CN114322809B - 一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，采用分体式结构，由反射基座和光纤固定基座实现分体安装，由反射基座和光纤探头相对面构成EFPI腔，将应变测量转换为微距离测量，反射基座和光纤固定基座分别安装固定于待测结构体表面，随待测结构体表面应变变化、结构挠曲变化发生相对位移。本发明采用光纤探头阵列，由探头阵列空间分布特性和微距离测量结果数据，得到反射基座和光纤固定基座间角度变化，实现结构挠曲角度测量，通过修正角度变化引入的测量误差，由固定反射面和光纤固定基座间距离变化得到结构表面伸展压缩情况，实现应变测量。与传统应变传感器相比，本发明可同时获取应变信息和挠曲信息，更加有效地反应结构体真实状态。

Description

一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器

技术领域

本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器。

背景技术

应变测量是结构状态感知与评估的重要环节，是反映结构体变形程度的有效参数之一。应变测量主要分为接触式和非接触式测量，其中非接触式测量要求具备可视化条件，使光信号能够接触到待测结构体表面。对于复杂结构，往往仅能采用接触式应变测量。

现有接触式应变测量技术包括电阻应变片、光纤光栅应变传感器、光纤EFPI应变传感器等，上述技术均提供单方向应变测量结果，可采用正交应变花等结构来反映不同方向应变参数。但另一方面，结构体除了伸长压缩外，在力矩作用下常发生挠曲变形，仅采用正交坐标系得到的应变分布往往不能全面、有效地反映结构真实状态。

发明内容

本发明是为了解决传感器应变测量的全面性问题，提供一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，由反射基座和光纤固定基座实现分体安装，由反射基座和光纤探头相对面构成EFPI腔，将应变测量转换为微距离测量，反射基座和光纤固定基座分别安装固定于待测结构体表面，随待测结构体表面应变变化、结构挠曲变化发生相对位移，通过对传感器光纤阵列测量得到的EFPI腔长数据组合进行分析，即可得到对应的挠曲角度和应变，本发明能够同时得到待测结构体表面的应变、挠曲信息，能够更加全面地反映结构体真实状态。

本发明提供一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，包括反射基座、设置在反射基座相对一侧的光纤固定基座、穿过并从光纤固定基座伸出的光纤探头组合和与光纤探头组合尾部依次相连的尾纤组合、解调终端；

反射基座包括相互垂直的反射面和反射基座底面，反射面为与光纤固定基座相对的面，反射基座底面固定在待测结构体上表面；

光纤固定基座包括光纤固定基座本体和设置在光纤固定基座本体本体中的至少3个通孔，通孔的轴线与光纤固定基座本体的底面平行，光纤固定基座本体固定在所述待测结构体上表面；

光纤探头组合包括至少3个光纤探头，每个光纤探头固定在一个通孔内，每一个光纤探头的端面均与反射面平行组成EFPI腔并接收反射光信号；

尾纤组合与每一个光纤探头的尾部相连，尾纤组合用于传输述光纤探头的光信号；

解调终端用于通过尾纤组合为光纤探头提供主动探测光源，解调终端用于接收通过尾纤组合传输回来的光信号并分析光信号的特征得到对应光纤探头EFPI腔长信息。

本发明所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，作为优选方式，每个光纤探头的端面均位于同一平面上。

本发明所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，作为优选方式，光纤探头包括光纤本体、设置在光纤本体前端中心的光纤插芯和将光纤探头固定在通孔内部的固定结构。

本发明所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，作为优选方式，光纤探头的数量为3个、呈等边三角形排列，三个光纤探头的端面均位于同一平面上。

本发明所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，作为优选方式，尾纤组合包括至少3个单根的尾纤或者一个多芯光缆。

本发明所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，作为优选方式，主动探测光源为宽带光源或扫描光源。

本发明所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，作为优选方式，宽带光源的波长为1510nm～1590nm。

本发明所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，作为优选方式，传感器的解调方法为：

S1、确定坐标：将光纤固定基座的底面中心设为坐标原点(0，0，0)，第n个光纤探头端面中心的坐标为(x_n，y_n，z_n)；

S2、确定腔长变化量：待测结构体挠曲变化后在x-z平面的倾角变化为α，在y-z平面的倾角变化为β，倾角α导致的腔长变化量为x_ntanα+z_n(1-cosα)，倾角β导致的腔长变化量y_ntanβ+z_n(1-cosβ)；

待测结构体z向应变导致的腔长变化量为Δd，并且每个光纤探头z向的腔长变化量均为Δd；

S3、挠曲状态解调：第n个光纤探头对应EFPI腔应为：d_nt＝d_n+Δd+x_ntanα+z_n(1-cosα)+y_ntanβ+z_n(1-cosβ)，其中，d_n为安装后初始状态下第n个探头的EFPI腔长，d_nt为测试过程中第n个腔长EFPI腔长，通过联立方程组，计算得到α、β、Δd值，由α、β得到结构挠曲状态；

S4、应变状态解调：将安装间距L代入Δε＝Δd/L，得到应变状态Δε。

本发明所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，作为优选方式，步骤S4中，安装间距L通过初始状态下n个探头的EFPI腔长和z_n计算得到。

本发明的技术方案为：一种光纤法布里珀罗干涉应变-挠曲复合传感器，包括反射基座、光纤固定基座、光纤探头组合、尾纤组合和解调终端；

反射基座为规则体结构，一侧为反射面，表面平整且与底面保持90°垂直；

光纤固定基座为规则体结构，中间具有N个贯通孔，N应大于或等于3，用于支撑固定光纤探头组合；

光纤探头组合由N个光纤探头组成，光纤探头由光纤、光纤插芯及其它固定结构组成；

尾纤组合由N个光纤探头尾纤组成，用于进行光信号传输。

解调终端通过尾纤组合为传感器提供主动探测光源，并接收尾纤组合传输回来的光纤探头组合反射光信号，通过分析反射光信号特征，得到对应光纤探头EFPI腔长信息。

光纤EFPI应变-挠曲复合传感器适用于近似平面结构，反射基座、光纤固定基座安装时应选择相对平整位置进行安装，避免初始倾斜角度对应变测量影响。

光纤固定基座中贯通孔轴线(z向)应与基座底面(x-z平面)平行，与反射基座反射面垂直，且与光纤探头组合中对应的光纤探头紧密配合。

光纤固定基座中各光纤探头端面与反射基座反射面平行，构成EFPI腔。

尾纤组合可以为N个单根尾纤构成的组合，配合N个光纤连接器使用；也可以为1×N多芯光缆，配合N芯光纤连接器使用。

解调终端光接口应与尾纤组合匹配，所提供主动光信号可以为宽带光源，也可以为扫描光源，根据光纤探头反射光信号光谱特征，对EFPI腔长进行测量。

本发明采用分体式结构，由反射基座和光纤固定基座实现分体安装，由反射基座和光纤探头相对面构成EFPI腔，将应变测量转换为微距离测量，反射基座和光纤固定基座分别安装固定于待测结构体表面，随待测结构体表面应变变化、结构挠曲变化发生相对位移。本发明采用光纤探头阵列，由探头阵列空间分布特性和微距离测量结果数据，得到反射基座和光纤固定基座间角度变化，实现结构挠曲角度测量，通过修正角度变化引入的测量误差，由固定反射面和光纤固定基座间距离变化得到结构表面伸展压缩情况，实现应变测量。

本发明随待测结构体表面应变变化、结构挠曲变化发生相对位移，倾角变化、应变变化可由N个EFPI腔数值得到，具体方法如下：

选取光纤固定基座光纤探头端面一侧底部中央位置设为坐标原点(0，0，0)，则N个光纤探头在x、y、z方向均有偏离，其坐标分别为(x_n，y_n，z_n)。

由于待测结构体挠曲变化，在x-z平面内带来的倾角变化为α，在y-z平面内带来的倾角变化为β，则倾角α导致的腔长变化量为x_ntanα+z_n(1-cosα)，倾角β导致的腔长变化量y_ntanβ+z_n(1-cosβ)。

传感器结构对x、y向应变不敏感，由待测结构体z向应变导致的腔长变化量为Δd，Δd对各探头均为同一值。

每个光纤探头对应EFPI腔应为：d_nt＝d_n+Δd+x_ntanα+z_n(1-cosα)+y_ntanβ+z_n(1-cosβ)；一共有N个方程。其中，d_n为安装后初始状态下第N个探头的EFPI腔长，d_nt为测试过程中第N个腔长EFPI腔长，d_nt、d_n、x_n、y_n、z_n均为已知值。上述方程中仅有α、β、Δd三个变量，由于光纤探头数量N大于或等于3，因此通过联立方程组，即可计算得到α、β、Δd值，由α、β即可得到结构挠曲状态。

代入安装间距L，即可由Δε＝Δd/L得到应变状态。

本发明具有以下优点：

(1)本发明光纤EFPI应变-挠曲复合传感器兼具两种传感器功能，可分别作为应变传感器和倾角传感器使用，能够满足更多场景应用需求，也可以同时反映结构体应变、挠曲参数，提供更加全面的结构状态信息。

(2)本发明采用分体式布局，可以适用于超大量程应变测量应用需求，解决了电阻应变片等片式应变传感器在超大量程应用时传感器材料屈服问题，可覆盖各类工况应变监测需求。

(3)本发明采用多探头立体测量布局，通过联立多元方程，可以有效提高目标参数测量精度。

附图说明

图1为一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器结构示意图；

图2为一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器光纤探头布局示意图；

图3为一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器干涉光谱图；

图4为一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器对图3所示光谱进行傅里叶变换得到干涉图谱能量谱随EFPI腔长分布图；

图5a为一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器挠曲导致的x-z平面位移测量附加量示意图；

图5b为一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器挠曲导致的y-z平面位移测量附加量示意图。

附图标记：

1、反射基座；11、反射面；12、反射基座底面；2、光纤固定基座；21、光纤固定基座本体；22、通孔；3、光纤探头组合；31、光纤探头；4、尾纤组合；5、解调终端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1-2所示，一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，包括反射基座1、设置在反射基座1相对一侧的光纤固定基座2、穿过并从光纤固定基座2伸出的光纤探头组合3和与光纤探头组合3尾部依次相连的尾纤组合4、解调终端5；

反射基座1包括相互垂直的反射面11和反射基座底面12，反射面11为与光纤固定基座2相对的面，反射基座底面12固定在待测结构体上表面；

光纤固定基座2包括光纤固定基座本体21和设置在光纤固定基座本体21本体中的至少3个通孔22，通孔22的轴线与光纤固定基座本体21的底面平行，光纤固定基座本体21固定在待测结构体上表面；

光纤探头组合3包括至少3个光纤探头31，每个光纤探头31固定在一个通孔22内，每一个光纤探头31的端面均与反射面11平行组成EFPI腔并接收反射光信号；

尾纤组合4与每一个光纤探头31的尾部相连，尾纤组合4用于传输光纤探头31的光信号；

解调终端5用于通过尾纤组合4为光纤探头31提供主动探测光源，解调终端5用于接收通过尾纤组合4传输回来的光信号并分析光信号的特征得到对应光纤探头EFPI腔长信息；

每个光纤探头31的端面均位于同一个xy平面上；

光纤探头31包括光纤本体、设置在光纤本体前端中心的光纤插芯和将光纤探头31固定在通孔22内部的固定结构；

光纤探头31的数量为3个、呈等边三角形排列，三个光纤探头31的端面均位于同一个xy平面上；

尾纤组合4包括至少3个单根的尾纤或者一个多芯光缆；

主动探测光源为宽带光源或扫描光源；

宽带光源的波长为1510nm～1590nm；

传感器的解调方法为：

S1、确定坐标：将光纤固定基座2的底面中心设为坐标原点0，0，0，第n个光纤探头31端面中心的坐标为x_n，y_n，z_n；

S2、确定腔长变化量：待测结构体挠曲变化后在x-z平面的倾角变化为α，在y-z平面的倾角变化为β，倾角α导致的腔长变化量为x_ntanα+z_n(1-cosα)，倾角β导致的腔长变化量y_ntanβ+z_n(1-cosβ)；

待测结构体z向应变导致的腔长变化量为Δd，并且每个光纤探头31z向的腔长变化量均为Δd；

S3、挠曲状态解调：第n个光纤探头31对应EFPI腔应为：d_nt＝d_n+Δd+x_ntanα+z_n(1-cosα)+y_ntanβ+z_n(1-cosβ)，其中，d_n为安装后初始状态下第n个探头的EFPI腔长，d_nt为测试过程中第n个腔长EFPI腔长，通过联立方程组，计算得到α、β、Δd值，由α、β得到结构挠曲状态；

S4、应变状态解调：将安装间距L代入Δε＝Δd/L，得到应变状态Δε；安装间距L通过初始状态下n个探头的EFPI腔长和z_n计算得到。

实施例2

一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，采用正三角形布局的光纤传感器阵列，构建了如图1所示的光纤EFPI应变-挠曲复合应变传感器。该传感器包括反射基座1、光纤固定基座2、光纤探头组合3和尾纤组合4；反射基座1与光纤固定基座2通过胶粘方式安装于待测结构5，待测结构体为金属平板。反射基座1为金属长方体结构，表面光滑无划痕，可作为反射面。光纤固定基座2同样为金属长方体结构，其中开有3个2.5mm直径的贯穿孔，贯穿孔轴线与光纤固定基座2底面平行，且垂直于光纤固定基座2侧面。3个贯穿孔分别插入光纤探头31-1、31-2、31-3，构成光纤探头组合3。光纤探头31-1、31-2、31-3呈正三角形布局，各探头光纤端面在z方向上保持一致，z₁＝z₂＝z₃＝1mm；选取光纤固定基座2光纤探头端面一侧底部中央位置设为坐标原点(0，0，0)，则三个探头端面对应的坐标分别为：x₁＝-5mm，y₁＝4mm，z₁＝1mm、x₂＝5mm，y₂＝4mm，z₂＝1mm、x₃＝0mm，y₃＝12.66mm，z₃＝1mm，如图2所示。光纤探头3-1、3-2、3-3尾端分别连接有尾纤，用于输入光信号和导出探头反射光信号，上述尾纤构成尾纤组合4，分别通过三个光纤耦合器与解调终端5连接。解调终端5输出1510nm～1590nm宽带光信号作为主动测量光信号，并接收光纤探头31-1、31-2、31-3反射光信号。解调终端5通过光开关切换三个通道接通次序，分时接通光纤探头31-1、31-2、31-3信息，使对应光纤探头处于工作状态。

初始状态下，反射基座1内表面与光纤探头3-1、3-2、3-3端面平行，分别构成EFPI腔1、EFPI腔2、EFPI腔3。由于z₁＝z₂＝z₃＝1mm，EFPI腔1、2、3的初始腔长均保持一致，d₁＝d₂＝d₃＝0.5mm，其干涉光谱如图3所示。通过对该干涉光谱进行傅里叶变换，如图4所示，可以得到对应的腔长信息。同时，可以得到，安装间距L＝(d₁+d₂+d₃+z₁+z₂+z₃)/3＝1.5mm。

当待测结构体发生变形时，光纤探头31-1、31-2、31-3输出光信号随之发生变化。在某时刻下，根据对应干涉图谱，沿用上述方法进行解调得到EFPI腔1、EFPI腔2、EFPI腔3腔长分别变化为d_1t＝0.4096mm，d_2t＝0.9337mm，d_2t＝0.9741mm。上述EFPI腔长变化均可拆分为三部分，α方向倾角变化x-z平面内导致的腔长变化量x_ntanα+z_n(1-cosα)、β方向倾角变化y-z平面内导致的腔长变化量y_ntanβ+z_n(1-cosβ)以及沿z轴方向相对位移导致的腔长变化Δd，如图5a、5b所示。

联立方程组：

d_1t＝d₁+Δd+x₁tanα+z₁(1-cosα)+y₁tanβ+z₁(1-cosβ)；

d_2t＝d₂+Δd+x₂tanα+z₂(1-cosα)+y₂tanβ+z₂(1-cosβ)；

d_3t＝d₃+Δd+x₃tanα+z₃(1-cosα)+y₃tanβ+z₃(1-cosβ)；

共有三个未知数，α、β、d，可通过上述方程组得到对应解。在本例中，代入z₁＝z₂＝z₃＝1mm，x₁＝-5mm，y₁＝4mm，x₂＝5mm，y₂＝4mm，x₃＝0mm，y₃＝12.66mm，d₁＝d₂＝d₃＝0.5mm，可以计算得到：Δd＝0.03mm，α＝3°，b＝2°。在此基础上，代入安装间距L＝1.5mm，即可计算得到应变值为Δε＝Δd/L＝20000με。

在另一次时刻，测量得到EFPI腔1、EFPI腔2、EFPI腔3腔长分别变化为d_1t＝0.5146mm，d_2t＝0.5495mm，d_2t＝0.6mm。沿用上述方法，即可计算得到：Δd＝0.00056mm，α＝0.2°，b＝0.45°，Δε＝373.33με。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，其特征在于：包括反射基座(1)、设置在所述反射基座(1)相对一侧的光纤固定基座(2)、穿过并从所述光纤固定基座(2)伸出的光纤探头组合(3)和与所述光纤探头组合(3)尾部依次相连的尾纤组合(4)、解调终端(5)；

所述反射基座(1)包括相互垂直的反射面(11)和反射基座底面(12)，所述反射面(11)为与所述光纤固定基座(2)相对的面，所述反射基座底面(12)固定在待测结构体上表面；

所述光纤固定基座(2)包括光纤固定基座本体(21)和设置在所述光纤固定基座本体(21)本体中的至少3个通孔(22)，所述通孔(22)的轴线与所述光纤固定基座本体(21)的底面平行，所述光纤固定基座本体(21)固定在所述待测结构体上表面；

所述光纤探头组合(3)包括至少3个光纤探头(31)，每个所述光纤探头(31)固定在一个所述通孔(22)内，每一个所述光纤探头(31)的端面均与所述反射面(11)平行组成EFPI腔并接收反射光信号；

所述尾纤组合(4)与每一个所述光纤探头(31)的尾部相连，所述尾纤组合(4)用于传输所述光纤探头(31)的光信号；

所述解调终端(5)用于通过所述尾纤组合(4)为所述光纤探头(31)提供主动探测光源，所述解调终端(5)用于接收通过所述尾纤组合(4)传输回来的所述光信号并分析所述光信号的特征得到对应光纤探头EFPI腔长信息。

2.根据权利要求1所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，其特征在于：每个所述光纤探头(31)的端面均位于同一平面上。

3.根据权利要求1所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，其特征在于：所述光纤探头(31)包括光纤本体、设置在所述光纤本体前端中心的光纤插芯和将所述光纤探头(31)固定在所述通孔(22)内部的固定结构。

4.根据权利要求1所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，其特征在于：所述光纤探头(31)的数量为3个、呈等边三角形排列，三个所述光纤探头(31)的端面均位于同一平面上。

5.根据权利要求1所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，其特征在于：所述尾纤组合(4)包括至少3个单根的尾纤或者一个多芯光缆。

6.根据权利要求1所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，其特征在于：所述主动探测光源为宽带光源或扫描光源。

7.根据权利要求6所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，其特征在于：所述宽带光源的波长为1510nm～1590nm。

8.根据权利要求1所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，其特征在于：传感器的解调方法为：

S1、确定坐标：将所述光纤固定基座(2)的底面中心设为坐标原点(0，0，0)，第n个所述光纤探头(31)端面中心的坐标为(x_n，y_n，z_n)；

S2、确定腔长变化量：待测结构体挠曲变化后在x-z平面的倾角变化为α，在y-z平面的倾角变化为β，倾角α导致的腔长变化量为x_ntanα+z_n(1-cosα)，倾角β导致的腔长变化量y_ntanβ+z_n(1-cosβ)；

所述待测结构体z向应变导致的腔长变化量为Δd，并且每个所述光纤探头(31)z向的腔长变化量均为Δd；

S3、挠曲状态解调：第n个所述光纤探头(31)对应EFPI腔应为：d_nt＝d_n+Δd+x_ntanα+z_n(1-cosα)+y_ntanβ+z_n(1-cosβ)，其中，d_n为安装后初始状态下第n个探头的EFPI腔长，d_nt为测试过程中第n个腔长EFPI腔长，通过联立方程组，计算得到α、β、Δd值，由α、β得到结构挠曲状态；

S4、应变状态解调：将安装间距L代入Δε＝Δd/L，得到应变状态Δε。

9.根据权利要求8所述的一种光纤法布里珀罗干涉应变与挠曲复合传感器，其特征在于：步骤S4中，所述安装间距L通过初始状态下n个探头的EFPI腔长和z_n计算得到。

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