CN111103050B - 基于聚合物的光纤光栅振动传感器 - Google Patents

基于聚合物的光纤光栅振动传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于聚合物的光纤光栅振动传感器，包括：壳体，内部中空，上下两端设有通孔；聚合物弹性体，包括：主体部，和形成在主体部上下两端、并且对应安装在壳体的两个通孔中的上下两个安装端，主体部关于中性面两侧对称，横截面均为圆形，并且中性面处截面直径最大，离中性面越远截面直径越小；光纤光栅部，包括：封装在聚合物弹性体的内部、沿着聚合物弹性体中轴线延伸并从两个安装端贯穿伸出的第一光纤光栅，和安装在聚合物弹性体中、沿着与主体部外表面相同弧度的弧线方向延伸、并从两个安装端贯穿伸出的第二与第三光纤光栅，第二与第三光纤光栅间隔一定距离；以及质量环，环绕聚合物弹性体设置，并且内壁固定在聚合物弹性体的中部。

Description

基于聚合物的光纤光栅振动传感器
技术领域
本发明涉及隧道工程领域，具体涉及基于聚合物的光纤光栅振动传感器。
背景技术
振动监测技术在机械系统运行监测、航空航天、油气探测等领域得到了广泛应用。在通常情况下，振动信号通过加速度传感器来获取。与传统的电学式加速度传感器相比，光纤光栅加速度传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、容易实现分布式网络传感等特点，能适应较为复杂的工况环境，是光纤传感领域的重要研究方向之一。
光纤光栅的直接感知量为应变和温度，光纤光栅加速度传感器的设计需要实现振动加速度向光栅应变的转换。目前所采用的方法有两种：一是设计转换弹性体，光纤光栅悬空布置或者粘贴在等应变弹性体表面。由于所设计的弹性体主要采用金属材料，考虑到加工问题，其结构设计性较低，导致传感器的整体体积和重量往往较大；二是直接利用光纤光栅作为弹性体，为了避免光纤光栅产生啁啾，质量块与光纤连接两端通常会保留一定的长度，致使传感器最后的封装尺寸过大。由于存在体积大和重量重的问题，光纤光栅加速度传感器在工程上的应用受到了较大的限制。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于聚合物的光纤光栅振动传感器，能够在有效避免啁啾现象的前提下，极大地减小体积，得到毫米级别的传感器。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案。
本发明提供一种基于聚合物的光纤光栅振动传感器，其特征在于，包括：壳体，内部中空，上下两端的中部都设有通孔；聚合物弹性体，包括：主体部，和形成在主体部上下两端、并且对应安装在壳体的两个通孔中的上下两个安装端，主体部关于中性面两侧对称，横截面均为圆形，并且中性面处截面直径最大，离中性面越远截面直径越小；光纤光栅部，包括：封装在聚合物弹性体的内部、沿着聚合物弹性体中轴线延伸并从上下两个安装端贯穿伸出的第一光纤光栅，和安装在聚合物弹性体中、沿着与主体部外表面相同弧度的弧线方向延伸、并从两个安装端贯穿伸出的第二光纤光栅与第三光纤光栅，第二光纤光栅与第三光纤光栅间隔一定距离；以及质量环，为中空环状结构，环绕聚合物弹性体设置，并且内壁固定在聚合物弹性体的中部，保证质量环与聚合物弹性体同步运动。
优选地，本发明所涉及的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，还可以具有这样的特征：主体部位于中性面任意一侧的外表面形状应满足以下公式：
Figure BDA0002338207750000021
式中，是以距离中性面最远处的截面的中心作为原点，以中轴线方向作为z轴，z表示轴线方向上到原点的距离，dz为z处截面的直径，D为z＝L/2处截面的直径，L为主体部的长度。
优选地，本发明所涉及的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，还可以具有这样的特征：主体部和上下两个安装端为一体形成。
优选地，本发明所涉及的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，还可以具有这样的特征：聚合物弹性体所采用的材料为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂、聚酰亚胺等弹性模量小，并且具有线弹性的高分子材料，固化成型方式可以为热固化、紫外光固化、固化剂固化等。
优选地，本发明所涉及的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，还可以具有这样的特征：主体部的外表面上设有两条与主体部外表面相同弧度方向延伸的凹槽，第二光纤光栅与第三光纤光栅分别安装在两条凹槽中。安装方式可以为机械连接，胶接，激光固化等。
优选地，本发明所涉及的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，还可以具有这样的特征：在主体部内靠近外表面处，设有两条与主体部外表面相同弧度方向延伸的通道，第二光纤光栅与第三光纤光栅分别安装在两条通道中。
优选地，本发明所涉及的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，还可以具有这样的特征：质量环为圆环形对称结构，对称面为高度1/2位置处的横截面，在对称面任意一侧的纵向截面均为等腰梯形，并且越靠近对称面内径约窄，质量环仅内壁固定在聚合物弹性体的中部，其余表面均与外界无连接或接触关系。
优选地，本发明所涉及的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，还可以具有这样的特征：质量环的高度不超过主体部高度的1/2。
优选地，本发明所涉及的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，还可以具有这样的特征：壳体包括：中空的圆筒部，和可拆卸地设置在圆筒部上的端盖。
优选地，本发明所涉及的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，还可以具有这样的特征：第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅均采用包层直径为60um～125um的光纤。
发明的作用与效果
本发明所提供的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，采用聚合物来作为传感器的弹性体，并且第一光纤光栅完全封装在聚合物弹性体内部，与聚合物弹性体的中轴线重合，第二光纤光栅和第三光纤光栅设置在聚合物弹性体中，沿着与主体部外表面相同弧度的弧线方向延伸，质量环，环绕聚合物弹性体设置，并且内壁固定在聚合物弹性体的中部，这样当聚合物弹性体发生变形时，既可以火获得度补偿的效果，而且基于光栅的中心波长的变化量，可以得到激励加速度的方向和大小，并且整个结构简单、质轻、具有很好的设计性和可加工性。特别是，由于聚合物弹性体的弹性模量较小，因此即使采用本发明这样的小体积并且中空、质轻的质量环，聚合物弹性体也能产生较大的变形；而且，本发明所提供的传感器中，质量环和聚合物弹性体都不额外占用高度空间，壳体内部空间的高度等于第一光纤光栅的长度，当采用长度为8～10mm的第一光纤光栅时，传感器的最大外径为6～8mm，长度为10～12mm。
附图说明
图1是本发明实施例中涉及的基于聚合物的光纤光栅振动传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例中涉及的基于聚合物的光纤光栅振动传感器的部分结构示意图，其中(a)为侧视图，(b)为纵向剖视图，(c)为横截面图；
图3是本发明实施例中涉及的质量环的俯视图(a)和纵向剖视图(b)；
图4是本发明变形例中涉及的基于聚合物的光纤光栅振动传感器的结构示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的基于聚合物的光纤光栅振动传感器作详细阐述。
<实施例>
如图1所示，基于聚合物的光纤光栅振动传感器10包括壳体11、聚合物弹性体12、光纤光栅部13以及质量环14。
壳体11包括圆筒部111、端盖112和两个安装用的通孔。圆筒部111为中空结构；端盖112可拆卸地设置在圆筒部111的底部开口上；两个通孔分别设置在圆筒部111的顶部和端盖112的中间位置处。
如图1和2所示，聚合物弹性体12包括主体部121和两个安装端122，并且主体部121和上下两个安装端122为一体形成。
主体部121关于中性面两侧对称，横截面均为圆形，并且中性面处截面直径最大，离中性面越远则截面直径越小，每侧截面圆的直径随其位置的立方根而变化，具体地，主体部121位于中性面任意一侧的外表面形状应满足以下公式：
Figure BDA0002338207750000051
式中，是以距离中性面最远处的截面的中心作为原点O，以中轴线方向作为z轴，z表示轴线方向上到原点的距离，dz为z处截面的直径，D为z＝L/2处截面的直径，L为主体部121的长度。
本实施例中，主体部121的外表面上还设有两条与主体部121外表面相同弧度方向延伸的凹槽123，并且两个凹槽123成90°夹角。
两个安装端122形成在主体部121的上下两端，并且对应安装在壳体11的上下两个通孔中，将主体部121固定安装在壳体11中。
光纤光栅部13包括第一光纤光栅131、第二光纤光栅132和第三光纤光栅133。第一光纤光栅131封装在聚合物弹性体12的内部，并且沿着聚合物弹性体12中轴线延伸，上下两端从上下两个安装端122中贯穿伸出。第二光纤光栅132与第三光纤光栅133安装在聚合物弹性体12中，间隔一定距离，并且两者均沿着与主体部121外表面相同弧度的弧线方向延伸，并且每根光纤光栅的两端都分别从两个安装端122贯穿伸出。本实施例中，第二光纤光栅132与第三光纤光栅133均采用包层直径为60um～125um的光纤，并且分别固定安装在两条凹槽123中，当聚合物弹性体12发生变形时，光纤光栅随之被拉伸或者压缩。
如图1和3所示，质量环14为中空环状结构，环绕聚合物弹性体12设置，并且内壁固定在聚合物弹性体12的中部。具体地，如图3所示质量环14为圆环形对称结构，对称面为高度1/2位置处的横截面，在对称面任意一侧的纵向截面均为等腰梯形，并且越靠近对称面内径约窄；质量环14仅内壁固定在聚合物弹性体12的中部，其余表面均与外界无任何连接或接触关系。本实施例中，质量环14的外径为2mm，最小内径(中部)为0.05mm。
本实施例中，采用的第一光纤光栅131为长度为8mm的光纤光栅，整个光纤光栅振动传感器10的尺寸为φ6×10mm(外径×高度)。
以上是本实施例所提供的光纤光栅振动传感器10的具体结构，下面对其功能进行说明：
如图2所示，在yoz平面内，当主体部121中间受到集中力作用时，其每侧任意截面处所受的应力如下：
Figure BDA0002338207750000071
Figure BDA0002338207750000072
Figure BDA0002338207750000073
式中，σz、Mz和Sz分别为距离每侧端部z处的最大应力，弯矩以及截面模量。P为集中力，L为主体部121的长度，dz为z处的截面圆直径。
将式(2)和式(3)代入式(1)中，可得到
Figure BDA0002338207750000074
则在最大直径截面z＝L/2处，应力为：
Figure BDA0002338207750000075
D为z＝L/2处截面圆的直径，σL/2为z＝L/2处的最大应力。
若使主体部121的各个截面处的应力相等，则有：
Figure BDA0002338207750000076
因此，当主体部121的每侧截面圆的直径随其轴线长度的立方根而变化，在中间受集中力的作用下，中间变形柱体所受的应力式沿轴线均匀分布，则封装在其内部的光纤光栅的应变也是均匀的，从而可以避免产生啁啾现象。
对于激振加速度方向以及光纤光栅振动传感器10的灵敏度的推导过程如下：
在xoy平面内，施加一个与x轴成θv的振动加速度av，则聚合物弹性体122在力的作用下发生变形，位于聚合物弹性体12表面的第二光纤光栅132与第三光纤光栅133会产生应变，从而引起光栅的中心波长漂移，中心波长的漂移量Δλ与应变ε的关系为：
Δλi＝(1-pe)λiεi (7)
Δλi为第i光纤光栅的波长漂移量，pe为弹光系数，λi为第i光纤光栅的中心波长，εi为第i光纤光栅的应变。
Figure BDA0002338207750000081
θi为第i光纤光栅与x轴的夹角，dz为z处的截面圆直径，Rz为主体部121在z处的由振动引起的弯曲半径。
联立式7和式8可得第二光纤光栅132和第三光纤光栅133中心波长的漂移量和应变的关系：
Figure BDA0002338207750000082
Figure BDA0002338207750000083
由式9和式10可得，振动加速度与x轴的夹角为：
Figure BDA0002338207750000084
由于传感器受到激振加速度为av，根据式(4)、(6)、(7)和(8)可得，第二光纤光栅132和第三光纤光栅133的波长漂移量为：
Figure BDA0002338207750000091
m为质量环14的质量，E为聚合物弹性体12的刚度。
则光纤光栅振动传感器10的零敏度S为：
Figure BDA0002338207750000092
在光纤光栅振动传感器10设计完成后，θi、λi、m、E、pe、L、D均为已知量，通过测量光纤光栅的中心波长漂移量Δλi，结合式(11)可以得到激振加速度av的方向，进一步结合式(13)可以得到激振加速度av的大小。
光纤光栅振动传感器100的具体使用方法为：首先，把第一光纤光栅131、第二光纤光栅132和第三光纤光栅133伸出的端部与解调仪的转接线相连；然后，把传感器直接固定在被测物体上，进行测试；测试完成后，基于式(11)得到激振加速度av的方向，基于式(13)得到激振加速度av的大小。
<变形例>
如图4所示，在本变形例中，是在光纤光栅振动传感器100的主体部1021内靠近外表面处，开设两条与主体部121外表面相同弧度方向延伸的通道，然后将第二光纤光栅132与第三光纤光栅133分别安装在两条通道中，第二光纤光栅132与第三光纤光栅133也封装在主体部1021内，其余结构均与实施例中相同，本变形例所提供的光纤光栅振动传感器100的功能、尺寸都与实施例中相同。
以上实施例和变形例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于聚合物的光纤光栅振动传感器并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于聚合物的光纤光栅振动传感器，其特征在于，包括：
壳体，内部中空，上下两端的中部都设有通孔；
聚合物弹性体，包括：主体部，和形成在所述主体部上下两端、并且对应安装在所述壳体的两个所述通孔中的上下两个安装端，所述主体部关于中性面两侧对称，横截面均为圆形，并且中性面处截面直径最大，离中性面越远截面直径越小；所述主体部和上下两个所述安装端为一体形成；
光纤光栅部，包括：封装在所述聚合物弹性体的内部、沿着所述聚合物弹性体中轴线延伸并从上下两个所述安装端贯穿伸出的第一光纤光栅，和安装在所述聚合物弹性体中、沿着与所述主体部外表面相同弧度的弧线方向延伸、并从两个所述安装端贯穿伸出的第二光纤光栅与第三光纤光栅，所述第二光纤光栅与第三光纤光栅间隔一定距离；以及
质量环，为中空环状结构，环绕所述聚合物弹性体设置，并且内壁固定在所述聚合物弹性体的中部，
其中，所述主体部位于中性面任意一侧的外表面形状应满足以下公式：
Figure FDA0002924697200000011
式中，是以距离中性面最远处的截面的中心作为原点，以中轴线方向作为z轴，z表示轴线方向上到原点的距离，dz为z处截面的直径，D为z＝L/2处截面的直径，L为所述主体部的长度。
2.根据权利要求1所述的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，其特征在于：
其中，所述聚合物弹性体所采用的材料为具有线弹性的高分子材料。
3.根据权利要求1所述的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，其特征在于：
其中，所述主体部的外表面上设有两条与所述主体部外表面相同弧度方向延伸的凹槽，所述第二光纤光栅与第三光纤光栅分别安装在两条所述凹槽中。
4.根据权利要求1所述的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，其特征在于：
其中，在所述主体部内靠近外表面处，设有两条与所述主体部外表面相同弧度方向延伸的通道，所述第二光纤光栅与第三光纤光栅分别安装在两条所述通道中。
5.根据权利要求1所述的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，其特征在于：
其中，所述质量环为圆环形对称结构，对称面为高度1/2位置处的横截面，在对称面任意一侧的纵向截面均为等腰梯形，并且越靠近对称面内径约窄，
所述质量环仅内壁固定在所述聚合物弹性体的中部，其余表面均与外界无连接或接触关系。
6.根据权利要求1所述的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，其特征在于：
其中，所述质量环的高度不超过所述主体部高度的1/2。
7.根据权利要求1所述的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，其特征在于：
其中，所述壳体包括：中空的圆筒部，和可拆卸地设置在所述圆筒部上的端盖。
8.根据权利要求1所述的基于聚合物的光纤光栅振动传感器，其特征在于：
其中，所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅均采用包层直径为60um～125um的光纤。
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