CN110514131B - 一种智能层式光纤光栅二维应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能层式光纤光栅二维应变传感器，包括刻在同一根保偏光删上的三个双重光纤光栅，所述保偏光删弯折呈等边三角形，三个双重光纤光栅分别布置在一边上，第一双重光纤光栅和第二双重光纤光栅均为应变测量光栅，第三双重光纤光栅为温度补偿光栅，且三个双重光纤光栅的中心波长不同；其中，三个双重光纤光栅和一根保偏光纤均被封装于封装膜内，在第三双重光纤光栅外设有有U型封装区，且U型封装区仅U型开口区域与封装膜连接。本发明的传感器在测量时可以表贴在不规则曲面表面进行应变测量，有效提高空间分辨率，使用时安装灵活，且由于其中一根光纤光栅为温度补偿光纤光栅因而能够实现温度补偿，环境适应性好。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感器技术领域，涉及一种智能层式光纤光栅二维应变传感器。
背景技术
随着光纤传感技术的日趋成熟，光纤光栅应变传感器已广泛应用于建筑桥梁，机械及电力等领域。相比如传统的电阻应变片传感器，光纤光栅应变传感器具有诸多优点，例如抗电磁干扰、电绝缘性能好、安全可靠、耐腐蚀、化学性能稳定、体积小、重量轻等。
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。目前基于光纤光栅的应变传感器件大多都只能用于一维应变测量，很少有适用于二维应变测量的光纤光栅应变传感器件。CN106767486A公布了一种光纤光栅二维应变增敏传感器及其封装方法，其结构为一个圆环上连接四个安装引脚，两根光纤光栅垂直分布，且两端固定在在圆环上。两个垂直固定的光纤光栅即可感知两个不同方向的应变，从而实现二维应变测量。但其体积大，安装不方便，只能测量规则平面的应变，且不能实现温度补偿。CN107218898A公布了一种表面二维应变检测的星形光纤光栅应变片，它是由星形金属弹性薄片基底和三个布拉格光栅组成的，同样是通过三个安装引脚与被测物体连接。但是，以上传感器只能测量规则的平面二维应变，不适用于小体积物体的表面形貌复杂的平面二维应变测量，而且没有温度补偿，不适用于温差大的环境。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种智能层式光纤光栅二维应变传感器，该传感器体积小，安装方便，可以测量小体积物体表面二维应变，且能够实现温度补偿、环境适应性好。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种智能层式光纤光栅二维应变传感器，包括刻在同一根保偏光纤上的三个双重光纤光栅，所述保偏光纤弯折呈等边三角形，三个双重光纤光栅分别布置在三角形的一边上，第一双重光纤光栅和第二双重光纤光栅均为应变测量光栅，第三双重光纤光栅为温度补偿光栅，且三个双重光纤光栅的中心波长不同；
其中，三个双重光纤光栅和一根保偏光纤均被封装于封装膜内，在第三双重光纤光栅外设有U型封装区，且U型封装区仅U型开口区域与封装膜连接。
优选地，第一双重光纤光栅、第二双重光纤光栅所在边均与第三双重光纤光栅所在边呈圆弧过渡。
优选地，U型封装区底面设置有一层可抽出的隔离层。
进一步优选地，封装膜为聚酰亚胺或水玻璃薄膜。
进一步优选地，所述保偏光纤为双折射保偏光纤。
进一步优选地，该智能层式光纤光栅二维应变传感器结构呈Y字型。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的智能层式光纤光栅二维应变传感器，将三个双重光纤光栅刻在同一根保偏光纤上，并将保偏光纤弯折形成等边三角形，能够有效减少传感器的体积，使其结构紧凑，能够测量小体积物体表面二维应变，测量时可以表贴在不规则曲面表面进行应变测量，有效提高空间分辨率，使用时安装灵活，且由于其中一根光纤光栅为温度补偿光纤光栅因而能够实现温度补偿，环境适应性好。
附图说明
图1为本发明的智能层式光纤光栅二维应变传感器的结构示意图；
图2为保偏光纤上刻的双重光纤光栅示意图；
图3为本发明的传感器工作原理分析图；其中，(a)为三个双重光纤光栅的应变状态关系图；(b)为双重光纤光栅对二维应变的传感原理图。
其中：1-第一双重光纤光栅；2-第二双重光纤光栅；3-第三双重光纤光栅；4-隔离层；5-封装膜；6-保偏光纤。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1和图2，一种智能层式光纤光栅二维应变传感器，包括1根弯折呈等边三角形的保偏光纤6，等边三角形的区域为传感器的工作区域，因此在该保偏光纤6的三条边上分别刻有一个双重光纤光栅，相邻两个双重光纤光栅互成60°夹角分布，且三个双重光纤光栅的中心波长不同；其中，第一双重光纤光栅1和第二双重光纤光栅2均为应变测量光栅，第三双重光纤光栅3为温度补偿光栅；三个双重光纤光栅和一根保偏光纤6均被封装于封装膜5内，在第三双重光纤光栅3外设有有U型封装区，且U型封装区仅U型开口区域与封装膜5连接；
封装膜5有两层，将上述保偏光纤6和三个双重光纤光栅经过热压工艺封装在其中，使得整体封装结构呈Y字形。
第一双重光纤光栅1、第二双重光纤光栅2所在边均与第三双重光纤光栅3所在边呈圆弧过渡，能够进一步减小三角形区域的面积，从而使结构稳定、紧凑。
U型封装区底面设置有一层可抽出的隔离层4，在传感器完全粘贴在被测物体后该隔离层4可以被抽出。
参见图3，图3中(a)为三个双重光纤光栅的应变状态关系图；(b)为双重光纤光栅对二维应变的传感原理图。使用时，智能层封装的传感器被粘贴在被测物体上，其中，第三双重光纤光栅3的区域与物体无直接接触。当物体产生变形时，第一双重光纤光栅1和第二双重光纤光栅2受到应力作用产生应变。光纤光栅的轴向应变ε1，ε3导致双重光纤光栅的两个反射光的中心波长整体发生漂移量为ΔλZⅠ，ΔλZⅡ。光纤光栅的横向应变ε2，ε4导致双重光纤光栅的两个反射光的中心波长之间的间距发生漂移量为ΔλhⅠ，ΔλhⅡ。被测物体或外界温度会引起第三双重光纤光栅3的反射光中心波长整体发生偏移量为ΔλZⅢ，两个反射光的中心波长之间的间距发生漂移量为ΔλhⅢ。波长漂移量与应变和温度的关系如式所示。
ΔλZI＝Kzεε1+KZTT
ΔλhI＝Khεε2+KhTT
ΔλZⅡ＝Kzεε3+KZTT
ΔλhⅡ＝Khεε4+KhTT
ΔλZⅢ＝KZTT，ΔλhⅢ＝KhTT
其中Kzε和Kzε分别为双重光纤光栅的轴向与横向应变灵敏系数，KZT和KhT分别为双重光纤光栅的轴向与横向温度灵敏系数。
以上6个方程5个未知数，联立求解即可得出ε1，ε2，ε3，ε4。被测物轴向应变εx，εy和切向应变γxy与ε1，ε2，ε3，ε4的关系如式所示。
其中εx，εy分别为x轴与y轴方向的应变，γxy为切应变。α1，α2，α3，α4分别为相应的应变方向与x轴的夹角，一旦传感器安装固定在物体表面各个夹角也已知。以上4个方程3个未知数，联立方程即可得出εx，εy及γxy。则被测物体的两个互相垂直方向的应变和剪切应变即可测量得出。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种智能层式光纤光栅二维应变传感器，其特征在于，包括刻在同一根保偏光纤(6)上的三个双重光纤光栅，所述保偏光纤(6)弯折呈等边三角形，三个双重光纤光栅分别布置在三角形的一边上，第一双重光纤光栅(1)和第二双重光纤光栅(2)均为应变测量光栅，第三双重光纤光栅(3)为温度补偿光栅，且三个双重光纤光栅的中心波长不同；
其中，三个双重光纤光栅和一根保偏光纤(6)均被封装于封装膜(5)内，在第三双重光纤光栅(3)外设有U型封装区，且U型封装区仅U型开口区域与封装膜(5)连接；
第一双重光纤光栅(1)、第二双重光纤光栅(2)所在边均与第三双重光纤光栅(3)所在边呈圆弧过渡；
U型封装区底面设置有一层可抽出的隔离层(4)。
2.根据权利要求1所述的智能层式光纤光栅二维应变传感器，其特征在于，封装膜(5)为聚酰亚胺或水玻璃薄膜。
3.根据权利要求1所述的智能层式光纤光栅二维应变传感器，其特征在于，所述保偏光纤(6)为双折射保偏光纤。
4.根据权利要求1所述的智能层式光纤光栅二维应变传感器，其特征在于，该智能层式光纤光栅二维应变传感器结构呈Y字型。
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