CN112240751A - 一种多维光纤光栅应变传感器及其制作方法 - Google Patents

一种多维光纤光栅应变传感器及其制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112240751A
CN112240751A CN201910641058.7A CN201910641058A CN112240751A CN 112240751 A CN112240751 A CN 112240751A CN 201910641058 A CN201910641058 A CN 201910641058A CN 112240751 A CN112240751 A CN 112240751A
Authority
CN
China
Prior art keywords
groove
cylinder
spiral groove
degrees
strain sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910641058.7A
Other languages
English (en)
Inventor
张东生
张梦凡
李立彤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University of Technology WUT
Original Assignee
Wuhan University of Technology WUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University of Technology WUT filed Critical Wuhan University of Technology WUT
Priority to CN201910641058.7A priority Critical patent/CN112240751A/zh
Publication of CN112240751A publication Critical patent/CN112240751A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/165—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by means of a grating deformed by the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

本发明公开了一种多维光纤光栅应变传感器及其制作方法，在圆筒表面刻有14条凹槽，其中，有三条凹槽沿圆筒轴向互成120°角，螺线形凹槽一和螺线形凹槽二分别按顺时针和逆时针两个方向在圆筒上缠绕，螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的起点与凹槽二的起点重合，通过螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的每个交叉点有横向直线槽环绕在圆筒表面。按照本发明提出方法缠绕后，9个光纤光栅分处在圆筒的0°、120°和240°三个方位角的位置上，每个方位上有三个光纤光栅组成应变花。本发明主要应用于岩体内部多个方向的应力监测，大大提高了传感器的检测范围与效果。

Description

一种多维光纤光栅应变传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种多维光纤光栅应变传感器及其制作方法。
背景技术
光纤光栅传感器具有耐腐蚀，抗地下水和电磁干扰，不受信号强弱和衰减的影响，具有大规模，网络化，远程，长久检测的技术特点。同时可以应用在矿山，水电，交通等地下隧洞和边坡岩体工程多维扰动应力检测。如应用岩体工程中，由于岩石工程所赋存的地质环境和应力条件复杂,大规模工程建设过程中发生的塌方,滑坡和岩爆灾害是严重影响工程施工安全和运行的最关键因素,工程失事常造成施工设备损坏和重大人员伤亡事故。所以有效的传感器可以精确的反应出岩体中应力的变化，从而进行控制与预测。由于一些单一的传感器，测量范围小，精度不高，所以不能有效地反应出岩体中应力的变化。有的光纤光栅传感器需要直接粘贴在被测物体上，这对被测物体的表面要求高，而且传感器不能被重复应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种多维光纤光栅应变传感器及其制作方法，可以精确复杂反应环境中的应力变化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种多维光纤光栅应变传感器，带有9个中心波长不同的光纤光栅的光纤，在圆筒表面凹槽中缠绕，形成在圆筒0°、120°和240°三个方位角位置上的三个应变花，形成用于9个不同方向应变测量的光纤光栅多维应变传感器。能够有效地对物体进行九个不同方向上应力的检测。
按上述技术方案，在圆筒表面刻有14条凹槽，其中，有三条直线凹槽，沿圆筒轴向互成120°角，分别为凹槽一、凹槽二(轴向直线槽)、凹槽三；螺线形凹槽一和螺线形凹槽二分别按顺时针和逆时针两个方向在圆筒上缠绕；通过螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的每个交叉点有横向直线槽环绕在圆筒表面。
按上述技术方案，圆筒表面14条凹槽的尺寸为深度0.3mm～1mm、宽度1mm～1.5mm。
按上述技术方案，螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的螺距分别约为半径的2.18倍和1.09倍，圆筒半径5.5cm选取的螺距是120mm和60mm。
按上述技术方案，螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的每个交叉点的横向直线槽共有9条，螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的起点与凹槽二的起点重合。凹槽起到保护和固定光纤光栅的作用。
本发明还提供一种多维光纤光栅应变传感器的制作方法，该方法包括以下步骤，步骤一：在圆筒表面刻有14条深度0.5mm、宽度1mm的凹槽，其中，有三条凹槽沿圆筒轴向互成120°角，记为凹槽一、凹槽二、凹槽三；螺线形凹槽一和螺线形凹槽二分别按顺时针和逆时针两个方向在圆筒上缠绕，螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的起点与凹槽二的起点重合；通过螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的每个交叉点有横向直线槽环绕在圆筒表面；步骤二：在圆筒上标注9个传感器的位置，形成在圆筒0°、120°和240°三个方位角位置上的三个应变花，每个方位的应变花上由三个光纤光栅组成；步骤三：使用光纤进行缠绕，光纤弯折角度在120度到180度之间，沿着凹槽的120°角或是180°角进行绕纤；步骤四：然后胶封，钢管固定形成多维光纤光栅应变传感器。
按上述技术方案，螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的螺距分别为120mm和60mm。
本发明产生的有益效果是：用一根带有9个中心波长不同的光纤光栅的光纤，在圆筒表面凹槽中缠绕，形成在圆筒0°、120°和240°三个方位角位置上的三个应变花，制成用于9个不同方向应变测量的光纤光栅多维应变传感器。该传感器能够有效地对物体进行九个不同方向上应力的检测，按照本发明提出方法缠绕后可以保护光纤，减少光栅的损坏；光栅串的进出口是一端，便于观察与操作；一根光纤的上面带有九个光纤光栅，使得光栅串从一个出口传播信号，减少了操作步骤，也减少了整个系统的成本；能够有效实时地检测与分析，大大提高了传感器的检测范围与效果。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例中圆筒的三维平面分布示意图一；
图2为本发明实施例中圆筒的三维平面分布示意图二；
图3为本发明实施例中圆筒的三维平面分布示意图三；
图4为本发明实施例中圆筒的直线凹槽分布示意图；
图5为本发明实施例中D附近三个光栅的方向与位置；
图6为本发明实施例中E附近三个光栅的方向与位置；
图7为本发明实施例中F附近三个光栅的方向与位置；
图8为本发明实施例中一根光纤上九个光栅的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
如图1-图4所示，本发明实施例多维光纤光栅应变传感器中，带有9个中心波长不同的光纤光栅的光纤，在圆筒表面凹槽中缠绕，形成在圆筒0°、120°和240°三个方位角位置上的三个应变花，形成用于9个不同方向应变测量的光纤光栅多维应变传感器。能够有效地对物体进行九个不同方向上应力的检测。在圆筒表面刻有14条凹槽，其中，有三条直线凹槽，沿圆筒轴向互成120°角，分别为凹槽一10、凹槽二11(轴向直线槽)、凹槽三12；螺线形凹槽一13和螺线形凹槽二14分别按顺时针和逆时针两个方向在圆筒上缠绕，螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的起点与凹槽二11的起点重合；通过螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的每个交叉点有横向直线槽环绕在圆筒表面。圆筒表面14条凹槽的尺寸为深度0.5mm、宽度1mm。螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的螺距分别为120mm和60mm。螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的每个交叉点的横向直线槽共有9条，从前至后依次为1-9。凹槽起到保护和固定光纤光栅的作用。
实施例二：
提供一种多维光纤光栅应变传感器的方法，该方法包括以下步骤，步骤一：在圆筒表面刻有14条深度0.5mm、宽度1mm的凹槽，其中，有三条凹槽沿圆筒轴向互成120°角，记为凹槽一10、凹槽二11、凹槽三12；螺线形凹槽一13和螺线形凹槽二14分别按顺时针和逆时针两个方向在圆筒上缠绕，螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的起点与凹槽二11的起点重合；螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的螺距分别为120mm和60mm。通过螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的每个交叉点有横向直线槽环绕在圆筒表面；步骤二：在圆筒上标注9个传感器的位置，形成在圆筒0°、120°和240°三个方位角位置上的三个应变花，每个方位的应变花上由三个光纤光栅组成；步骤三：使用光纤进行缠绕，光纤弯折角度在120度到240度之间，沿着凹槽的120°角或是180°角进行绕纤；步骤四：然后胶封，钢管固定形成多维光纤光栅应变传感器。
在圆筒表面上，按顺时针和逆时针两个方向上刻制两个螺旋状凹槽，有三条轴向互成120°角分布直线凹槽，同时在通过两个螺旋凹槽的交叉点的横截面上环绕圆筒表面再刻制9条横向凹槽；一根刻写有9个光纤光栅的光栅串缠绕在圆筒表面的凹槽中。
两条螺旋线凹槽与轴向凹槽还有横向凹槽相交的点从上到下依次为A,B,C,D,E,F,G,H这8个交点,D交点附近的三个光纤光栅分别为传感器17、传感器18、传感器25；E交点附近的三个光纤光栅分别为19、20、23；F交点附近的三个光纤光栅传感器为21、22、24。轴向凹槽三12上有A,D,G这三个交点，轴向凹槽一10上有B,E,H这三个交点。凹槽二11上有C,F这两个交点。
本发明实施例中，光栅串具体的缠绕方法：
如图5-7所示，光栅串首先从轴向直线槽：凹槽二11开始向下到C交点，接着沿C交点的东南方向那个凹槽向D交点走，则D附近第一个传感器17标定；接着D交点东方向沿横4凹槽4走一圈，则D附近第二个传感器18标定；接着沿D交点的东南方向的凹槽向E交点走，则E附近第三个传感器19标定；接着E交点东方向沿横5凹槽5走一圈，则E附近第四个传感器20标定；接着沿D交点的东南方向的凹槽向F交点走，则F附近第五个传感器21标定；接着沿F交点的东方向横6凹槽6走一圈，则F附近第六个传感器22标定；接着沿F交点的东南方向的凹槽向G交点走，沿着G交点的东方向横7凹槽7走一圈，然后从G交点的东北方向的凹槽走到轴向凹槽一10，沿着轴向凹槽一10向上走到E交点，则E交点的第七个传感器23标定；接着沿轴向凹槽一10向上走到B交点，沿B交点的东北方向的凹槽走到A交点，再沿A交点的东方向横1凹槽1走一圈，从A交点的东南方向的凹槽经过B交点到C交点，然后沿着轴向凹槽二11到F交点，则F交点第八个传感器24标定；接着光纤沿着F交点的东南方向经过G然后到H交点，沿着H交点的东方向的横8凹槽8走一圈，从H交点的东北方向凹槽经过凹槽二11轴线然后到H交点上，沿着凹槽三12也就是H交点的正北方到D交点，则D交点附近的第九个传感器29标定，光纤最后沿着轴线凹槽11出去。
以上是光栅串的走向，因为光纤弯折角度不能过大，一般沿着凹槽120°角或是180°角走的，凹槽尽量让光纤走的次数少一些，在一根光栅串中光栅与光栅的距离不要太近，当然光纤在缠绕的过程中可能会凸起来，所以光纤每走一个转折处，将其固定。光栅串的分布如图8所示。
这种圆筒形的多维传感器的制作可以安装于隧洞内，应用于岩体内部多个方向的应力监测。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种多维光纤光栅应变传感器，其特征在于，带有9个中心波长不同的光纤光栅的光纤，在圆筒表面凹槽中缠绕，形成在圆筒0°、120°和240°三个方位角位置上的三个应变花，形成用于9个不同方向应变测量的光纤光栅多维应变传感器。
2.根据权利要求1所述的多维光纤光栅应变传感器，其特征在于，在圆筒表面刻有14条凹槽，其中，有三条直线凹槽，沿圆筒轴向互成120°角，分别为凹槽一、凹槽二、凹槽三；螺线形凹槽一和螺线形凹槽二分别按顺时针和逆时针两个方向在圆筒上缠绕；通过螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的每个交叉点有横向直线槽环绕在圆筒表面。
3.根据权利要求2所述的多维光纤光栅应变传感器，其特征在于，圆筒表面14条凹槽的尺寸为深度0.3mm～1mm、宽度1mm～1.5mm。
4.根据权利要求2或3所述的多维光纤光栅应变传感器，其特征在于，螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的螺距分别约为半径的2.18倍和1.09倍，圆筒半径5.5cm选取的螺距是120mm和60mm。
5.根据权利要求2或3所述的多维光纤光栅应变传感器，其特征在于，螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的每个交叉点的横向直线槽共有9条，螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的起点与凹槽二的起点重合。
6.一种制作权利要求1-5所述多维光纤光栅应变传感器的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一：在圆筒表面刻有14条深度0.5mm、宽度1mm的凹槽，其中，有三条凹槽沿圆筒轴向互成120°角，记为凹槽一、凹槽二、凹槽三；螺线形凹槽一和螺线形凹槽二分别按顺时针和逆时针两个方向在圆筒上缠绕，螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的起点与凹槽二的起点重合；通过螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的每个交叉点有横向直线槽环绕在圆筒表面；
步骤二：在圆筒上标注9个传感器的位置，形成在圆筒0°、120°和240°三个方位角位置上的三个应变花，每个方位的应变花上由三个光纤光栅组成；
步骤三：使用光纤进行缠绕，光纤弯折角度在120度到180度之间，沿着凹槽的120°角或是180°角进行绕纤；
步骤四：然后胶封，钢管固定形成多维光纤光栅应变传感器。
7.根据权利要求6所述的多维光纤光栅应变传感器的制作方法，其特征在于，螺线形凹槽一和螺线形凹槽二的螺距分别为120mm和60mm。
CN201910641058.7A 2019-07-16 2019-07-16 一种多维光纤光栅应变传感器及其制作方法 Pending CN112240751A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910641058.7A CN112240751A (zh) 2019-07-16 2019-07-16 一种多维光纤光栅应变传感器及其制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910641058.7A CN112240751A (zh) 2019-07-16 2019-07-16 一种多维光纤光栅应变传感器及其制作方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112240751A true CN112240751A (zh) 2021-01-19

Family

ID=74166821

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910641058.7A Pending CN112240751A (zh) 2019-07-16 2019-07-16 一种多维光纤光栅应变传感器及其制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112240751A (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110226070A1 (en) * 2008-09-23 2011-09-22 Antje Berendes Industrial roll with optical roll cover sensor system
CN102736096A (zh) * 2012-07-13 2012-10-17 中国石油集团长城钻探工程有限公司 一种增强型光纤核辐射传感器
CN104280167A (zh) * 2014-10-13 2015-01-14 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置
CN205138438U (zh) * 2015-11-10 2016-04-06 桂林理工大学 耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝
CN106610273A (zh) * 2016-12-08 2017-05-03 天津大学 基于螺旋光纤光栅传感器阵列的形状检测装置和方法
CN106643918A (zh) * 2017-03-15 2017-05-10 中国科学院武汉岩土力学研究所 基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置及系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110226070A1 (en) * 2008-09-23 2011-09-22 Antje Berendes Industrial roll with optical roll cover sensor system
CN102736096A (zh) * 2012-07-13 2012-10-17 中国石油集团长城钻探工程有限公司 一种增强型光纤核辐射传感器
CN104280167A (zh) * 2014-10-13 2015-01-14 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置
CN205138438U (zh) * 2015-11-10 2016-04-06 桂林理工大学 耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝
CN106610273A (zh) * 2016-12-08 2017-05-03 天津大学 基于螺旋光纤光栅传感器阵列的形状检测装置和方法
CN106643918A (zh) * 2017-03-15 2017-05-10 中国科学院武汉岩土力学研究所 基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101397903B (zh) 一种应用光纤光栅传感器监测套管周向应变的方法
CN105890537B (zh) 高拱坝变形监测的分布式光纤传感的技术方案及系统
CN101397904B (zh) 一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法
CN106524936B (zh) 一种隧道管棚变形监测方法
CN103669429B (zh) 基于fbg传感器的圆形实心混凝土桩桩身应变监测方法
CN202748010U (zh) 基于光纤光栅的路面结构应力应变计
CN104280167A (zh) 岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置
CN107131836A (zh) 一种同时测量内外位移场的滑坡监测传感器及其应用
CN201278199Y (zh) 基于光纤光栅的管道滑坡深部位移监测预警系统
CN103821507A (zh) 立井井壁变形分布式光纤检测方法
CN102345795A (zh) 一种采空塌陷区油气管道管土相对位移监测方法和系统
CN113483731A (zh) 一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统
CN109406528B (zh) 一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置及其温度补偿方法
CN112484656A (zh) 一种光纤式收敛计及其使用方法
CN204085751U (zh) 岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置
CN110608675B (zh) 基于光纤光栅传感技术的多点位移测试方法
CN203310382U (zh) 光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器
CN105387968A (zh) 光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器
CN107044828A (zh) 一种光纤光栅结构变形检测装置、网络与方法
CN201561828U (zh) 光纤光栅地质灾害监测仪
CN102809352A (zh) 一种光纤光栅应变传感器
CN113739705A (zh) 一种基于分段圆弧拼接算法的构件横向位移监测方法
CN110424362B (zh) 一种光纤式温度自补偿静力触探传感器
CN112240751A (zh) 一种多维光纤光栅应变传感器及其制作方法
CN102346012A (zh) 一种采空塌陷区油气管道管土相对位移监测方法和系统及系统的构建方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210119

RJ01 Rejection of invention patent application after publication