CN113155332A - 一种光纤光栅传感器应力测量增敏装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过应变增敏方式测量微小应变的光纤光栅监测装置及其方法。将一段光纤光栅粘接于两根加长臂的凹槽中，结构在两根悬臂梁之间产生的应变量通过刚性的加长臂施加在光纤光栅上增敏；串联的光纤光栅温度传感器补偿环境温度的影响；两根长臂梁通过直线轴承连接在一条直线上；光纤光栅选取短光栅提高增敏效率；使用螺栓改变加长臂与悬臂梁的相对位置，从而施与光纤光栅传感器预应力便于后期同时测量拉伸与压缩；增减敏系数可以根据加长臂的尺寸调节，满足不同的测量需求。

Description

一种光纤光栅传感器应力测量增敏装置及其制造方法
技术领域
本发明属于光纤光栅传感技术领域，涉及一种用于测量微小应变的光纤光栅传感器增敏装置及其制造方法，以及使用所述装置测量增敏系数的方法。
背景技术
现阶段存在许多适用于各种商业，军事和工业市场的应变传感器技术。电阻应变计在过去是最广泛使用的，并且是目前最容易获得的技术。电阻应变计可提供多种配置，包括温度补偿有限和耐恶劣环境的配置。然而，电阻应变计的固有缺点，包括安装成本，复杂性，重量，长期测量漂移，电磁噪声敏感性以及电力需求的危害，都限制了其在某些领域的应用。
基于光纤技术的新型多种应变传感器，例如外部法布里-珀罗茨，在线光纤标准具，内部法布里珀罗特和布拉格光栅，都得到了广泛的开发。所有这些光学传感器通过应用施加在光纤传感器部位的应变可以改变能被光学仪器检测到的电磁光谱的原理测量待测结构的应变信息。这种光学传感器技术已经克服了电阻应变片和电气传输网络中存在的许多困难。
光纤传感器具有抗电磁干扰能力强、电气隔离性好、测量点多、连接光缆少、每测点的平均功耗体积小、可靠性高、长期稳定性好等优点，可以在强电磁环境条件下实现高精度的测量，可以构成多测点的温度、应变监测系统，可以在腐蚀、高低温、辐照等恶劣环境下长期稳定地工作，在航天器结构、载荷的温度、应变测试和监测中具有重要的应用前景。
限制光纤光栅应变传感器发展的关键是其较低的灵敏度无法满足某些特殊应用的需求。目前已有的增敏技术结构较为复杂，实际增敏系数与理论值相差较大，难以实现工程应用。
发明目的
本发明的目的是提供一种光纤光栅传感器应力测量增敏装置及其制造方法，以及使用所述装置测量增敏系数的方法。使用该增敏装置不仅可有效地提高了光纤光栅传感器的灵敏度，而且可以保护光纤光栅传感器，其增敏系数可以根据封装材料的尺寸制定，以满足实际工程的测量需求，应用于应变量程小，测量精度要求高的监测测试中。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种光纤光栅传感器应力测量增敏装置，该装置包括：
两副应变增敏的夹持装置，两根刚性悬臂梁，粘接于所述刚性悬臂梁上的光纤光栅传感器，一个悬臂梁定位装置，固定支座；
所述两副应变增敏的夹持装置包括两个半圆式夹块和多个夹块固定螺栓，其中一个应变增敏的夹持装置由两个夹块固定螺栓加钢结构胶紧固于所述两根刚性悬臂梁的一端，另一个应变增敏的夹持装置由两个夹块固定螺栓自由固定在所述两根刚性悬臂梁的另一端上；
所述两根刚性悬臂梁通过旋转螺栓预紧与所述光纤光栅传感器粘接，两根刚性悬臂梁使用夹持部件以螺栓连接的方式固定在支座上。
优选地，所述刚性悬臂梁的材质为钢。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造上述光纤光栅传感器应力测量增敏装置的方法，包括以下步骤：
步骤1：将固定支座使用植筋工艺打孔埋入待测结构内部；
步骤2：将两根刚性悬臂梁使用夹持部件以螺栓连接的方式固定在支座上，将光纤光栅传感器粘接于所述刚性悬臂梁两端，使栅区部分位于两根悬臂梁之间，且不与悬臂梁直接接触；
步骤3：在所述刚性悬臂梁一端的外侧使用环氧树脂胶粘接所述夹持部件，并使环氧树脂固化；在所述刚性悬臂梁的另一端的固定部位使用螺栓预紧光纤光栅传感器，并用环氧树脂胶固定，待胶固化后即完成封装。
根据本发明的另一个方面，提供了一种使用上述光纤光栅传感器应力测量增敏装置测量增敏系数的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将待测结构的两端分别固定在固定支座上；
步骤S2：对待测结构进行定量温度改变；
步骤S3：获取增敏装置光纤传感器应变温度测量结果；
步骤S4：对比测量结果获得增敏系数。
优选地，所述步骤S2进一步包括：假设待测结构的热膨胀系数为α1，刚性悬臂梁的热膨胀系数为α2，当温度发生变化时，刚性悬臂梁与测量结构均发生热膨胀，形成热错配，所述光纤光栅传感器的形变表征为由待测结构以及刚性悬臂梁膨胀共同强制带动的变化量；
设两个固定支座之间的距离为l1；光纤光栅传感器的长度，即两根刚性悬臂梁之间的距离为l2；待测结构产生ε1的应变，待测结构的温度变化为ΔT1，刚性悬臂梁的温度变化为ΔT2，忽略两幅应变增敏加持装置和光纤光栅传感器之间粘接剂的影响，相应的两幅应变增敏加持装置之间和光纤光栅的形变量Δl1和Δl2的表达式如式(1)、式(2)所示：
Δl1＝l1ε1+α1ΔT1l1 (1)，
Δl2＝l1ε1+a1ΔTl1-α2ΔT2(l1-l2) (2)。
优选地，所述步骤S3进一步包括：计算光纤光栅传感器以及待测结构的应变量ε′1、ε′2，如式(3)、(4)所示
Figure BDA0003027984810000031
Figure BDA0003027984810000032
优选地，所述步骤S4进一步包括：计算待测结构的增敏系数k，如式(5)所示：
Figure BDA0003027984810000033
进一步优选地，可通过改变所述刚性悬臂梁的长度来调整所述增敏装置的灵敏度系数。
附图说明
图1为本发明所述光纤光栅传感器应力测量增敏装置。
图2为本发明所述光纤光栅传感器应力测量增敏装置的侧视图。
图3为本发明所述光纤光栅传感器应力测量增敏装置的正视图。
图4为本发明所述光纤光栅传感器应力测量增敏装置的俯视图。
图5为本发明所述光纤光栅传感器应力测量增敏装置制作方法的步骤流程图。
图6为使用本发明所述光纤光栅传感器应力测量增敏装置的进行增敏系数标定的流程图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的具体实施方式，本领域技术人员应该明白，具体实施方式仅用于更详细的示例性阐述本发明，而不应视为对本发明保护范围的限定。
本法明所述的一种用于测量微小应变的光纤光栅传感器增敏装置及其制造方法的基本原理为通过改变光纤光栅结构的强度分布，使得光栅刻写部位形变大于装置两端形变，通过放大光栅刻写部位的应变从而增大光纤光栅传感器的灵敏度。
图1为本发明所述光纤光栅传感器应力测量增敏装置结构示意图，图2、图3、图4分别为所述光纤光栅传感器应力测量增敏装置的侧视图、正视图及俯视图。
根据本发明的一个具体实施例，所述光纤光栅传感器应力测量增敏装置主要包括:一支架,该支架包括左右支臂,该左右支臂为方向相反的L字形结构；一光纤光栅,该光纤光栅的两端通过夹持部件固定在支架的左右支臂上的端部。所述的光纤光栅夹持部件是采用螺栓连接的方式固定在支架的左右支臂的上端。正常情况下光栅长度为0.02米，算上两端留余光纤长度，光纤光栅传感器长度为0.05米。当增敏结构支架长度为0.25米时，增敏装置测量应变结果将是真实应变的5倍。一般情况下，光纤光栅传感器的最小测量应变变化为10με，使用装置进行应变测量时，传感器的最小测量应变变化可以降低至2με。
图5是所述光纤光栅传感器应力测量增敏装置制作方法的步骤流程图。所述支座方法包括以下步骤：
步骤1：将固定支座使用植筋工艺打孔埋入待测结构内部；
步骤2：将两根刚性悬臂梁使用夹持部件以螺栓连接的方式固定在支座上，将光纤光栅传感器粘接于所述刚性悬臂梁两端，使栅区部分位于两根悬臂梁之间，且不与悬臂梁直接接触；
步骤3：在所述刚性悬臂梁一端的外侧使用环氧树脂胶粘接所述夹持部件，并使环氧树脂固化；在所述刚性悬臂梁的另一端的固定部位使用螺栓预紧光纤光栅传感器，并用环氧树脂胶固定，待胶固化后即完成封装。
图6是使用所述光纤光栅传感器应力测量增敏装置的进行增敏系数标定的过程，主要包括以下步骤：
步骤S1：将待测结构的两端分别固定在固定支座上；
步骤S2：对待测结构进行定量温度改变；
步骤S3：获取增敏装置光纤传感器应变温度测量结果；
步骤S4：对比测量结果获得增敏系数。
在所述步骤2中，假设待测结构的热膨胀系数为α1，刚性悬臂梁的热膨胀系数为α2，当温度发生变化时，刚性悬臂梁与测量结构均发生热膨胀，形成热错配，所述光纤光栅传感器的形变表征为由待测结构以及刚性悬臂梁膨胀共同强制带动的变化量；
设两个固定支座之间的距离为l1；光纤光栅传感器的长度，即两根刚性悬臂梁之间的距离为l2；待测结构产生ε1的应变，待测结构的温度变化为ΔT1，刚性悬臂梁的温度变化为ΔT2，忽略两幅应变增敏加持装置和光纤光栅传感器之间粘接剂的影响，相应的两幅应变增敏加持装置之间和光纤光栅的形变量Δl1和Δl2的表达式如式(1)、式(2)所示：
Δl1＝l1ε1+α1ΔT1l1 (1)，
Δl2＝l1ε1+α1ΔTl1-α2ΔT2(l1-l2) (2)。
在所述步骤3中，计算光纤光栅传感器以及待测结构的应变量ε'1、ε'2，如式(3)、(4)所示：
Figure BDA0003027984810000061
Figure BDA0003027984810000062
在所述步骤4中，计算待测结构的增敏系数k，如式(5)所示：
Figure BDA0003027984810000063
由上可知，具体应用中，可通过改变所述刚性悬臂梁的长度来调整所述增敏装置的灵敏度系数。
有益技术效果：
本技术方案所公开的基于光纤光栅的增敏型应变传感监测装置，其安装工艺简单，造价低廉，且具备光纤光栅传感元件灵敏度高，体积小，抗电磁辐射等优点，可以根据待测结构应变的理论计算值，改变监测装置的灵敏度系数，以适应实际工程的需求。
本发明适用于结构发生微小应变使得长期在线和动态监测，通过安装在监测点处的光纤光栅传感器的应变监测结果，掌握结构健康状态等信息，实现无人值守远距离动态在线监测。本发明大大提升了光纤光栅传感器在微小应变变化下的测量精度，从而拓展了传感器的应用领域。

Claims (8)

1.一种光纤光栅传感器应力测量增敏装置，其特征在于，所述增敏装置包括：
两副应变增敏的夹持装置，两根刚性悬臂梁，粘接于所述刚性悬臂梁上的光纤光栅传感器，一个悬臂梁定位装置，固定支座；
所述两副应变增敏的夹持装置包括两个半圆式夹块和多个夹块固定螺栓，其中一个应变增敏的夹持装置由两个夹块固定螺栓加钢结构胶紧固于所述两根刚性悬臂梁的一端，另一个应变增敏的夹持装置由两个夹块固定螺栓自由固定在所述两根刚性悬臂梁的另一端上；
所述两根刚性悬臂梁通过旋转螺栓预紧与所述光纤光栅传感器粘接，两根刚性悬臂梁使用夹持部件以螺栓连接的方式固定在支座上。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅传感器应力测量增敏装置，其特征在于，所述两根刚性悬臂梁为两根方向相反的L字形结构支臂，材质为钢；所述光纤光栅传感器长度为0.05米。
3.一种制造根据权利要求1或2所述的光纤光栅传感器应力测量增敏装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将固定支座使用植筋工艺打孔埋入待测结构内部；
步骤2：将两根刚性悬臂梁使用夹持部件以螺栓连接的方式固定在支座上，将光纤光栅传感器粘接于所述刚性悬臂梁两端，使栅区部分位于两根悬臂梁之间，且不与悬臂梁直接接触；
步骤3：在所述刚性悬臂梁一端的外侧使用环氧树脂胶粘接所述夹持部件，并使环氧树脂固化；在所述刚性悬臂梁的另一端的固定部位使用螺栓预紧光纤光栅传感器，并用环氧树脂胶固定，待胶固化后即完成封装。
4.一种使用根据权利要求1或2所述的光纤光栅传感器应力测量增敏装置测量增敏系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将待测结构的两端分别固定在固定支座上；
步骤S2：对待测结构进行定量温度改变；
步骤S3:获取增敏装置光纤传感器应变温度测量结果；
步骤S4:对比测量结果获得增敏系数。
5.根据权利要求4所述的测量增敏系数的方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：
假设待测结构的热膨胀系数为α1，刚性悬臂梁的热膨胀系数为α2，当温度发生变化时，刚性悬臂梁与测量结构均发生热膨胀，形成热错配，所述光纤光栅传感器的形变表征为由待测结构以及刚性悬臂梁膨胀共同强制带动的变化量；
设两个固定支座之间的距离为l1；光纤光栅传感器的长度，即两根刚性悬臂梁之间的距离为l2；待测结构产生ε1的应变，待测结构的温度变化为ΔT1，刚性悬臂梁的温度变化为ΔT2，忽略两幅应变增敏加持装置和光纤光栅传感器之间粘接剂的影响，相应的两幅应变增敏加持装置之间和光纤光栅的形变量Δl1和Δl2的表达式如式(1)、式(2)所示：
Δl1＝l1ε1+α1ΔT1l1 (1)，
Δl2＝l1ε1+α1ΔTl1-α2ΔT2(l1-l2) (2)。
6.根据权利要求4所述的测量增敏系数的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：
计算光纤光栅传感器以及待测结构的应变量ε'1、ε'2，如式(3)、(4)所示：
Figure FDA0003027984800000031
Figure FDA0003027984800000032
7.根据权利要求4所述的测量增敏系数的方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：
计算待测结构的增敏系数k，如式(5)所示：
Figure FDA0003027984800000033
8.根据权利要求4-7任一所述的测量增敏系数的方法，其特征在于，可通过改变所述刚性悬臂梁的长度来调整所述增敏装置的灵敏度系数。
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