CN113218319B - 光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置及其使用方法，包括钢制弹性基座，钢制弹性基座由切割缝分成受力区Ⅰ、受力区Ⅱ；同向应变扩张区Ⅰ、同向应变扩张区Ⅱ、及异向应变扩张区Ⅰ、异向应变扩张区Ⅱ；光纤光栅传感器由裸光纤和刻有光栅段的光纤两部分组合，光栅段的光纤利用粘胶剂或夹持箍固定在钢制弹性基座的异向应变扩张区Ⅰ和异向应变扩张区Ⅱ的相应位置的凹槽内；光纤光栅保护套采用铠装保护套在光纤两端封装，光纤光栅应变传感器压拉转换及灵敏度增强装置可将待测结构的压应变放大并转换为拉应变进行测量，装置结构简单紧凑、灵敏度高、线性度和重复性好，安装方便、测量可靠，可解决光纤光栅传感器对压应变测量灵敏度低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅应变传感器灵敏度增强领域，特别涉及一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置及其使用方法。
背景技术
应变是现代建筑结构健康监测中最重要的监测物理参数之一。在某些情况下，要求应变传感器具有较高的灵敏度。基于光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器已成为土木结构监测、诊断和控制的可靠、原位、无损的工具。与结构传感领域的其他技术相比，光纤光栅应变传感系统的结构集成代表了一个新的跨学科工程分支。
理论上裸光纤光栅应变传感器的分辨率和精度分别约为0.8με和±4με，可以满足大多数工程应用，然而，在某些情况下，待测应变处于非常低的水平，裸光纤光栅应变传感器灵敏度不能满足精确检测这种小应变的要求。此外，许多情况下被测应变为压应变，比如测量桥梁拉索、吊杆等力的压力环，光纤光栅存在着受压时线性度不高，重复性能不好等缺陷，难以准确测量这种微小的压应变。因此，提供一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置及其使用方法就显得尤为必要。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出了一种新型的光纤光栅应变传感器，将光纤光栅粘贴在具有杠杆结构的基座上来提高应变灵敏度并进行压拉转换，以解决了其压变测量不线性以及灵敏度低下的问题。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置，包括增强装置的钢制弹性基座(1)，钢制弹性基座上的固定安装夹持键(11)；钢制弹性基座切割缝(2)；钢制弹性基座上因切割缝形成的受力区Ⅰ(121)、受力区Ⅱ(122)同向应变扩张区Ⅰ(123)、同向应变扩张区Ⅱ(124)、及异向应变扩张区Ⅰ(125)、异向应变扩张区Ⅱ(126)；钢制弹性基座上因切割缝形成的支点Ⅰ(131)、支点Ⅱ(132)、支点Ⅲ(133)；钢制弹性基座上刻制的凹槽(14)；光纤光栅应变传感器(3)；塑料保护套(4)；用于粘接固定光纤光栅应变传感器的胶粘剂(5)。
进一步的，所述的钢制弹性基座(1)呈方形，为弹性钢制材料，外形尺寸可根据被测结构的安装空间而定，一般40mm×40mm为最佳，厚2.5mm为最优。
进一步的，所述的钢制弹性基座切割缝(2)由切割缝Ⅰ(21)、切割缝Ⅱ(22)、切割缝Ⅲ(23)及切割缝Ⅳ(24)组成；所述切割缝(2)最优缝宽为1mm；所述切割缝Ⅰ(21)为一端带有圆弧(212)的直缝(211)，设置在所述钢制弹性基座(1)Y向中间，长度为20mm最优，所述直线缝(211)边端离钢制弹性基座侧边Ⅰ(171)约2mm，所述切割缝Ⅰ(21)的另一端为圆弧缝(212)，圆弧半径3mm最优；所述切割缝Ⅱ(22)一端为直缝(221)，设置在所述钢制弹性基座(1)Y向中间，与所述切割缝Ⅰ(21)的直缝(211)在同一条线上，长度为15mm最优，边端贯通钢制弹性基座侧边Ⅱ(172)，所述切割缝Ⅱ(22)的另一端为圆弧缝(222)，与所述直缝(221)形成倒Y形，所述圆弧缝(222)圆弧半径5mm最优，与所述切割缝Ⅰ(21)的圆弧(211)同圆心，间距2mm，此间距形成圆弧(16)；所述切割缝Ⅲ(23)分为三段，一段为直缝(231)，所述直缝(231)垂直于与所述钢制弹性基座(1)Y向，在所述钢制弹性基座(1)X向位置与所述切割缝Ⅱ(22)的圆弧缝(221)端头对应，长度为8mm最优，边端贯通钢制弹性基座侧边Ⅲ(173)，所述切割缝Ⅲ(23)中间段为圆弧缝(232)，长度为2mm最优，半径2mm最优，凹向所述切割缝Ⅰ(21)侧，所述切割缝Ⅲ(23)另一段为圆弧缝(233)，长度4mm最优，半径2mm最优，凹向所述切割缝Ⅱ(22)侧，所述圆弧缝(233)的外端与所述圆弧缝(222)相近端间距2mm；所述切割缝Ⅳ(24)设有与所述切割缝Ⅲ(23)以所述切割缝Ⅰ(21)和所述切割缝Ⅱ(22)为对称轴的三段，分别为直缝(241)，圆弧缝(242)，圆弧缝(243)，所述圆弧缝(243)与所述圆弧缝(222)相近端间距2mm。
进一步的，所述的钢制弹性基座(1)的4条切割缝Ⅰ(21)、切割缝Ⅱ(22)、切割缝Ⅲ(23)及切割缝Ⅳ(24)将所述钢制弹性基座(1)分为六个区域，分别为受力区Ⅰ(121)，与所述受力区Ⅰ(121)对称的受力区Ⅱ(122)，同向应变扩张区Ⅰ(123)，与所述同向应变扩张区Ⅰ(123)对称的同向应变扩张区Ⅱ(124)，异向应变扩张区Ⅰ(125)，与所述异向应变扩张区Ⅰ(125)对称的异向应变扩张区Ⅱ(126)；所述的钢制弹性基座切割缝Ⅰ(21)的直线缝(211)与所述钢制弹性基座(1)的侧边Ⅰ(171)形成支点Ⅰ(131)；所述钢制弹性基座切割缝Ⅰ(21)的圆弧缝(212)与所述钢制弹性基座切割缝Ⅱ(22)的圆弧缝(222)以及所述钢制弹性基座切割缝Ⅲ(23)的圆弧缝(233)相汇交的地方形成支点Ⅱ(132)；所述钢制弹性基座切割缝Ⅰ(21)的圆弧缝(212)与所述钢制弹性基座切割缝Ⅱ(22)的圆弧缝(222)以及所述钢制弹性基座切割缝Ⅳ(24)的圆弧缝(243)相汇交的地方形成支点Ⅲ(133)。
进一步的，所述钢制弹性基座上刻制的凹槽(14)设置在所述异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)上，与所述钢制弹性基座(1)的侧边Ⅱ(172)平行，离所述侧边Ⅱ(172)的距离视所需监测量程而定，深度0.2～0.5mm，宽度0.5～1.2mm范围最佳。
进一步的，所述光纤光栅应变传感器(3)由包括裸光纤(31)及在裸光纤上的光栅(32)和塑料保护套(4)三部分组成；将光栅(32)按要求刻制在裸光纤(31)上制成光纤光栅应变传感器(3)；把光纤光栅应变传感器(3)放置所述钢制弹性基座上刻制的凹槽(14)内，两端采用塑料保护套(4)进行封装保护，然后把胶粘剂(5)固定所述光纤光栅应变传感器(3)于所述凹槽(14)内，使所述光纤光栅应变传感器(3)与所述异向应变扩张区Ⅰ(125)及异向应变扩张区Ⅱ(126)产生同步应变。
进一步的，所述粘接固定光纤光栅应变传感器所用胶粘剂(5)为专用胶粘剂。
进一步的，所述的钢制弹性基座上的三支点：支点Ⅰ(131)、支点Ⅱ(132)、支点Ⅲ(133)以及六个受力区：受力区Ⅰ(121)，受力区Ⅱ(122)，同向应变扩张区Ⅰ(123)，同向应变扩张区Ⅱ(124)，异向应变扩张区Ⅰ(125)，异向应变扩张区Ⅱ(126)共同形成两级杠杆结构并完成压拉转换；所述受力区Ⅰ(121)和所述受力区Ⅱ(122)在外力作用下产生应变(微变形差)通过所述支点Ⅰ(131)形成的杠杆结构，使同向应变扩张区Ⅰ(123)和同向应变扩张区Ⅱ(124)产生相应放大倍数的同向应变；所述支点Ⅱ(132)和支点Ⅲ(133)位于所述圆弧(16)上，所述同向应变扩张区Ⅰ(123)和同向应变扩张区Ⅱ(124)位于所述圆弧(16)内侧，所述异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)位于所述圆弧(16)外侧，在同向应变扩张区Ⅰ(123)和同向应变扩张区Ⅱ(124)产生相应放大倍数的同向应变通过所述支点Ⅱ(132)和支点Ⅲ(133)的圆弧杠杆作用使所述异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)再次产生相应放大倍数的应变并进行了压拉转换，使原来的压应变转换成拉应变，带动粘贴在异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)的光纤光栅应变传感器(3)同步产生拉应变；从而达到压拉转换及灵敏度增强的效果。
一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置的使用方法，首先将光纤光栅应变传感器压拉转换及灵敏度增强装置通过钢制弹性基座上的固定安装夹持键(11)安装在待测基体上或将钢制弹性基座上的侧边Ⅰ(171)焊接在待测基体上，当受力区Ⅰ(121)和受力区Ⅱ(122)受压产生压应变时，通过杠杆原理将应变传递至同向应变扩张区Ⅰ(123)和同向应变扩张区Ⅱ(124)后，压应变变形明显增加，再一次通过杠杆原理将应变传递异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)，此时的压应变转化为拉应变，并进一步的将应变增加，带动粘贴在异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)的光纤光栅应变传感器(3)同步产生拉应变；从而达到压拉转换及灵敏度增强的效果。
进一步的，该装置的具体实施步骤是：
步骤1、取与被测物体相适应的外形尺寸和厚度的304不锈钢作为钢制弹性基座(1)，依图在钢制结构基座设置(1)切割缝Ⅰ(21)、切割缝Ⅱ(22)、切割缝Ⅲ(23)及切割缝Ⅳ(24)；并形成三个支点：支点Ⅰ(131)、支点Ⅱ(132)、支点Ⅲ(133)及六个受力区：受力区Ⅰ(121)，受力区Ⅱ(122)，同向应变扩张区Ⅰ(123)，同向应变扩张区Ⅱ(124)，异向应变扩张区Ⅰ(125)，异向应变扩张区Ⅱ(126)；
步骤2、在钢制弹性基座(1)的异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)依图刻制深度在0.2～0.5mm，宽度在0.5～1.0mm范围的凹槽(14)；
步骤3、将光纤光栅应变传感器(3)套入塑料保护套(4)内；
步骤4、将套好塑料保护套(4)的光纤光栅应变传感器(3)放入凹槽(14)内，调好塑料保护套(4)的位置，使在异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)相接触的光栅(32)段及光栅段两端一定长度的光纤裸露，两端光纤有塑料保护套(4)的保护，并保证有一小段保护套(4)可固定在凹槽内；
步骤5、将步骤四中的光纤光栅应变传感器(3)裸露的光栅和光纤段用胶粘剂(5)固定在异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)的凹槽(14)内；
步骤6、将步骤四中的异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)两端一小段约2mm左右的塑料保护套用胶粘剂固定在凹槽(14)内；
步骤7、所述步骤1～5中的二级杠杆、压拉转换及光纤光栅应变传感器应变传感原理为：以支点Ⅰ(131)为固定支点，在受力区Ⅰ(121)和受力区Ⅱ(122)施加力F1时，将传递到同向应变扩张区Ⅰ(123)及同向应变扩张区Ⅱ(124)处一个力F2，从而在力F2处产生较大的应变，此时圆弧(16)将向内侧收缩，而外侧的支点Ⅱ(132)、支点Ⅲ(133)处产生力F3，带动异向应变扩张区Ⅰ(125)、异向应变扩张区Ⅱ(126)分别往上下方向产生应变，从而完成增敏目的；
应变εFBG的波长变化响应可以通过以下公式给出：
其中：
λB--FBG的Bragg波长
△λB--λB的变化
neff--光纤芯在自由空间中心波长处的有效折射率
pe--有效光弹性系数。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
1、用此压拉转换及灵敏度增强装置，光纤光栅传感器通过拉应变测量被测结构的压应变，实现被测结构压应变的光纤光栅测量，解决了光纤光栅压应变测量不线性和不准确的难题。
2、采用杠杆结构原理进行增敏可以有效的提高光纤光栅应变传感器(3)的应变灵敏度和精度，利用切割缝形成的杠杆实现的分级及反向扩张达到增加量程的目的。
3、此压拉转换及灵敏度增强装置，结构简单、紧凑，尺寸小，安装方便，益于安装在常规尺寸的建筑、工业设备，可对精密构件的关键部位进行健康监测。
4、光纤光栅与结构基座耦合封装成活率高，可靠性高，在光纤光栅应变传感器(3)两端采用两端采用塑料保护套(4)进行封装，防止运输及服役期间碰撞折断。光纤光栅应变传感器(3)埋置在凹槽(14)内，对比其它封装方案具有显著保护自效果。
5、相对于其它增敏装置，该结构制作简单、成本低，市场前景好。
附图说明
图1：本发明之一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置示意图
图2：本发明之光纤光栅应变传感器及钢制弹性基座凹槽示意图；
图3：本发明之钢制弹性基座受力区及受力点示意图；
图4：本发明之钢制弹性基座切割缝Ⅰ示意图；
图5：本发明之钢制弹性基座切割缝Ⅱ示意图；
图6：本发明之钢制弹性基座切割缝Ⅲ示意图；
图7：本发明之钢制弹性基座切割缝Ⅳ示意图；
图8：本发明用于压力环中示意图；
图9：安装有本发明装置的压力环用于监测桥梁拉索、吊杆或岩土锚索索力、杆力的安装使用示意图。
图10为增敏装置的增敏杠杆原理图及增敏装置增敏后效果图。
图11为本发明方法实施例中数据分析图。
图中：
1-增强装置的钢制弹性基座，11-钢制弹性基座上的固定安装夹持键，121-钢制弹性基座上因切割缝形成的受力区Ⅰ，122-受力区Ⅱ，123-同向应变扩张区Ⅰ，124-同向应变扩张区Ⅱ，125-异向应变扩张区Ⅰ，126-异向应变扩张区Ⅱ，131-钢制弹性基座上因切割缝形成的支点Ⅰ，132-支点Ⅱ，133-支点Ⅲ，14-钢制弹性基座上刻制的凹槽，171-侧边Ⅰ，172-侧边Ⅱ，173-侧边Ⅲ，174-侧边Ⅳ，16-圆弧，2-钢制弹性基座切割缝，21-切割缝Ⅰ，211-直缝，212-圆弧缝，22-切割缝Ⅱ，221-直缝，222-圆弧缝，23-切割缝Ⅲ，231-直缝，232-圆弧缝，233-圆弧缝，24-切割缝Ⅳ,241-直缝，242-圆弧缝，243-圆弧缝，3-光纤光栅应变传感器、32-光栅，4-塑料保护套，5-用于粘接固定光纤光栅应变传感器的胶粘剂，10-本发明装置，60-压力环，70-桥梁拉索(吊杆、岩土锚索)，71-锚垫板，72-锚杯，73-锚管，74-螺母，75-锚杯盖，80-光纤光栅配套测量设备。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：
具体实施例1：
如图1-9所示，一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置及其使用方法，包括增强装置的钢制弹性基座(1)、钢制弹性基座上的固定安装夹持键(11)、钢制弹性基座切割缝(2)、钢制弹性基座上因切割缝形成的受力区Ⅰ(121)、受力区Ⅱ(122)同向应变扩张区Ⅰ(123)、同向应变扩张区Ⅱ(124)、及异向应变扩张区Ⅰ(125)、异向应变扩张区Ⅱ(126)；钢制弹性基座上因切割缝形成的支点Ⅰ(131)、支点Ⅱ(132)、支点Ⅲ(133)，钢制弹性基座上刻制的凹槽(14)、光纤光栅应变传感器(3)、塑料保护套(4)、用于粘接固定光纤光栅应变传感器的胶粘剂(5)。首先将光纤光栅应变传感器压拉转换及灵敏度增强装置通过钢制弹性基座上的固定安装夹持键(11)安装在待测基体上或将钢制弹性基座上的侧边Ⅰ(171)焊接在待测基体上，当受力区Ⅰ(121)和受力区Ⅱ(122)受压产生压应变时，通过杠杆原理将应变传递至同向应变扩张区Ⅰ(123)和同向应变扩张区Ⅱ(124)后，压应变变形明显增加，再一次通过杠杆原理将应变传递异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)，此时的压应变转化为拉应变，并进一步的将应变增加，带动粘贴在异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)的光纤光栅应变传感器(3)同步产生拉应变。从而达到压拉转换及灵敏度增强的效果。
进一步的，所述的钢制弹性基座(1)呈方形，为弹性钢制材料，外形尺寸可根据被测结构的安装空间而定，一般40mm×40mm为最佳，厚2.5mm为最优。
进一步的，所述的钢制弹性基座切割缝(2)由切割缝Ⅰ(21)、切割缝Ⅱ(22)、切割缝Ⅲ(23)及切割缝Ⅳ(24)组成。所述切割缝(2)最优缝宽为1mm；所述切割缝Ⅰ(21)为一端带有圆弧(212)的直缝(211)，设置在所述钢制弹性基座(1)Y向中间，长度为20mm最优，所述直线缝(211)边端离钢制弹性基座侧边Ⅰ(171)约2mm，所述切割缝Ⅰ(21)的另一端为圆弧缝(212)，圆弧半径3mm最优；所述切割缝Ⅱ(22)一端为直缝(221)，设置在所述钢制弹性基座(1)Y向中间，与所述切割缝Ⅰ(21)的直缝(211)在同一条线上，长度为15mm最优，边端贯通钢制弹性基座侧边Ⅱ(172)，所述切割缝Ⅱ(22)的另一端为圆弧缝(222)，与所述直缝(221)形成倒Y形，所述圆弧缝(222)圆弧半径5mm最优，与所述切割缝Ⅰ(21)的圆弧(211)同圆心，间距2mm，此间距形成圆弧(16)；所述切割缝Ⅲ(23)分为三段，一段为直缝(231)，所述直缝(231)垂直于与所述钢制弹性基座(1)Y向，在所述钢制弹性基座(1)X向位置与所述切割缝Ⅱ(22)的圆弧缝(221)端头对应，长度为8mm最优，边端贯通钢制弹性基座侧边Ⅲ(173)，所述切割缝Ⅲ(23)中间段为圆弧缝(232)，长度为2mm最优，半径2mm最优，凹向所述切割缝Ⅰ(21)侧，所述切割缝Ⅲ(23)另一段为圆弧缝(233)，长度4mm最优，半径2mm最优，凹向所述切割缝Ⅱ(22)侧，所述圆弧缝(233)的外端与所述圆弧缝(222)相近端间距2mm；所述切割缝Ⅳ(24)设有与所述切割缝Ⅲ(23)以所述切割缝Ⅰ(21)和所述切割缝Ⅱ(22)为对称轴的三段，分别为直缝(241)，圆弧缝(242)，圆弧缝(243)，所述圆弧缝(243)与所述圆弧缝(222)相近端间距2mm。
进一步的，所述的钢制弹性基座(1)的4条切割缝Ⅰ(21)、切割缝Ⅱ(22)、切割缝Ⅲ(23)及切割缝Ⅳ(24)将所述钢制弹性基座(1)分为六个区域，分别为受力区Ⅰ(121)，与所述受力区Ⅰ(121)对称的受力区Ⅱ(122)，同向应变扩张区Ⅰ(123)，与所述同向应变扩张区Ⅰ(123)对称的同向应变扩张区Ⅱ(124)，异向应变扩张区Ⅰ(125)，与所述异向应变扩张区Ⅰ(125)对称的异向应变扩张区Ⅱ(126)。所述的钢制弹性基座切割缝Ⅰ(21)的直线缝(211)与所述钢制弹性基座(1)的侧边Ⅰ(171)形成支点Ⅰ(131)；所述钢制弹性基座切割缝Ⅰ(21)的圆弧缝(212)与所述钢制弹性基座切割缝Ⅱ(22)的圆弧缝(222)以及所述钢制弹性基座切割缝Ⅲ(23)的圆弧缝(233)相汇交的地方形成支点Ⅱ(132)；所述钢制弹性基座切割缝Ⅰ(21)的圆弧缝(212)与所述钢制弹性基座切割缝Ⅱ(22)的圆弧缝(222)以及所述钢制弹性基座切割缝Ⅳ(24)的圆弧缝(243)相汇交的地方形成支点Ⅲ(133)。
进一步的，所述钢制弹性基座上刻制的凹槽(14)设置在所述异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)上，与所述钢制弹性基座(1)的侧边Ⅱ(172)平行，离所述侧边Ⅱ(172)的距离视所需监测量程而定，深度0.2～0.5mm，宽度0.5～1.2mm范围最佳。
进一步的，所述光纤光栅应变传感器(3)由包括裸光纤(31)及在裸光纤上的光栅(32)和塑料保护套(4)三部分组成。将光栅(32)按要求刻制在裸光纤(31)上制成光纤光栅应变传感器(3)。把光纤光栅应变传感器(3)放置所述钢制弹性基座上刻制的凹槽(14)内，两端采用塑料保护套(4)进行封装保护，然后把胶粘剂(5)固定所述光纤光栅应变传感器(3)于所述凹槽(14)内，使所述光纤光栅应变传感器(3)与所述异向应变扩张区Ⅰ(125)及异向应变扩张区Ⅱ(126)产生同步应变。
进一步的，所述粘接固定光纤光栅应变传感器所用胶粘剂(5)为专用胶粘剂。
进一步的，所述的钢制弹性基座上的三支点：支点Ⅰ(131)、支点Ⅱ(132)、支点Ⅲ(133)以及六个受力区：受力区Ⅰ(121)，受力区Ⅱ(122)，同向应变扩张区Ⅰ(123)，同向应变扩张区Ⅱ(124)，异向应变扩张区Ⅰ(125)，异向应变扩张区Ⅱ(126)共同形成两级杠杆结构并完成压拉转换。所述受力区Ⅰ(121)和所述受力区Ⅱ(122)在外力作用下产生应变(微变形差)通过所述支点Ⅰ(131)形成的杠杆结构，使同向应变扩张区Ⅰ(123)和同向应变扩张区Ⅱ(124)产生相应放大倍数的同向应变。所述支点Ⅱ(132)和支点Ⅲ(133)位于所述圆弧(16)上，所述同向应变扩张区Ⅰ(123)和同向应变扩张区Ⅱ(124)位于所述圆弧(16)内侧，所述异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)位于所述圆弧(16)外侧，在同向应变扩张区Ⅰ(123)和同向应变扩张区Ⅱ(124)产生相应放大倍数的同向应变通过所述支点Ⅱ(132)和支点Ⅲ(133)的圆弧杠杆作用使所述异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)再次产生相应放大倍数的应变并进行了压拉转换，使原来的压应变转换成拉应变，带动粘贴在异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)的光纤光栅应变传感器(3)同步产生拉应变。从而达到压拉转换及灵敏度增强的效果。
上述一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置及其使用方法，包括如下具体实施步骤是：
1、取与被测物体相适应的外形尺寸和厚度的304不锈钢作为钢制弹性基座(1)，依图在钢制结构基座设置(1)切割缝Ⅰ(21)、切割缝Ⅱ(22)、切割缝Ⅲ(23)及切割缝Ⅳ(24)；并形成三个支点：支点Ⅰ(131)、支点Ⅱ(132)、支点Ⅲ(133)及六个受力区：受力区Ⅰ(121)，受力区Ⅱ(122)，同向应变扩张区Ⅰ(123)，同向应变扩张区Ⅱ(124)，异向应变扩张区Ⅰ(125)，异向应变扩张区Ⅱ(126)。
2、在钢制弹性基座(1)的异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)依图刻制深度在0.2～0.5mm，宽度在0.5～1.0mm范围的凹槽(14)。
3、将光纤光栅应变传感器(3)套入塑料保护套(4)内。
4、将套好塑料保护套(4)的光纤光栅应变传感器(3)放入凹槽(14)内，调好塑料保护套(4)的位置，使在异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)相接触的光栅(32)段及光栅段两端一定长度的光纤裸露，两端光纤有塑料保护套(4)的保护，并保证有一小段保护套(4)可固定在凹槽内。
5、将步骤四中的光纤光栅应变传感器(3)裸露的光栅和光纤段用胶粘剂(5)固定在异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)的凹槽(14)内。
6、将步骤四中的异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)两端一小段约2mm左右的塑料保护套用胶粘剂固定在凹槽(14)内。
本发明的工作原理为：
所述步骤1～6中的二级杠杆、压拉转换及光纤光栅应变传感器应变传感原理如图10所示：
以支点Ⅰ(131)为固定支点，在受力区Ⅰ(121)和受力区Ⅱ(122)施加力F1时，将传递到同向应变扩张区Ⅰ(123)及同向应变扩张区Ⅱ(124)处一个力F2，从而在力F2处产生较大的应变，此时圆弧(16)将向内侧收缩，而外侧的支点Ⅱ(132)、支点Ⅲ(133)处产生力F3，带动异向应变扩张区Ⅰ(125)、异向应变扩张区Ⅱ(126)分别往上下方向产生应变，从而完成增敏目的。
应变εFBG的波长变化响应可以通过以下公式给出：
其中：
λB--FBG的Bragg波长
△λB--λB的变化
neff--光纤芯在自由空间中心波长处的有效折射率
pe--有效光弹性系数
具体实施例2：
本发明之一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置及其使用方法按上述步骤进行安装使用，通过安装有光纤光栅应变传感器灵敏度增强装置的压力传感器监测压力环在受压过程中的应变变化，可获得与常规未安装灵敏度增强装置的光纤光栅应变压力传感器难以实现的有益效果。为突出本发明的实施效果，特将本发明的灵敏度增强装置及使用方法与常规未安灵敏度增强装置的应变压力传感器进行对比，如表1所示：
从表1可以看出，常规未安灵敏度增强装置的应变压力传感器或安装其它灵敏度增强装置，不能满足监测精度要求，监测结果误差大。而使用本发明之一种光纤光栅应变传感器压拉转换及灵敏度增强装置可实现微压应变精确测量，且结构简单，成本低，安装使用便捷。
具体实施例3：
本发明之一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置及其使用方法在桥梁工程拉索、吊杆或岩土锚索中索力、杆力测量中的压力环中的应用。
压力环常用于桥梁工程拉索、吊杆或岩土锚索中索力、杆力的测量。一般光纤光栅压力环中的光纤光栅满量程时光栅中心波长变化只有1nm左右且为受压(即中心波长比未受力时的中心波长变小)，因此当索力、杆力发生微小变化是光纤光栅很难精确测量且不线性；如果安装该发明装置安装到压力环上，可以实现压力环中的光纤光栅满量程时光栅中心波长变化达到6nm以上且为受拉应变，实现线性的精确测量。
使用方法和安装步骤包括：
参考附图1～附图7，准备好本发明装置10；准备好压力环60。参考附图8，将本发明装置10焊接在压力环60上。
参考附图9，准备好光纤光栅配套测量设备80，待拉索70(或吊杆、岩土锚索)安装就位后，将锚垫板71和所述的压力环60穿过岩士锚索70的外端套在锚杯72上并卡在拉索70(或吊杆、岩土锚索)的锚管73上，拉索70(或吊杆、岩土锚索)张拉完成后，将螺母74拧紧，套上锚杯盖75。
本实施例中发明装置10采用本发明专利说明书中最佳尺寸制作，经Ansys有限元分析，当受力区Ⅰ(121)和受力区Ⅱ(122)产生1个单位的相对压应变时，在异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)产生了8.91个单位的相对拉应变，实现了压拉转换，且量程增加了8.91倍。将其焊接在压力环60上(设为A组)，并在压力环自身上直接粘贴一光纤光栅传感器(设为B组)。利用压力机加载进行对比研究，数据如下：
对数据进行分析如图11所示：
可以看出，A组监测数据为拉应变，线性度为0.9999，B组为压应变，线性度为0.9882，且A组的量程为B组的8.49倍；进一步重复加载发现A组重复性明显好于B组。因此采用本发明装置，能实现压拉转换，且其线性度、量程及重复性具有明显的优越性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置，其特征在于，包括增强装置的钢制弹性基座(1)，钢制弹性基座上的固定安装夹持键(11)；钢制弹性基座切割缝(2)；钢制弹性基座上因切割缝形成的受力区Ⅰ(121)、受力区Ⅱ(122)同向应变扩张区Ⅰ(123)、同向应变扩张区Ⅱ(124)、及异向应变扩张区Ⅰ(125)、异向应变扩张区Ⅱ(126)；钢制弹性基座上因切割缝形成的支点Ⅰ(131)、支点Ⅱ(132)、支点Ⅲ(133)；钢制弹性基座上刻制的凹槽(14)；光纤光栅应变传感器(3)；塑料保护套(4)；用于粘接固定光纤光栅应变传感器的胶粘剂(5)。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置，其特征在于，所述的钢制弹性基座(1)呈方形，为弹性钢制材料，外形尺寸可根据被测结构的安装空间而定，为40mm×40mm，厚2.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置，其特征在于，所述的钢制弹性基座切割缝(2)由切割缝Ⅰ(21)、切割缝Ⅱ(22)、切割缝Ⅲ(23)及切割缝Ⅳ(24)组成；所述切割缝(2)缝宽为1mm；所述切割缝Ⅰ(21)为一端带有圆弧(212)的直缝(211)，设置在所述钢制弹性基座(1)Y向中间，长度为20mm，所述直缝(211)边端离钢制弹性基座侧边Ⅰ(171)2mm，所述切割缝Ⅰ(21)的另一端为圆弧缝(212)，圆弧半径3mm；所述切割缝Ⅱ(22)一端为直缝(221)，设置在所述钢制弹性基座(1)Y向中间，与所述切割缝Ⅰ(21)的直缝(211)在同一条线上，长度为15mm，边端贯通钢制弹性基座侧边Ⅱ(172)，所述切割缝Ⅱ(22)的另一端为圆弧缝(222)，与所述直缝(221)形成倒Y形，所述圆弧缝(222)圆弧半径5mm，与所述切割缝Ⅰ(21)的圆弧(211)同圆心，间距2mm，此间距形成圆弧(16)；所述切割缝Ⅲ(23)分为三段，一段为直缝(231)，所述直缝(231)垂直于与所述钢制弹性基座(1)Y向，在所述钢制弹性基座(1)X向位置与所述切割缝Ⅱ(22)的圆弧缝(221)端头对应，长度为8mm，边端贯通钢制弹性基座侧边Ⅲ(173)，所述切割缝Ⅲ(23)中间段为圆弧缝(232)，长度为2mm，半径2mm，凹向所述切割缝Ⅰ(21)侧，所述切割缝Ⅲ(23)另一段为圆弧缝(233)，长度4mm，半径2mm，凹向所述切割缝Ⅱ(22)侧，所述圆弧缝(233)的外端与所述圆弧缝(222)相近端间距2mm；所述切割缝Ⅳ(24)设有与所述切割缝Ⅲ(23)以所述切割缝Ⅰ(21)和所述切割缝Ⅱ(22)为对称轴的三段，分别为直缝(241)，圆弧缝(242)，圆弧缝(243)，所述圆弧缝(243)与所述圆弧缝(222)相近端间距2mm。
4.根据权利要求3所述的一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置，其特征在于，所述的钢制弹性基座(1)的4条切割缝Ⅰ(21)、切割缝Ⅱ(22)、切割缝Ⅲ(23)及切割缝Ⅳ(24)将所述钢制弹性基座(1)分为六个区域，分别为受力区Ⅰ(121)，与所述受力区Ⅰ(121)对称的受力区Ⅱ(122)，同向应变扩张区Ⅰ(123)，与所述同向应变扩张区Ⅰ(123)对称的同向应变扩张区Ⅱ(124)，异向应变扩张区Ⅰ(125)，与所述异向应变扩张区Ⅰ(125)对称的异向应变扩张区Ⅱ(126)；所述的钢制弹性基座切割缝Ⅰ(21)的直缝(211)与所述钢制弹性基座(1)的侧边Ⅰ(171)形成支点Ⅰ(131)；所述钢制弹性基座切割缝Ⅰ(21)的圆弧缝(212)与所述钢制弹性基座切割缝Ⅱ(22)的圆弧缝(222)以及所述钢制弹性基座切割缝Ⅲ(23)的圆弧缝(233)相汇交的地方形成支点Ⅱ(132)；所述钢制弹性基座切割缝Ⅰ(21)的圆弧缝(212)与所述钢制弹性基座切割缝Ⅱ(22)的圆弧缝(222)以及所述钢制弹性基座切割缝Ⅳ(24)的圆弧缝(243)相汇交的地方形成支点Ⅲ(133)。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置，其特征在于，所述钢制弹性基座上刻制的凹槽(14)设置在所述异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)上，与所述钢制弹性基座(1)的侧边Ⅱ(172)平行，离所述侧边Ⅱ(172)的距离视所需监测量程而定，深度0.2～0.5mm，宽度0.5～1.2mm。
6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器(3)由包括裸光纤(31)及在裸光纤上的光栅(32)和塑料保护套(4)三部分组成；将光栅(32)按要求刻制在裸光纤(31)上制成光纤光栅应变传感器(3)；把光纤光栅应变传感器(3)放置所述钢制弹性基座上刻制的凹槽(14)内，两端采用塑料保护套(4)进行封装保护，然后把胶粘剂(5)固定所述光纤光栅应变传感器(3)于所述凹槽(14)内，使所述光纤光栅应变传感器(3)与所述异向应变扩张区Ⅰ(125)及异向应变扩张区Ⅱ(126)产生同步应变。
7.根据权利要求3所述的一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置，其特征在于，所述的钢制弹性基座上的三支点：支点Ⅰ(131)、支点Ⅱ(132)、支点Ⅲ(133)以及六个受力区：受力区Ⅰ(121)，受力区Ⅱ(122)，同向应变扩张区Ⅰ(123)，同向应变扩张区Ⅱ(124)，异向应变扩张区Ⅰ(125)，异向应变扩张区Ⅱ(126)共同形成两级杠杆结构并完成压拉转换；所述受力区Ⅰ(121)和所述受力区Ⅱ(122)在外力作用下产生应变(微变形差)通过所述支点Ⅰ(131)形成的杠杆结构，使同向应变扩张区Ⅰ(123)和同向应变扩张区Ⅱ(124)产生相应放大倍数的同向应变；所述支点Ⅱ(132)和支点Ⅲ(133)位于所述圆弧(16)上，所述同向应变扩张区Ⅰ(123)和同向应变扩张区Ⅱ(124)位于所述圆弧(16)内侧，所述异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)位于所述圆弧(16)外侧，在同向应变扩张区Ⅰ(123)和同向应变扩张区Ⅱ(124)产生相应放大倍数的同向应变通过所述支点Ⅱ(132)和支点Ⅲ(133)的圆弧杠杆作用使所述异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)再次产生相应放大倍数的应变并进行了压拉转换，使原来的压应变转换成拉应变，带动粘贴在异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)的光纤光栅应变传感器(3)同步产生拉应变；从而达到压拉转换及灵敏度增强的效果。
8.基于权利要求1～7任一所述的一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置的使用方法，其特征在于，首先将光纤光栅应变传感器压拉转换及灵敏度增强装置通过钢制弹性基座上的固定安装夹持键(11)安装在待测基体上或将钢制弹性基座上的侧边Ⅰ(171)焊接在待测基体上，当受力区Ⅰ(121)和受力区Ⅱ(122)受压产生压应变时，通过杠杆原理将应变传递至同向应变扩张区Ⅰ(123)和同向应变扩张区Ⅱ(124)后，压应变变形明显增加，再一次通过杠杆原理将应变传递异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)，此时的压应变转化为拉应变，并进一步的将应变增加，带动粘贴在异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)的光纤光栅应变传感器(3)同步产生拉应变；从而达到压拉转换及灵敏度增强的效果。
9.基于权利要求8所述的一种光纤光栅应变传感器压拉转换与灵敏度增强装置的使用方法，其特征在于，该装置的具体实施步骤是：
步骤1、取与被测物体相适应的外形尺寸和厚度的304不锈钢作为钢制弹性基座(1)，依图在钢制结构基座设置(1)切割缝Ⅰ(21)、切割缝Ⅱ(22)、切割缝Ⅲ(23)及切割缝Ⅳ(24)；并形成三个支点：支点Ⅰ(131)、支点Ⅱ(132)、支点Ⅲ(133)及六个受力区：受力区Ⅰ(121)，受力区Ⅱ(122)，同向应变扩张区Ⅰ(123)，同向应变扩张区Ⅱ(124)，异向应变扩张区Ⅰ(125)，异向应变扩张区Ⅱ(126)；
步骤2、在钢制弹性基座(1)的异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)依图刻制深度在0.2～0.5mm，宽度在0.5～1.0mm范围的凹槽(14)；
步骤3、将光纤光栅应变传感器(3)套入塑料保护套(4)内；
步骤4、将套好塑料保护套(4)的光纤光栅应变传感器(3)放入凹槽(14)内，调好塑料保护套(4)的位置，使在异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)相接触的光栅(32)段及光栅段两端一定长度的光纤裸露，两端光纤有塑料保护套(4)的保护，并保证有一小段保护套(4)可固定在凹槽内；
步骤5、将步骤四中的光纤光栅应变传感器(3)裸露的光栅和光纤段用胶粘剂(5)固定在异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)的凹槽(14)内；
步骤6、将步骤四中的异向应变扩张区Ⅰ(125)和异向应变扩张区Ⅱ(126)两端一小段2mm的塑料保护套用胶粘剂固定在凹槽(14)内；
步骤7、所述步骤1～5中的二级杠杆、压拉转换及
光纤光栅应变传感器应变传感原理为：以支点Ⅰ(131)为固定支点，在受力区Ⅰ(121)和受力区Ⅱ(122)施加力F1时，将传递到同向应变扩张区Ⅰ(123)及同向应变扩张区Ⅱ(124)处一个力F2，从而在力F2处产生较大的应变，此时圆弧(16)将向内侧收缩，而外侧的支点Ⅱ(132)、支点Ⅲ(133)处产生力F3，带动异向应变扩张区Ⅰ(125)、异向应变扩张区Ⅱ(126)分别往上下方向产生应变，从而完成增敏目的；
应变εFBG的波长变化响应可以通过以下公式给出：
其中：
λB--FBG的Bragg波长
△λB--λB的变化
pe--有效光弹性系数。
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Application publication date: 20210806 Assignee: Guangxi hanximing Technology Co.,Ltd. Assignor: GUILIN University OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980046012 Denomination of invention: Fiber Bragg Grating Strain Sensor Press Pull Conversion and Sensitivity Enhancement Device and Its Usage Method Granted publication date: 20230623 License type: Common License Record date: 20231108 |