CN114152277A - 一种基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器 - Google Patents

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薛青松
严朝锋
陆烨
杨洁
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Abstract

本发明公开了一种基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器，应用于混凝土结构中应变和温度双参量测量的装置，属于光纤传感技术领域。本发明由光纤、PVC光纤保护套管、光缆、光纤光栅解调仪、外部封装保护结构、温度光栅区、应变光栅区、光纤熔接区和装置内腔组成。光纤光栅传感技术因其量测精度高，可实时监测的优点而被逐渐应用到土木工程领域。通过3D打印方法将发明最外层保护结构进行建模设计后导入切片软件并打印，完成外部封装结构。采用管式封装与嵌入式封装相结合的方式，将一个温度传感器与两个应变传感器封装于一个装置中。测量应变的同时进行温度补偿，得到更加准确的应变数据；在测量X、Y两个方向的应变的同时，兼具温度测量功能。

Description

一种基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器
技术领域
本发明涉及一种用于混凝土结构应变和温度双参量测量的装置，属于光纤传感技术领域。
背景技术
在工程实践中，传统的应变监测一直扮演着重要角色。由于传统应变监测灵敏度低、易受强电磁干扰等缺陷，测量的误差较大，而光纤光栅传感技术因其量测精度高，可实时监测的优点而被逐渐应用到土木工程领域。
目前，有关混凝土内部应变传感器的研究较多，对于温度和应变双变量传感器的研究较少。发明专利双向长标距光纤光栅应变传感器，主要提供一种可以同时测量两个垂直方向应力应变的光纤光栅传感器，可以一次性读取两个方向的应变数据，避免多次埋设传感器；实用新型专利混凝土内部应变传感器，可以测量混凝土内部应变，其体积小，测量精度高，可以实现动态荷载下的混凝土应变测试。然而，温度和应变对于FBG光纤光栅传感器的测量都是十分重要的参数，两者的变化均会导致波长发生变化，因此在利用FBG光纤光栅传感器测量应变的过程中需要进行相关温度补偿的计算，这成为急需解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器，可以测量两个方向的温度和应变，测量应变的同时进行温度补偿，得到更加准确的应变数据；在测量温度的同时测量X、Y两个方向的应变。在FBG光纤光栅传感器的封装上，本发明采用管式封装与嵌入式封装相结合的方式，将一个温度传感器与两个应变传感器封装于一个装置中，起到更好地保护作用。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器，由光纤、PVC光纤保护套管、光缆、光纤光栅解调仪、外部封装保护结构、温度光栅区、两个应变光栅区、光纤熔接区、装置内腔组成；将一个应变光栅区与温度光栅区以管式封装，而另一个应变光栅区以嵌入式封装于装置内腔中，从而实现测量两个方向的应变和温度。
优选地，PVC光纤保护套管直径不大于2mm。能实现传感器微型化，满足多种安装要求。
优选地，光纤为光信号传输区域，其管式封装区段中与应变光栅区和温度光栅区相连。
优选地，应变光栅区和温度光栅区的长度不大于10mm。
优选地，所述应变光栅区和温度光栅区通过光纤熔接区相连。
优选地，光纤熔接区长度不超过60mm。
优选地，所述光纤和光缆相连，通过光纤光栅解调仪解析光信号后得到光栅区中心波长的变化，整根光纤除装置内腔部分在PVC套管保护下，其余部分均为裸纤，直接嵌入外部封装保护结构。
优选地，所述外部封装保护结构的制备方式：通过3D打印方法，将外层保护结构进行建模后导入切片软件并打印，完成外部封装保护结构。通过3D打印方法完成外部封装结构，易于实现，满足一体性装置的结构的整体性和保证传感器的测量精度。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明采用管式封装与嵌入式封装相结合的方式，将一个温度传感器与两个应变传感器封装于一个装置中，装置结构紧凑，实用性强；
2.本发明传感器测量应变的同时进行温度补偿，得到更加准确的应变数据；在测量X、Y两个方向的应变的同时，兼具温度测量功能；
3.本发明将裸纤直接嵌入3D打印封装装置，确保了光栅测量区与装置的完全接触和协调变形，保证了测量的准确性。
附图说明
图1是本发明实施例一双向光纤光栅示意图。
附图标记说明：1、光纤；2、PVC光纤保护套管；3、光缆；4、光纤光栅解调仪；5、外部封装保护结构；6、温度光栅区；7、7′、应变光栅区；8、光纤熔接区；9、装置内腔。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器，由光纤1、PVC光纤保护套管2、光缆3、光纤光栅解调仪4、外部封装保护结构5、温度光栅区6、两个应变光栅区7、7'、光纤熔接区8、装置内腔9组成；其特征在于：将一个应变光栅区7与温度光栅区6以管式封装，而另一个应变光栅区7'以嵌入式封装于装置内腔9中，从而实现测量两个方向的应变和温度。
本实施例基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器，可以测量两个方向的温度和应变，测量应变的同时进行温度补偿，得到更加准确的应变数据；在测量温度的同时测量两个方向的应变。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1，所述光纤1为光信号传输区域，其管式封装区段中与应变光栅区7和温度光栅区6相连。
所述应变光栅区7和温度光栅区6通过光纤熔接区8相连。
在本实施例中，所述PVC光纤保护套管2直径为2mm。
应变光栅区7和温度光栅区6的长度不大于10mm。
光纤熔接区8长度不超过60mm。
所述光纤1和光缆3相连，通过光纤光栅解调仪4解析光信号后得到光栅区中心波长的变化，整根光纤1除装置内腔9部分在PVC套管2保护下，其余部分均为裸纤，直接嵌入外部封装保护结构5。
本实施例采用管式封装与嵌入式封装相结合的方式，将一个温度传感器与两个应变传感器封装于一个装置中，装置结构紧凑，实用性强；本实施例传感器测量应变的同时进行温度补偿，得到更加准确的应变数据；在测量X、Y两个方向的应变的同时，兼具温度测量功能。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，所述外部封装保护结构的制备方式：通过3D打印方法，将外层保护结构进行建模后导入切片软件并打印，完成外部封装保护结构。本发明将裸纤直接嵌入3D打印封装装置，确保了光栅测量区与装置的完全接触和协调变形，保证了测量的准确性。
实施例四：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1，一种基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器，首先将外部封装结构5分为上下对称的两部分于建模软件中完成建模设计后，导入切片软件解析为3D打印机可识别的切片文件，通过3D打印机完成外部封装结构5的制作，并在外部封装结构制作完成后保持其截面的清洁度，防止影响后续胶体的粘合程度。FBG温度传感器与FBG应变传感器通过光纤熔接机将两个传感器进行连接，并加以热缩套管保护，熔接并封装好的光纤包括一个光纤熔接区和两个光栅区，分别是应变测点与温度测点。最后将熔接好的应变、温度光纤与一根仅有应变光栅测量区的光纤用502速干胶粘于打印好的外部封装上部结构上，保证光纤能够与外部封装保护结构完全协调变形。其中，将熔接好的光纤的应变测点与温度测点分别置于装置X方向两侧的中点，单独应变测点的光纤置于装置的Y方向。最后将外部封装结构上下两部分用502速干胶粘合为一体。
最后完成制作的整体结构中，X方向包括一个应变测点和一个温度测点，Y方向包括一个应变测点。在实际测量过程中，将X、Y方向应变测点得到的中心波长变化量减去温度测点得到的中心波长变化量即为实际应变引起的中心波长变化量。通过标定实验得到的应变与中心波长的变化关系进行转换后，即可得到X、Y方向的应变测量数据。
通过温度测点的中心波长变化量，在标定实验得到的温度与中心波长变化量关系的基础上进行转换后，即可得到温度数据。
综上所述，本实施例基于光纤传感技术的双向光纤光栅双变量传感器可应用于混凝土结构中应变和温度双参量测量的装置，属于光纤传感技术领域。本实施例基于光纤传感技术的双向光纤光栅双变量传感器由光纤、PVC光纤保护套管、光缆、光纤光栅解调仪、外部封装保护结构、温度光栅区、应变光栅区、光纤熔接区和装置内腔组成。光纤光栅传感技术因其量测精度高，可实时监测的优点而被逐渐应用到土木工程领域。通过3D打印技术将发明最外层保护结构进行建模设计后导入切片软件并打印，完成外部封装结构。采用管式封装与嵌入式封装相结合的方式，将一个温度传感器与两个应变传感器封装于一个装置中。测量应变的同时进行温度补偿，得到更加准确的应变数据；在测量X、Y两个方向的应变的同时，兼具温度测量功能。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器，由光纤(1)、PVC光纤保护套管(2)、光缆(3)、光纤光栅解调仪(4)、外部封装保护结构(5)、温度光栅区(6)、两个应变光栅区(7、7')、光纤熔接区(8)、装置内腔(9)组成；其特征在于：将一个应变光栅区(7)与温度光栅区(6)以管式封装，而另一个应变光栅区(7')以嵌入式封装于装置内腔(9)中，从而实现测量两个方向的应变和温度。
2.根据权利要求1所述基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器，其特征在于：所述PVC光纤保护套管(2)直径不大于2mm。
3.根据权利要求1所述基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器，其特征在于：所述光纤(1)为光信号传输区域，其管式封装区段中与应变光栅区(7)和温度光栅区(6)相连。
4.根据权利要求1所述基于光纤传感技术的双向光纤光栅双变量传感器，其特征在于：应变光栅区(7)和温度光栅区(6)的长度不大于10mm。
5.根据权利要求1所述基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器，其特征在于：所述应变光栅区(7)和温度光栅区(6)通过光纤熔接区(8)相连。
6.根据权利要求1所述基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器，其特征在于：光纤熔接区(8)长度不超过60mm。
7.根据权利要求1所述基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器，其特征在于：所述光纤(1)和光缆(3)相连，通过光纤光栅解调仪(4)解析光信号后得到光栅区中心波长的变化，整根光纤(1)除装置内腔(9)部分在PVC套管(2)保护下，其余部分均为裸纤，直接嵌入外部封装保护结构(5)。
8.根据权利要求5所述基于光纤传感的双向光纤光栅双变量传感器，其特征在于：所述外部封装保护结构的制备方式：通过3D打印方法，将外层保护结构进行建模后导入切片软件并打印，完成外部封装保护结构。
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