CN114440786B - 一种可校正式光纤光栅二维应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可校正式光纤光栅二维应变传感器，包括碳纤维铺层，由弯折成直角与另一部分呈直线光栅光纤连接构成的光栅光纤及基底材料构成，所述光栅光纤呈等腰直角三角形，并经由铺层材料的对角线端点引出，所述传感器由六层铺层材料将光纤光栅包覆于其中构成，最下层为基底材料，其上有五层碳纤维材料，光纤光栅置于第三层材料中间，在铺设完成后进行封装固化；本发明能够准确方便的测量复杂结构的二维应变状况，便于结构稳定性和安全性的监测；而且能够在测量时对温度进行补偿，在测量应变时能够利用碳纤维的横向应变对被测物体应变的测量值进一步校正，使得测量误差进一步降低，从而具有更高的精确度和准确性。

Description

一种可校正式光纤光栅二维应变传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤应变传感器，属于光纤光栅传感器测量技术领域。

背景技术

随着人类测量技术的逐步发展，光纤光栅传感器的应用变得极为广阔，技术也愈发成熟。光纤光栅传感器早在1988年就成功地应用在航空、航天领域中作为有效的无损检测当中，它具有抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、耐温性好、复用能力强、传输距离远、耐腐蚀、高灵敏度、易形变等优点。

碳纤维增强复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料。在众多轻量化材料中具有较高的比强度、比刚性，被广泛应用于测试测量，结构加固等各个领域。

对于材料与结构的应力应变检测，在结构的安全性评价与结构安全及性能监测之中是一个需要十分重视的问题。目前，利用光纤光栅传感器实现对结构的应变检测的传感器多停留在对于一维应变或应力的测量，或者利用一根光纤光栅传感器，利用夹具对光纤光栅进行夹持，从而测量应变。CN112945438A公布了一种光纤式土压力传感器，其结构包括下壳体及与其上部配合的上壳体，并通过在光栅外侧设置菱形框架，将横向应力引起的应变通过纵向布置的光栅进行反应。但是此种测量方法对于横向与纵向应变比例较小时，容易测量不准确，并且无法进一步校准。CN214276823U公布了一种复合材料用光纤光栅传感器，其结构包括光纤光栅传感器本体以及复合材料基底，以及可以进行拆装的卡扣件。虽然其便于拆卸，但是此种方法仍然只能对一维的应变进行测量，且无法对温度进行补偿，并不能够进一步进行校准。CN107218898A公布了一种表面二维应变检测的星形光纤光栅应变片，其采用了金属薄片基底和三个光纤光栅，分别有引脚在测量时固定在被测物体上。此测量方法只适用于平面应变状态的测量，并且没有温度补偿，无法对测量结果进一步校正。CN110514131A公布了一种智能层式光纤光栅二维应变传感器，其结构包括刻在同一根保偏光栅上的三个双重光纤光栅以及作为封装材料的聚酰亚胺或水玻璃薄膜。三个双重光栅采用等边三角形排列，此测量方案仅适用于平面二维应变状态的测量，而且无法对测量结果进一步校正。由于光纤光栅是十分脆弱的，此方法对于测量环境要求较高。有可能出现横向应变测量结果不准确的情况。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述所存在的技术缺点而提供一种可校正式光纤光栅二维应变传感器，该传感器体积小，便于安装，可以对测量结果进行校正，并且可以实现温度补偿，对于脆弱的光纤光栅具有较好的保护作用。具有良好的适用性。

本发明的目的是这样实现的：

一种可校正式光纤光栅二维应变传感器，其特征在于，通过光栅光纤实现对被测物体的应变实现测量，同时采用相同的另一传感器作为温度补偿，进而抵消掉由温度引起的传感器的测量误差，并利用碳纤维铺层的横向应变与纵向应变间存在的比例关系，对测量结果进行校正，也可从一批测量数据中筛选出更为准确科学的结果，得到更为准确的应变测量结果；具体包括碳纤维铺层，由弯折成直角与另一部分呈直线光栅光纤连接构成的光栅光纤及基底材料构成，所述光栅光纤呈等腰直角三角形，并经由铺层材料的对角线端点引出，所述传感器由六层铺层材料将光纤光栅包覆于其中构成，最下层为基底材料，其上有五层碳纤维材料，光纤光栅置于第三层材料中间，在铺设完成后进行封装固化；

当入射光从左侧传入通过光栅光纤的栅区时，光的波长与栅区的间隔L相同的光会被反射回去，当光栅光纤受力发生形变，反射光的波长会发生改变，通过解调仪对反射回来的光进行解调分析，光信号转化为电信号，最终利用计算机对应变的测量数据进行处理和输出。

进一步的，当需要对结构或材料的应变进行测量时，可将传感器埋入材料中或将传感器粘贴于被测结构表面，将另一个同样型号的传感器静置于同样的温度环境下不施加荷载用于温度补偿，当被测物体产生变形时，纵向应变可以由0度光纤测出、横向应变由90度光纤测出，以及对角线方向的应变由45度光纤测出，所述0度、45度、90度均为光纤铺设相对于纤维纵向所成的夹角，由0度光纤所测量出的应变表示为ε₀°，45度光纤测量得到的应变表示为ε₄₅°，由90度光纤测量得到的应变表示为ε₉₀°；当被测物体发生变形时，被粘贴在物体表面的传感器受到力的作用也发生形变，被测物体与传感器间存在着位移协调关系，被测出的应变与物体应变相同，将被测物体纵向沿x轴应变表示为ε_x，沿y轴方向的横向应变表示为ε_y，以及角应变为γ_xy，光栅传感器中心波长偏移量与温度变化量之间的关系为：

Ah_x＝K₀ε_x+K_TΔT

Δh_y--K₀ε_y+K_TΔT

Δλ₄₅。＝K_oε₄₅。+K_TΔT

而对于碳纤维铺层材料1，其本身横向形变与纵向形变之间存在关系：

ε_x＝vε_y

其中ν为材料的泊松比，可提前测出，于是由温度变化而产生的漂移量可以通过补偿片将其消除，由于碳纤维铺层材料与光纤之间存在变形协调，于是测量得到的横向与纵向应变亦应该满足比例关系，否则此时测量得到的结果产生了较大漂移，即为不准确的，于是可以在测量数据之中选择出误差更小更为准确的结果，相较于原始结果得到了进一步校正；

进而通过所测量得到的三个方向的应变准确值，计算处理得到物体表面任意角度的应变值，与测量得到三个方向的应变关系如下：

其中ε_α表示α角度处的正应变，γ_α表示α角度处的切应变，γ_xy表示切应变，而ε_x、ε_y已经测得，当传感器被安装在物体上时，45度方向的应变也被测得，那么γ_xy即被联立求出，测得了物体上该点处互相垂直的两个方向的正应变及剪应变。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

此种传感器能够准确方便的测量复杂结构的二维应变状况，便于结构稳定性和安全性的监测；由于此种传感器结构简单，环境适应性好，能够在各种极端工况下使用，便于安装，能够降低测量成本；而且能够在测量时对温度进行补偿，在测量应变时能够利用碳纤维的横向应变对被测物体应变的测量值进一步校正，使得测量误差进一步降低，从而具有更高的精确度和准确性。

附图说明

图1：传感器的总体视图，包含碳纤维铺层材料1，加工弯折为互相垂直夹成三角形的光纤光栅2，以及基底材料3；

图2：传感器的俯视图，包含已经连接完成的光栅光纤以及固化好的碳纤维铺层与基底材料，基底材料将在测量时与被测物体粘接在一起，光栅光纤以虚线画出，并经由固化完成的碳纤维铺层材料的对角线两端引出；

图3：光纤光栅的栅区微观结构简图，其栅区间隔为L，当入射光由左侧通过光栅栅区时，只有波长与栅区距离相同的光被反射回去；

图4：测量得到的0度、45度以及90度三个方向的应变的方向关系简图，传感器被安装完成后，会测量出此三个方向的应变。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如附图中图1、图2所示，一种可校正式复合材料光纤光栅二维应变传感器，其结构主要由碳纤维铺层1，光纤光栅2，以及基底材料3所组成。其中，碳纤维1预先加工出引线沟槽，以便于光纤光栅2能够更便利的被引出。光纤光栅2被加工折成呈等腰直角三角形的状态，并经由碳纤维铺层的对角线两端引出。碳纤维材料共有五层，另外包含基底材料3，铺层材料的顺序由下至上分别为：基底材料、碳纤维、碳纤维、光纤光栅、碳纤维、碳纤维、碳纤维，除光栅光纤外共计6层材料。将各层材料铺设好后进行固化。

所采用的光纤光栅2的栅区简图见图3，当入射光由左侧通过光栅栅区时，只有波长与栅区距离相同的光被反射回去，而通过解调仪能够解调被反射回的光的波长，将其由光信号转换成为电信号，并通过计算机将数据进行处理和输出，当光纤光栅受拉或压，以及温度改变时，栅区的距离L会发生改变，此时反射的波长会发生改变，进而测量得到结构的应变。

所述传感器通过基底材料与被测物体粘贴在一起或者埋入被测量材料中，在测量时，当被测物体发生形变，由铺层材料与光栅光纤间的应变协调关系，由90度方向光纤所测量得到的横向应变与0度方向光纤所测量得到的纵向应变间存在着协调关系，其比例为泊松比，再通过此比例对所测得的多组数据进行筛选，剥离出更为精确的测量数据，进而对初步测得的结果进行校正，然后通过所测得的0度、45度、90度方向的应变，计算出该点各个方向的应变，对于结构存在多个待测点时，增加粘贴传感器数目，得到更为完整、准确的测量结果。

当需要对结构或材料的应变进行测量时，可将传感器埋入材料中或将传感器粘贴于被测结构表面。将另一个同样型号的传感器静置于同样的温度环境下不施加荷载用于温度补偿，当被测物体产生变形时，纵向应变可以由0度光纤测出、横向应变由90度光纤测出，以及对角线方向的应变由45度光纤测出，所述0度、45度、90度均为光纤铺设相对于纤维纵向所成的夹角。由0度光纤所测量出的应变表示为ε₀°，45度光纤测量得到的应变表示为ε₄₅°，由90度光纤测量得到的应变表示为ε₉₀°。当被测物体发生变形时，被粘贴在物体表面的传感器受到力的作用也发生形变。被测物体与传感器间存在着位移协调关系，被测出的应变与物体应变相同。将被测物体纵向沿x轴应变表示为ε_x，沿y轴方向的横向应变表示为ε_y，以及角应变为γ_xy。光栅传感器中心波长偏移量与温度变化量之间的关系为：

Ah_x＝K₀ε_x+K_TΔT

Δh_y--K0ε_y+K_TΔT

Δλ₄₅。＝K_oε₄₅。+K_TΔT

而对于碳纤维铺层材料1，其本身横向形变与纵向形变之间存在关系：

ε_x＝vε_y

其中ν为材料的泊松比，可提前测出，于是由温度变化而产生的漂移量可以通过补偿片将其消除。由于碳纤维铺层材料与光纤之间存在变形协调。于是测量得到的横向与纵向应变亦应该满足比例关系，否则此时测量得到的结果产生了较大漂移，即为不准确的，于是可以在测量数据之中选择出误差更小更为准确的结果。相较于原始结果得到了进一步校正。

进而可以通过所测量得到的三个方向的应变准确值，计算处理得到物体表面任意角度的应变值，与测量得到三个方向的应变关系如下：

其中ε_α表示α角度处的正应变，γ_α表示α角度处的切应变，γ_xy表示切应变，而ε_x、ε_y已经测得，当传感器被安装在物体上时，45度方向的应变也被测得，那么γ_xy即可以被联立求出。于是测得了物体上该点处互相垂直的两个方向的正应变及剪应变。

Claims (2)

1.一种可校正式光纤光栅二维应变传感器，其特征在于，通过光栅光纤实现对被测物体的应变实现测量，同时采用相同的另一传感器作为温度补偿，进而抵消掉由温度引起的传感器的测量误差，并利用碳纤维铺层的横向应变与纵向应变间存在的比例关系，对测量结果进行校正，而且能够对测量数据进行筛选，得到更为准确的应变测量结果，得到更为准确的应变测量结果；具体包括碳纤维铺层，由弯折成直角与另一部分呈直线光栅光纤连接构成的光栅光纤及基底材料构成，所述光栅光纤呈等腰直角三角形，并经由铺层材料的对角线端点引出，传感器由六层铺层材料将光纤光栅包覆于其中构成，最下层为基底材料，其上有五层碳纤维材料，光纤光栅置于第三层材料与第四层材料之间，在铺设完成后进行封装固化；

当入射光从左侧传入通过光栅光纤的栅区时，光的波长与栅区的间隔L相同的光会被反射回去，当光栅光纤受力发生形变，反射光的波长会发生改变，通过解调仪对反射回来的光进行解调分析，光信号转化为电信号，最终利用计算机对应变的测量数据进行处理和输出。

2.根据权利要求1所述的可校正式光纤光栅二维应变传感器，其特征在于，当需要对结构或材料的应变进行测量时，可将传感器埋入材料中或将传感器粘贴于被测结构表面，将另一个同样型号的传感器静置于同样的温度环境下不施加荷载用于温度补偿，当被测物体产生变形时，纵向应变由0度光纤测出、横向应变由90度光纤测出，以及对角线方向的应变由45度光纤测出，所述0度、45度、90度均为光纤铺设相对于纤维纵向所成的夹角，由0度光纤所测量出的应变表示为ε_0°，45度光纤测量得到的应变表示为ε_45°，由90度光纤测量得到的应变表示为ε_90°；当被测物体发生变形时，被粘贴在物体表面的传感器受到力的作用也发生形变，被测物体与传感器间存在着位移协调关系，被测出的应变与物体应变相同，将被测物体纵向沿x轴应变表示为ε_x，沿y轴方向的横向应变表示为ε_y，以及γ_xy表示切应变，光栅传感器中心波长偏移量与温度变化量之间的关系为：

Δλ_x＝K₀ε_x+K_TΔT

Δλ_y＝K₀ε_y+K_TΔT

Δλ_45°＝K₀ε_45°+K_TΔT

而对于碳纤维铺层材料，其本身横向形变与纵向形变之间存在关系：

ε_x＝νε_y

其中ν为材料的泊松比，提前测出，由温度变化而产生的漂移量通过补偿片将其消除，由于碳纤维铺层材料与光纤之间存在变形协调，于是测量得到的横向与纵向应变亦满足比例关系，否则此时测量得到的结果产生了较大漂移，即为不准确的，如此便能够在测量数据之中选择出误差更小更为准确的结果，相较于原始结果得到了进一步校正；

进而通过所测量得到的三个方向的应变准确值，计算处理得到物体表面任意角度的应变值，与测量得到三个方向的应变关系如下：

其中ε_α表示α角度处的正应变，γ_α表示α角度处的切应变，γ_xy表示切应变，而ε_x、ε_y已经测得，当传感器被安装在物体上时，45度方向的应变也被测得，那么γ_xy即被联立求出，测得了物体上该点处互相垂直的两个方向的正应变及剪应变。