CN110375663A - 一种量程可调的光纤光栅应变测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，其结构包括：用于产生一定光谱宽度输出宽带光源，用于光信号分束及耦合的光纤耦合器，用于应变测量的应变测量模块，用于将光信号转换为电信号的光电探测器，信号处理模块。本发明结构简单，可以方便调节应变测量量程，将超过传感器量程的大应变转换为传感器应变测量范围之内，实现传感器不替换应变测量。该发明的结构明晰，稳定性高，制作简单。

Description

一种量程可调的光纤光栅应变测量装置

技术领域

本发明涉及光纤光栅应变测量装置领域，具体是一种量程可调的光纤光栅应变测量装置。

背景技术

光纤光栅是一种性能优良的敏感元件，可通过布拉格反射波长的移动来感知外界微小应变变化而实现对结构应力、温度等参数失效在线检测。它具有不怕恶劣环境，不受环境噪声干扰、抗电磁干扰、精度高等特点。

目前国内外报道的光纤光栅应变测量装置量程不可调节，且测量量程都较小，难以实现大范围的大量程检测。本装置结构简单，可以实现应变测量范围的动态调节，灵活方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，以解决现有技术存在的量程不可调节、难以实现大范围大量程检测的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，包括宽带光源、光纤耦合器、应变测量模块、光电探测器、信号处理模块，其特征在于：所述应变测量模块包括底座、固定连杆、活动连杆、可调连杆、光纤光栅、可调螺栓，其中固定连杆一端固定连接于底座上，活动连杆一端铰接连接于底座上，可调连杆一端通过可调螺栓连接于固定连杆杆身，可调连杆另一端通过可调螺栓活动铰接连接于活动连杆杆身，光纤光栅两端分别固定连接于固定连杆另一端、活动连杆另一端；所述宽带光源的出射光经光纤耦合器馈送至应变测量模块中的光纤光栅，经光纤光栅反射回光纤耦合器，再由光纤耦合器馈送至光电探测器，由光电探测器将光信号转换为电信号后送入信号处理模块进行处理，通过松开可调螺栓并转动活动连杆，以使可调连杆与活动连杆铰接连接位置发生改变，进而调节应变测量量程，调节过程中光纤光栅应变保持不变。

所述的一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，其特征在于：所述活动连杆杆身设有贯通活动连杆的长方形孔洞，可调连杆杆身靠近活动连杆位置设有贯通可调连杆的长方形孔洞，可调螺栓通过活动连杆、可调连杆的孔洞将活动连杆、可调连杆活动铰接连接。

所述的一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，其特征在于：所述活动连杆一端通过可调螺栓连接固定连杆，活动螺栓松开后，可调连杆可绕活动螺栓转动。

所述的一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，其特征在于：所述应变测量模块还包括弹簧，弹簧两端分别固定连接于固定连杆另一端、活动连杆另一端，光纤光栅从弹簧中间穿过，且光纤光栅处于预拉紧状态。

所述的一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，其特征在于：所述宽带光源的光谱范围根据应变测量模块中光纤光栅的谐振波长来选择，要求宽带光源的光谱范围能够覆盖光纤光栅的谐振波长，且当外界测量应变在一定范围变化时，宽带光源的光谱范围仍然能够覆盖光纤光栅的谐振波长的移动区间。

所述的一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，其特征在于：所述宽带光源为SLD光源和ASE光源的任意一种。

本发明的原理在于：

本发明包括宽带光源、光纤耦合器、应变测量模块、光电探测器、信号处理模块。应变测量模块量程可调，其由应变测量底座、可调连杆、活动连杆、光纤光栅，弹簧，固定连杆，可调螺栓组成。活动连杆同底座采用铰接连接方式，可调连杆一端同活动连杆通过可调螺栓铰接连接，一端同固定连杆采用可调螺栓活动连接。弹簧连接活动连杆与固定连杆，光纤光栅穿过弹簧，两端固定在活动连杆固定连杆上。活动连杆、可调连杆上有一长方形孔洞，螺栓通过孔洞将两者铰接连接，通过松开连接固定连杆与可调连杆的可调螺栓，可以实现活动连杆、可调连杆两者不同位置的活动连接，从而实现光纤光栅应变测量范围的调节。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明应变测量装置量程可调，通过适当优化可实现大量程的应变检测，同时灵活方便，结构简单，原理清晰，容易实现。

附图说明

图1为本发明刻写系统装置示意图。

图2为应变测量模块。

图中附图标记含义为：101为宽带光源，102为光纤耦合器、103为光电探测器，104为信号处理模块，105为应变测量模块，1051为测量模块底座，1052为活动连杆，1053为可调连杆，1054为光纤光栅，1055为弹簧，1056为固定连杆，1057、1058可调螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，包括宽带光源101、光纤耦合器102、应变测量模块105、光电探测器103、信号处理模块104，应变测量模块105包括底座1051、固定连杆1056、活动连杆1052、可调连杆1053、光纤光栅1054、可调螺栓1057、1058，其中固定连杆1056一端固定连接于底座1051上，活动连杆1052一端铰接连接于底座1051上，可调连杆1053一端通过可调螺栓1058转动连接于固定连杆1056杆身，可调连杆1053另一端通过可调螺栓1057活动铰接连接于活动连杆1052杆身，光纤光栅1054两端分别固定连接于固定连杆1056另一端、活动连杆1052另一端；宽带光源101的出射光经光纤耦合器102馈送至应变测量模块105中的光纤光栅1054，经光纤光栅1054反射回光纤耦合器102，再由光纤耦合器102馈送至光电探测器103，由光电探测器103将光信号转换为电信号后送入信号处理模块104进行处理，通过松开可调螺栓1057、1058并转动可调连杆1053，以使可调连杆1053与活动连杆1052相对位置发生改变，进而调节应变测量量程，上述调节过程中保持光纤光栅1054预应变大小不变。

活动连杆1052杆身设有贯通活动连杆1052的长方形孔洞，可调连杆1053杆身靠近活动连杆1052位置设有贯通可调连杆1053的长方形孔洞，可调螺栓1057通过活动连杆1052、可调连杆1053的孔洞将活动连杆1052、可调连杆1053活动铰接连接。

应变测量模块105还包括弹簧1055，弹簧1055两端分别固定连接于固定连杆1056另一端、活动连杆1052另一端，光纤光栅1054从弹簧1055中间穿过，且光纤光栅处于预拉紧状态。

本发明包括：宽带光源101，用于产生具有一定光谱带宽的光信号；光纤耦合器102，用于光信号耦合及分束；应变测量模块105对应变进行测量，其可以反射输入光；光电探测器103用于将光信号转换为电信号；信号处理模块104，实现数据处理和显示。宽带光源101、光纤耦合器102、应变测量模块105以及带尾纤的光电探测器104用光纤熔接机熔接在一起。

宽带光源101可以是SLD光源和ASE光源的一种，宽带光源的光谱范围可根据应变测量模块105中的光纤光栅1054的谐振波长来选择，要求宽带光源101的光谱范围能够覆盖光纤光栅1054的谐振波长；且当外界测量应变在一定范围变化时，宽带光源101的光谱范围仍然能够覆盖光纤光栅1054的谐振波长的移动区间。

应变测量模块105由应变测量底座1051、可调连杆1053、活动连杆1052、光纤光栅1054，弹簧1055，固定连杆1056，可调螺栓1057、1058组成。光纤光栅1054作为传感原件，其可以反射输入光波，满足谐振条件：λ＝n₀·Λ，其中λ是反射波长，n₀是反射波长λ对应的有效折射率，Λ是刻写的光纤光栅的周期。

本发明工作过程如下：应变测量模块105底座1051安装于待测应变处，固定连杆1056固定于底座1051上，当待测物体发生应变时应变传递给底座1051，固定连杆1056跟随底座发生横向位移，活动连杆1052同底座1051铰接连接处发生横向移动，由于活动连杆1052通过可调连杆1053同固定连杆1053联系在一起，且可调连杆1053一端通过可调螺栓1058同固定连杆1056固定连接，一端同活动连杆1052通过可调螺栓1057铰接连接，通过调节可调螺栓1057、1058使可调连杆1053、活动连杆1052连接点发生改变，即可调螺栓1057位置改变，进而实现传感器量程可调节目的，上述调节过程中光纤光栅1054预应变始终保持不变。当测量外界应变时，外界应变通过底座1051、活动连杆1052、可调连杆1053、可调螺栓1057、1058组成的杠杆装置传递给弹簧1055、光纤光栅1054，引起光纤光栅1054周期Λ改变，最终其谐振波长λ发生改变，通过光电探测器103将光纤光栅1054反射波长光信号转换为电信号，信号处理模块104，实现应变大小的显示。

下面具体讲解量程可调原理：假设固定连杆同底座连接点跟活动连杆同底座铰接连接点距离是l₀，活动连杆1052长度l₁，可调螺栓1057将活动连杆1052分成两部分，上半部分长度x，下半部分长度l₁-x。若待测物体应变为ε₁，则底座1051应变量也为ε₁，固定连杆1056、活动连杆1052两者底部位移差为ε₁l₀，弹簧1055、光纤光栅1054应变量ε₂为：

其中l₂是光纤光栅1054安装到应变测量模块105后的长度。最终由于应变引起光纤光栅1054谐振波长变化量分别为：

其中K_ε是光纤光栅应变响应系数。由(1)式可以看出，通过调节可调螺栓1057、1058改变x的大小，从而实现光纤光栅应变测量的调节。

本发明的创新之处在于：

本装置结构简单，可以实现应变测量范围的调节，灵活方便，容易实现；稳定性高。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，但应当理解，在不背离由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化、替换及改造。此外，不意味着本申请的范围限于说明书中描述的工艺、设备、制造、以及物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域技术人员从本发明的公开内容将很容易意识到那些现在存在的或以后发现的工艺、设备、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其与这里描述的根据本发明相应实施所使用的完成基本上相同的功能或达到基本上相同的结果。因此，期望所附的权利要求将这样的工艺、设备、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在它们的范围内。

Claims (6)

1.一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，包括宽带光源、光纤耦合器、应变测量模块、光电探测器、信号处理模块，其特征在于：所述应变测量模块包括底座、固定连杆、活动连杆、可调连杆、光纤光栅、可调螺栓，其中固定连杆一端固定连接于底座上，活动连杆一端铰接连接于底座上，可调连杆一端通过可调螺栓连接于固定连杆杆身，可调连杆另一端通过可调螺栓活动铰接连接于活动连杆杆身，光纤光栅两端分别固定连接于固定连杆另一端、活动连杆另一端；所述宽带光源的出射光经光纤耦合器馈送至应变测量模块中的光纤光栅，经光纤光栅反射回光纤耦合器，再由光纤耦合器馈送至光电探测器，由光电探测器将光信号转换为电信号后送入信号处理模块进行处理，通过松开可调螺栓并转动活动连杆，以使可调连杆与活动连杆铰接连接位置发生改变，进而调节应变测量量程，调节过程中光纤光栅应变保持不变。

2.根据权利要求1所述的一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，其特征在于：所述活动连杆杆身设有贯通活动连杆的长方形孔洞，可调连杆杆身靠近活动连杆位置设有贯通可调连杆的长方形孔洞，可调螺栓通过活动连杆、可调连杆的孔洞将活动连杆、可调连杆活动铰接连接。

3.根据权利要求1所述的一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，其特征在于：所述活动连杆一端通过可调螺栓连接固定连杆，活动螺栓松开后，可调连杆可绕活动螺栓转动。

4.根据权利要求1所述的一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，其特征在于：所述应变测量模块还包括弹簧，弹簧两端分别固定连接于固定连杆另一端、活动连杆另一端，光纤光栅从弹簧中间穿过，且光纤光栅处于预拉紧状态。

5.根据权利要求1所述的一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，其特征在于：所述宽带光源的光谱范围根据应变测量模块中光纤光栅的谐振波长来选择，要求宽带光源的光谱范围能够覆盖光纤光栅的谐振波长，且当外界测量应变在一定范围变化时，宽带光源的光谱范围仍然能够覆盖光纤光栅的谐振波长的移动区间。

6.根据权利要求4所述的一种量程可调的光纤光栅应变测量装置，其特征在于：所述宽带光源为SLD光源和ASE光源的任意一种。