渐增大，被分割平面所分割的部分会朝着螺杆41的中轴线运动，造成螺杆通孔43的横截面积变小，使得螺杆41对螺杆通孔43中的光纤1的压紧力逐渐增大。

在图1所示的结构中，壳体2上形成的裂缝6构成伸缩部，由于凸缘部5的间隙对准伸缩部，灰尘等杂质通过裂缝6进行壳体2而对光纤1上具有光栅的部分造成污染或者损坏，优选地，如图2和图5所示，其中一个夹持件的凸缘部5为第一凸缘柱51，另一个夹持件的凸缘部5为第二凸缘柱52，第一凸缘柱51的端面上形成有凸起53，第二凸缘柱52的端面上形成有凹槽54，凸起53伸入凹槽54且第一凸缘柱51的端面和第二凸缘柱52的端面之间具有间隙，第一凸缘柱51、第二凸缘柱52内具有凸缘通孔以构成容纳通道3的位于凸缘部5中的部分。

由于凹槽54的槽底和凸起53的顶端之间的间隙被凹槽54的侧壁面所遮盖，灰尘等杂质很难进入该间隙，也就更难以进入第一凸缘柱51和第二凸缘柱52中的用于使得光纤1穿过的通孔，从而有效避免光纤1被杂质污染或者损坏。

其中，在壳体2的伸缩部发生形变时，第一凸缘柱51和第二凸缘柱52之间会发生相应的运动即彼此接近或者彼此远离，因此第一凸缘柱51的端面和第二凸缘柱52的端面之间具有一定的间隙，防止在壳体2的两端发生压缩形变时，第一凸缘柱51的端面和第二凸缘柱52的端面由于距离过近而彼此接触从而影响监测结果。

另外，光纤1贯穿壳体2的部分容易在伸缩部发生形变时被壳体2的边缘所划伤，为了避免这种情况的发生，优选地，如图3所示，在壳体2的两端可以设置护管通孔7，并在护管通孔7中设置光纤护管，光纤护管可以螺纹连接在护管通孔7上，护管通孔7的内壁面上可以设置橡胶等柔软的材料。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤光栅传感器，其特征在于，该光纤光栅传感器包括光纤(1)、壳体(2)和设置在所述壳体(2)中的夹持件，所述夹持件中设置有用于穿过所述光纤(1)的容纳通道(3)，所述夹持件包括用于压紧所述光纤(1)的压紧部(4)和连接于所述压紧部(4)的凸缘部(5)，所述凸缘部(5)夹紧在所述壳体(2)中，两个所述夹持件的凸缘部(5)相向设置且两个所述夹持件的凸缘部(5)之间具有间隙，所述光纤(1)位于两个所述夹持件的所述压紧部(4)之间的部分上设置有光栅，所述壳体(2)上设置有伸缩部，所述伸缩部的刚度小于所述壳体(2)其他部分的刚度，所述凸缘部(5)之间的间隙对准于所述伸缩部的位置，其中一个所述夹持件的凸缘部(5)为第一凸缘柱(51)，另一个所述夹持件的凸缘部(5)为第二凸缘柱(52)，所述第一凸缘柱(51)的端面上形成有凸起(53)，所述第二凸缘柱(52)的端面上形成有凹槽(54)，所述凸起(53)伸入所述凹槽(54)且所述第一凸缘柱(51)的端面和所述第二凸缘柱(52)的端面之间具有间隙，所述第一凸缘柱(51)、所述第二凸缘柱(52)内具有凸缘通孔以构成所述容纳通道(3)的位于所述凸缘部(5)中的部分。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述压紧部(4)包括螺杆(41)和螺接于所述螺杆(41)的螺纹管(42)，所述螺杆(41)内具有螺杆通孔(43)以构成所述容纳通道(3)的位于所述压紧部(4)中的部分。

3.根据权利要求2所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述螺杆(41)和所述螺纹管(42)采用梯形螺纹螺接。

4.根据权利要求2所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述螺杆通孔(43)以所述螺杆(41)的中轴线为轴，所述螺杆(41)的一部分被多个经过所述螺杆(41)的中轴线的平面均匀分割为多个部分。

5.根据权利要求2所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述壳体(2)上形成有裂缝(6)以在所述壳体(2)上形成所述伸缩部。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述壳体(2)的端部设置有护管通孔(7)，所述传感器包括设置在所述护管通孔(7)中的光纤护管。

7.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述夹持件和所述壳体(2)同轴，所述容纳通道(3)设置在所述夹持件的中心。

8.根据权利要求2-7中任意一项所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述伸缩部设置在所述壳体(2)的中段。

9.根据权利要求8所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述壳体(2)的周面上设置有多个压槽(8)以便于所述壳体(2)被压紧装置压紧在需监测的表面，多个所述压槽(8)沿所述壳体(2)的轴向间隔设置。

10.根据权利要求8所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述周面的与所述压槽(8)相对的位置设置有用于与需监测的表面相贴合的凸台(9)。

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