CN110530282A - 可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，述应变测量传感器包括圆形环状的传感器基底、沿所述传感器基底内周向内延伸形成的安装臂以及安装在所述安装臂上的应变传感光纤光栅，所述安装臂上开设有用于容纳所述应变传感光纤光栅的光纤安装槽，所述光纤安装槽上设置有用于固定所述应变传感光纤光栅的光纤固定点和光纤固定卡扣，所述传感器基底上开设有用于将所述应变测量传感器固定于被测件上的安装孔。本发明的可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，能够实现调节应变测量传感器的应变测量灵敏度，且采用按照不同方向布置的3根应变传感光纤光栅，可同时实现对测点处三个方向的应变测量，提高了传感器的测量准确度。

Description

可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器

技术领域

本发明属于传感器设计和应变测量技术领域，具体涉及一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器。

背景技术

光纤光栅是光纤纤芯内特定位置介质折射率成周期变化的一种光纤无源器件。通过测量光栅中心波长的变化，可以实现对温度、应变、压力等多参数的测量。

目前，光纤光栅应变测量传感器可以实现对被测件测点处单一方向的应变测量。当需要确定测点的主应力方向时，需要按照一定角度布置至少3个光纤光栅应变测量传感器，不仅安装费时费力，而且无法保证传感器的安装准确度。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，其能够实现对测点处三个方向的应变测量，并可以调节其测量的灵敏度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，所述应变测量传感器包括圆形环状的传感器基底、沿所述传感器基底内周向内延伸形成的安装臂以及安装在所述安装臂上的应变传感光纤光栅，所述安装臂上开设有用于容纳所述应变传感光纤光栅的光纤安装槽，所述光纤安装槽上设置有用于固定所述应变传感光纤光栅的光纤固定点和与光纤固定点匹配的光纤固定卡扣，所述传感器基底上开设有用于将所述应变测量传感器固定于被测件上的安装孔。安装臂和光纤安装槽均沿应变传感光纤光栅轴向方向延伸，通过调整应变传感光纤光栅固定在安装臂上的固定位置，从而实现调节应变测量传感器的应变测量灵敏度，简单方便快捷且不会影响到测量的准确性。且光纤安装槽为开放式的槽体，方便安装和固定应变传感光纤光栅。

优选地，所述安装臂沿所述传感器基底的直径方向布置，所述安装臂的一端固定在所述传感器基底上且与所述安装孔对应，所述安装臂的另一端向所述传感器基底的圆心方向延伸。

更加优选地，一对所述安装臂沿所述传感器基底的直径方向对称布置在传感器基底圆心的两侧。即一根应变传感光纤光栅对应两个安装臂，这两个安装臂沿传感器基底的一个直径方向，且对称设置于传感器基底的圆心。应变传感光纤光栅的栅区位于两个安装臂之间的区域。

优选地，三根所述应变传感光纤光栅分别以不同角度沿所述传感器基底的直径方向布置，用于测量测点处3个方向的应变，三根所述应变传感光纤光栅相交于所述传感器基底的圆心，圆心处即为传感器的测点处。在其他的一些实施例中，所述应变传感光纤光栅包括三根互成角度的应变传感光纤光栅，不同的是三根应变传感光纤光栅不沿传感器基底的直径方向布置，三根应变传感光纤光栅在传感器基底形成三角形的分布形式，三根应变传感光纤光栅之间具有三个交点。

在一些实施例中，所述应变传感光纤光栅包括0°方向应变传感光纤光栅以及对称设置于所述0°方向应变传感光纤光栅两侧且与0°方向应变传感光纤光栅呈45°夹角的+45°方向应变传感光纤光栅和-45°方向应变传感光纤光栅，所述0°方向应变传感光纤光栅、+45°方向应变传感光纤光栅和-45°方向应变传感光纤光栅的栅区位于所述传感器基底的中心。即采用3根应变传感光纤光栅按照0°、+45°、-45°方向布置，可同时实现对测点处0°方向、+45°方向和-45°方向的应变测量。同传统的电阻式应变花测量方法相比，该方法具有抗电磁干扰、测量稳定性高、耐腐蚀等优点，同时也解决了在测点处安装三个单轴向光纤光栅应变测量传感器存在的安装效率低和测量准确度差等缺点。

更加优选地，至少一个所述应变传感光纤光栅上串接有温度补偿光纤光栅，用于补偿温度变化带来的光栅波长漂移，消除了温度变化来的测量误差，使得测量的结果更加准确。温度补偿光纤光栅优选串接在应变传感光纤光栅位于光纤安装槽上的这一段，只对温度敏感，不感受应变带来的影响。

进一步优选地，所述温度补偿光纤光栅串接在所述0°方向应变传感光纤光栅的一端。

优选地，所述的0°方向应变传感光纤光栅、+45°方向应变传感光纤光栅和-45°方向应变传感光纤光栅在安装固定时需要对栅区部分进行一定程度的预拉伸，以保证可以实现对测点处的双向应变进行监测。光纤的固定位置为应变传感光纤光栅栅区外的光纤固定点，即传感光纤栅区外的两端通过所述安装臂上的光纤固定点进行安装固定。

优选地，每个所述安装臂上均匀分布有3个所述光纤固定点。光纤固定点之间等距离设置，可以通过调整应变传感光纤光栅固定在安装臂上的光纤固定点的位置，从而调节应变测量传感器的应变测量灵敏度。

优选地，所述传感器基底的侧面开设有供所述应变传感光纤光栅贯穿的光纤安装通孔。

更加优选地，所述安装孔均匀分布于所述传感器基底上，所述光纤安装通孔对应所述安装孔开设。圆形环状的传感器基底上均匀分布有8个圆形的安装孔，应变测量传感器通过该安装孔固定在被测件上，实现测点处的压缩及拉伸应变测量。且所述应变传感光纤光栅的栅区没有被粘接剂封装，消除了粘接剂对光纤光栅应变传递的影响，提高了传感器的测量精度。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，在圆形环状的传感器基底上设置安装臂，且安装臂上设置有多个用于固定应变传感光纤光栅的光纤固定点，通过调整应变传感光纤光栅固定在安装臂上的固定位置，从而实现调节应变测量传感器的应变测量灵敏度，简单方便快捷且不会影响到测量的准确性；且本发明采用按照不同方向布置的3根应变传感光纤光栅，可同时实现对测点处三个方向的应变测量，提高了传感器的测量准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例中可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器的主视图；

图2为本发明优选实施例传感器基底的立体图；

图3为本发明优选实施例应变传感光纤光栅灵敏度调节原理及温度带来的传感器应变测量误差分析示意图；

附图中：环状传感器基底-10，传感器安装孔-11，光纤安装通孔-12，0°方向应变传感光纤光栅-20，+45°方向应变传感光纤光栅-21，-45°方向应变传感光纤光栅-22，温度补偿光纤光栅-23，应变传感光纤光栅栅区-24，安装臂-30，光纤固定点-31，光纤安装槽-32。

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的技术方案，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。

参照附图1-3，本实施例的一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，包括环状传感器基底10、应变传感光纤光栅和安装臂30。

本实施例中应变传感光纤光栅包括0°方向应变传感光纤光栅20以及对称设置于所述0°方向应变传感光纤光栅的两侧且与0°方向应变传感光纤光栅呈45°夹角的+45°方向应变传感光纤光栅21和-45°方向应变传感光纤光栅22，3根互成一定角度的应变传感光纤光栅可以同时实现对测点处0°、+45°、-45°三个方向的应变测量。

0°方向应变传感光纤光栅20、+45°方向应变传感光纤光栅21和-45°方向应变传感光纤光栅22均沿环状传感器基底直径方向布置，温度补偿光纤光栅23串接在0°方向应变传感光纤光栅20的一端，用于补偿温度变化带来的光栅波长漂移。传感器基底10沿应变传感光纤轴向分别设置6个安装臂30，安装臂30的一端和传感器基底10连接，另一端为自由端。安装臂30沿应变传感光纤轴向开设有开放式的光纤安装槽32，光纤安装槽内等距离设置光纤固定点31，通过在光纤固定点31中设置与其配合的光纤固定卡扣(图中未示出)从而将应变传感光纤光栅固定在安装臂30上。本实施例中在圆形环状的传感器基底10上沿圆环均匀设置8个安装孔11，用于和被测试件固定。在传感器基底侧面，安装臂30对应位置开设有光纤安装通孔12。如图1-3所示，安装臂30的设置位置以及光纤安装通孔12的开设位置均与安装孔11对应。应变传感光纤光栅在安装时需要进行一定的预拉伸。

本实施例中在每个安装臂30上均匀分布有3个光纤固定点31。光纤固定点31之间等距离设置，可以通过调整应变传感光纤光栅固定在安装臂30上的固定位置，从而调节应变测量传感器的应变测量灵敏度。且本实施例中应变传感光纤光栅的固定位置为光栅栅区外的两端，应变传感光纤光栅的栅区没有被粘接剂封装，消除了粘接剂对光纤光栅应变传递的影响，提高了传感器的测量精度。在测点处的交点位置，三条应变传感光纤光栅有厚度方向上的叠加，可以通过校正进行修正。

本实施例的可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器可以实现传感器的应变灵敏度调节和温度补偿。具体如下：

传感器灵敏度调节：

可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器通过检测传感光纤光栅的反射波长实现对应变的测量，光纤光栅的反射波长λ_B满足布拉格公式λ_B＝2n_effΛ。其中，n_eff为光纤光栅的有效折射率，Λ为光栅周期。

以图3为例，当被测物体发生形变时，环状传感器基底上的安装孔11拉伸或压缩安装臂30，安装臂30通过光纤固定点31作用于+45°方向应变传感光纤光栅21，使其发生Δ_L的形变量。

则应变传感光纤光栅栅区24发生的形变量为：

那么应变传感光纤光栅栅区24受到的附加应变为：

根据应变测量传感器测得应变ε为：

由式(2)和式(3)可得，应变传感光纤光栅的中心波长漂移量为：

式(4)中，λ_B为应变传感光纤光栅的中心波长，满足布拉格公式λ_B＝2n_effΛ。其中，n_eff为光纤光栅的有效折射率，Λ为光栅周期。K_ε为应变响应系数，l_f为传感光纤光栅的栅区长度，l_s为安装臂30上光纤光栅固定点31到自由端的距离，l₂为环状传感器基底的安装孔10到光纤光栅固定点31的距离。

由以上推导可知，当传感器基底尺寸及应变传感光纤光栅的栅长确定时，通过改变l_s与l₂的比值调节传感器的应变测量灵敏度。即通过本实施例中的装置，可以通过调整应变传感光纤光栅固定在安装臂30上的固定位置，从而调节应变测量传感器的应变测量灵敏度。

参考图3所示，+45°方向应变传感光纤光栅21采用纯熔融石英布拉格光纤光栅，光栅的中心波长为1560nm，栅区长度为l_f＝5mm，安装臂长度为10mm，光纤光栅应变响应系数为K_ε＝0.784，则有：

(1)当光纤固定点在安装臂中点时，l₂＝l_s＝5mm，传感器应变灵敏度为1.31；

(2)当光纤固定点在靠近安装臂自由端1/4位置时，l₂＝7.5mm，l_s＝2.5mm，传感器应变灵敏度为1.96；

(3)当光纤固定点在靠近安装臂自由端3/4位置时，l₂＝2.5mm，l_s＝7.5mm，传感器应变灵敏度为0.98。

传感器温度补偿：

光纤光栅应变传感器仅受温度影响时，应变传感光纤光栅受温度影响带来的中心波长漂移量为：

Δλ_B,T＝λ_B*K_T*ΔT (5)

式(5)中，λ_B为应变传感光纤光栅的中心波长，ΔT为温度变化量，K_T为光纤光栅的温度响应系数。不考虑波导效应引起的光纤光栅波长的漂移，K_T＝∝+ζ，其中∝为光纤的线性膨胀系数，ζ为热光系数。

具体地，以图3为例，由于温度变化，安装臂30上的两个光纤固定点31相对向内膨胀了Δl₂，根据基底材料的热膨胀系数α₁和环状传感器基底安装孔11到光纤光栅固定点31的距离l₂，可以得到Δl₂的长度为：

Δl₂＝2*α₁*l₂*ΔT (6)

那么，应变传感光纤光栅的栅区形变量为：

则，根据式(6)和式(7)，应变传感光纤光栅的栅区受到的附加应变为：

进而，附加应变引起的应变传感光纤光栅中心波长的漂移量为：

根据式(5)和式(9)，可以得出：由于温度变化，应变传感光纤光栅波长的总漂移量为：

由于温度补偿光纤光栅23只受温度变化，不受基底形变的影响。因此，温度变化量ΔT可由温度补偿光纤光栅的波长漂移量求得，即：

式(11)中，Δλ_B,23为应变测量传感器上温度补偿光纤光栅23的波长漂移量。

根据式(10)和式(11)，可以求得应变测量传感器受温度补偿后的光纤光栅波长总漂移量Δλ_B。此时，得到的Δλ_B为测点处受到的结构应变所引起，与温度无关。

由于每个应变测量传感器包括3个应变传感光纤光栅(0°方向应变传感光纤光栅，+45°方向应变传感光纤光栅，-45°方向应变传感光纤光栅)，则可得到3个应变传感光纤光栅的波长漂移量分别为Δλ_B,0、Δλ_B,+45、Δλ_B,-45。

则，由式(4)可得测点处在0°方向、+45°方向和-45°方向的结构应变分别为：

其中，式(12)～(14)中，

测试时，保证0°方向光纤光栅与测点主变形方向一致，根据测量获得测点处三个方向(0°、+45°、-45°)的应变，测点的主应力计算公式为：

式(15)中，为某时刻测点处的最大主应力和最小主应力，E和μ分别为被测结构材料的弹性模量和泊松比。ε_-45、ε₀、ε₊₄₅分别为测点处-45°、0°和+45°的动态应变。

本发明通过安装臂上应变传感光纤光栅的不同固定位置，实现了传感器的灵敏度调节；本发明采用3根应变传感光纤光栅按一定角度布置，可同时实现对测点处三个方向的应变测量，提高了传感器的安装效率和测量准确度；本发明分析了温度变化对应变测量结果的影响，并通过温度补偿光纤光栅进行修正，消除了温度变化来的测量误差；本发明应变传感光纤光栅的固定位置为传感光纤栅区外的两端，光栅栅区没有被粘接剂封装，消除了粘接剂对光纤光栅应变传递的影响，提高了传感器的测量精度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，其特征在于，所述应变测量传感器包括圆形环状的传感器基底、沿所述传感器基底内周向内延伸形成的安装臂以及安装在所述安装臂上的应变传感光纤光栅，所述安装臂上开设有用于容纳所述应变传感光纤光栅的光纤安装槽，所述光纤安装槽上设置有用于固定所述应变传感光纤光栅的光纤固定点和光纤固定卡扣，所述传感器基底上开设有用于将所述应变测量传感器固定于被测件上的安装孔。

2.根据权利要求1所述的一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，其特征在于，所述安装臂沿所述传感器基底的直径方向布置，所述安装臂的一端固定在所述传感器基底上且与所述安装孔对应，所述安装臂的另一端向所述传感器基底的圆心方向延伸。

3.根据权利要求2所述的一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，其特征在于，一对所述安装臂沿所述传感器基底的直径方向对称布置在传感器基底圆心的两侧。

4.根据权利要求1所述的一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，其特征在于，三根所述应变传感光纤光栅分别以不同角度沿所述传感器基底的直径方向布置，三根所述应变传感光纤光栅相交于所述传感器基底的圆心。

5.根据权利要求4所述的一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，其特征在于，所述应变传感光纤光栅包括0°方向应变传感光纤光栅以及对称设置于所述0°方向应变传感光纤光栅两侧且与所述0°方向应变传感光纤呈45°夹角的+45°方向应变传感光纤光栅和-45°方向应变传感光纤光栅。

6.根据权利要求5所述的一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，其特征在于，至少一个所述应变传感光纤光栅上串接有温度补偿光纤光栅。

7.根据权利要求6所述的一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，其特征在于，所述温度补偿光纤光栅串接在所述0°方向应变传感光纤光栅的一端。

8.根据权利要求1所述的一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，其特征在于，每个所述安装臂上均匀分布有3个所述光纤固定点。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，其特征在于，所述传感器基底的侧面开设有供所述应变传感光纤光栅贯穿的光纤安装通孔。

10.根据权利要求9所述的一种可调节灵敏度的三轴型光纤光栅应变测量传感器，其特征在于，所述安装孔均匀分布于所述传感器基底上，所述光纤安装通孔对应所述安装孔开设。