CN116972767A - 光纤光栅应变片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种光纤光栅应变片及其制作方法，涉及传感器元件及其制作方法领域，光纤光栅应变片包括光纤、基片、封装管，所述的光纤通过整体浇注镶嵌在基片中，基片为全密封结构，光纤的露出端通过所述的封装管封装密封。所述的基片由环氧树脂基复合材料制成；所述的封装管采用可熔性聚四氟乙烯材料制成。制作方法包括步骤：S1.制作基片模具；S2.对光纤的露出端进行封装；S3.浇注基片：在预制好的基片模具上将基片材料和光纤进行整体浇注。本发明通过将光纤与基片整体浇注成型，可使光纤与基片形成一个整体，使其具有测量精度高、测量结果可靠、整体性好、强度高、响应速度快、使用寿命长、适用于高温环境等特点，其适用范围比较广泛。
Description
技术领域
本发明涉及传感器元件及其制作方法领域，特别是一种光纤光栅应变片及其制作方法。
背景技术
几乎所有类型的公共基础设施，包括桥梁、管道、隧道、基础、道路、水坝等，都会可能产生性能降低或导致故障。这些结构问题可能是劣化、施工方法不当、地震活动、附近施工作业等造成的，因此需要采用监测元器件对相关结构进行长期监测。由于监测元器件在实际应用时，需要适应剧烈的温度变化，从大约 -270°C 到 300°C，并且还可能处在强烈的电磁场中。而作为常用的监测元器件之一，电阻应变片在当环境中变化磁场达到一定强度时，电阻应变片测量值会受到影响，并且这种受影响的程度和变化磁场强度呈现一种正相关关系，因此，电阻应变片无法满足长期监控的需求。
而光纤光栅应变片利用光纤光栅传感技术来感应和测量位移变化，由于其响应快、多路复用、耐腐蚀、抗电磁干扰等诸多优点，已被广泛应用于土木工程中的结构健康监测领域。在现有的光纤光栅位移传感器中，光纤光栅常采用表面粘贴式、两端固定式的固定方式进行封装。表面粘贴式是将光纤光栅直接粘贴在悬臂梁等弹性敏感元件的基体外壁，使基体变形转换为光纤光栅的应变，从而引起光栅中心波长的漂移，但其存在以下不足：（1）测量精度和可靠性难以保证：粘贴剂的使用会影响应变片的精度和可靠性，因为粘贴剂会引入非线性应变或温度依赖性。（2）受温度变化影响大：表面粘贴式应变片封装方法容易受到温度变化的影响，因为应变片和粘贴剂的热膨胀系数可能不同，导致误差增大。（3）机械强度不足：表面粘贴式应变片封装方法的机械强度较低，容易受到机械冲击和振动的影响，导致应变片脱落或损坏。（4）封装难度高：封装过程需要高度精确的工艺控制，需要确保应变片的位置和方向正确，否则会影响精度和可靠性。（5）无法用于高温环境：表面粘贴式应变片封装方法无法用于高温环境下，因为粘贴剂会分解或失效，导致应变片脱落或损坏。（6）成品率低：表面粘贴式容易产生粘贴时漏胶、密封性不好等问题，成品率低，而且成品率还受制于粘贴人的手法。
两端固定式是将光栅栅区外的光纤两端粘贴固定，将光纤光栅轴向应变转换为光栅中心波长的漂移，该方式存在以下不足：（1）受力方向固定：两端固定式的应变片只能测量特定方向的应变，而无法测量其他方向的应变。因此，在应用中需要选择合适的应变片方向，并进行相应的校正和修正。（2）机械强度不足：两端固定式的应变片封装方法的机械强度较低，容易受到机械冲击和振动的影响，导致应变片脱落或损坏。（3）封装难度高：封装过程需要高度精确的工艺控制，需要确保应变片的位置和方向正确，否则会影响精度和可靠性。（4）无法用于高温环境：两端固定式的应变片封装方法无法用于高温环境下，因为粘贴剂会分解或失效，导致应变片脱落或损坏。（5）适用范围有限：两端固定式的应变片适用于较小的应变范围和应变量测量，不适用于大应变量的测量。
另外，目前现有的光纤光栅应变传感器多采用金属封装，但由于金属的强度高、弹性模量大，存在对被测对象本身的物理特性造成影响、不能准确反应被测对象的真实应变值等缺点，这种现象当被测物体尺寸较小或者材料强度较低时尤为突出；而且金属封装的传感器加工困难、成本高昂。另外，也有用薄塑料片来封装光纤光栅应变传感器，但薄塑料片封装的不足之处在于：一体性差，薄塑料片易脱落，粘结过程易导致光纤受到一定程度的损害。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种光纤光栅应变片及其制作方法，以解决现有技术存在上述的测量精度和可靠性难以保证、机械强度不足、封装难度高、无法用于高温环境、成品率低、受力方向固定、适用范围有限、加工困难、成本高昂、一体性差的不足之处。
解决上述技术问题的技术方案是：一种光纤光栅应变片，包括光纤、基片、封装管，所述的光纤通过整体浇注镶嵌在基片中，所述的基片为全密封结构，光纤的露出端通过所述的封装管封装密封。
本发明的进一步技术方案是：所述的基片由环氧树脂基复合材料制成；该环氧树脂基复合材料是在以环氧树脂为基体材料的基础上，添加填料或增强材料的复合材料；填料与环氧树脂的重量比例为1：10～1：0.2；增强材料与环氧树脂的重量比例为1：10～1：2。
本发明的再进一步技术方案是：所述的填料包括硅砂或辉绿岩或碳酸钙或粘土细粉中的一种或数种组合；所述的增强材料包括玻璃纤维或碳纤维或芳纶纤维或金属丝中的一种或数种组合。
本发明的进一步技术方案是：所述的基片厚度为0.15～2.00mm。
本发明的进一步技术方案是：所述的封装管采用可熔性聚四氟乙烯材料制成，该封装管内径为0.12～1.8mm。
本发明的另一技术方案是：一种光纤光栅应变片的制作方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，
S1.制作基片模具；
S2.对光纤的露出端进行封装；
S3.浇注基片：在预制好的基片模具上将基片材料和光纤进行整体浇注。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤S1包括以下具体内容：制作用于浇注基片材料的基片模具，将该基片模具分隔成至少一个小方格，并将该小方格作为基片材料浇注的位置，每个小方格均匀刻有多道用于放置光纤的长条形的小凹槽。
本发明的进一步技术方案是：所述的基片模具为尺寸是（150～500）mm×（150～500）mm的正方形结构，每个小方格的尺寸为100mm×100mm。
本发明的再进一步技术方案是：在步骤S2中，所述的封装管采用可熔性聚四氟乙烯材料制成；对光纤的露出端进行封装包括以下任意一种封装方式：
①将光纤的露出端套入封装管后，将封装管进行挤塑，使封装管紧紧贴合光纤；
②封装前先进行预拉光纤并防止光纤搅在一起，然后将光纤的露出端套入封装管，将封装管的末端对称切掉左右两部分，剩余上下两部分，并将上下两部分进行弯起；
③将光纤的露出端套入封装管，并将小铁丝穿过封装管，使小铁丝的下表面卡在光纤的上表面。
本发明的更进一步技术方案是：在步骤S3中，在每道小凹槽内放置一根光纤；所述的基片材料为环氧树脂基复合材料；该环氧树脂基复合材料是在以环氧树脂为基体材料的基础上，添加填料或增强材料的复合材料；所述填料与环氧树脂的重量比例为1：10～1：0.2；增强材料与环氧树脂的重量比例为1：10～1：2；所述的填料包括硅砂或辉绿岩或碳酸钙或粘土细粉中的一种或数种组合；所述的增强材料包括玻璃纤维或碳纤维或芳纶纤维或金属丝中的一种或数种组合。
由于采用上述结构，本发明之光纤光栅应变片及其制作方法与现有技术相比，具有以下有益效果：
1. 测量精度高：
本发明的光纤通过整体浇注镶嵌在基片中，其中基片为全密封结构，光纤的露出端通过封装管封装密封。本发明通过将光纤与基片整体浇注成型，可使光纤与基片形成一个整体，使用时，将基片固定在被测物体上，相当于将光纤直接固定在被测物体上，从而可保证应变片与被测物体的接触面完全贴合，使得应变片的测量更加准确。
2.测量结果可靠
本发明通过将光纤与基片整体浇注成型，可以保证光纤与基片形成一个整体，不易脱落或移位，测量结果更加稳定可靠。
3.整体性能好，强度高
本发明的光纤是通过整体浇注镶嵌在基片中，其整体性能好，强度高。
进一步的，本发明的基片材料是环氧树脂基复合材料，该材料是以环氧树脂作为基体材料，通过填料或增强材料来增强其力学性能和耐用性，它具有高强度、高模量、优异的耐抗冲击性，因此，本发明的应变片机械强度较高。
4. 使用寿命长
本发明将光纤与基片整体浇注成型，整体成型不易受到外力的损伤或破坏，更加耐用，使用寿命更加长久。
进一步的，本发明的基片材料是环氧树脂基复合材料，该材料是以环氧树脂作为基体材料，环氧树脂还具有耐磨性和耐化学腐蚀性等优良性能，从而可延长应变片的使用寿命。
5.适用于高温环境
本发明将光纤与基片整体浇注成型，整体浇注成型的应变片可以使用高温材料进行制作，适用于高温环境下的应变测量。
进一步的，本发明的基片材料是环氧树脂基复合材料，该材料是以环氧树脂作为基体材料，环氧树脂的耐高温性能较好，能够在高温环境下使用，从而提高了应变片的适用范围和可靠性。
6. 外形美观
本发明将光纤与基片整体浇注成型，整体浇注成型的应变片可以与被测物体完全融合，外形更加美观。
7. 封装难度小，结构可靠
本发明的光纤是通过整体浇注镶嵌在基片中，其封装容易，而且光纤的露出端通过封装管封装密封，封装的方式有三种，其中第①种是将光纤的露出端套入封装管后，将封装管进行挤塑，使封装管紧紧贴合光纤。第②种是封装前先进行预拉光纤并防止光纤搅在一起，然后将光纤的露出端套入封装管，将封装管的末端对称切掉左右两部分，剩余上下两部分，并将上下两部分进行弯起，不仅防止浇注时封装管滑动影响浇注效果，而且弯起部分的封装管内径变小，可以卡住光纤整体。第③种是将光纤的露出端套入封装管，并将小铁丝穿过封装管，使小铁丝的下表面卡在光纤的上表面。该三种封装方式均可使光纤可靠的固定在封装管中。
8. 无需选择应变片方向
本发明的光纤是通过整体浇注镶嵌在基片中，避免了两端固定式应变片只能测量特定方向的应变。因此，本发明在应用中也无需选择合适的应变片方向，也无需进行相应的校正和修正。
9. 成品率高
本发明的光纤是通过整体浇注镶嵌在基片中，避免了表面粘贴式产生的粘贴时漏胶、密封性不好、成品率受制于粘贴人手法的不足之处。
10. 结构简单，体积小，加工容易，便于安装，成本低
本发明包括光纤、基片、封装管，其中光纤通过整体浇注直接整体成型在基片中，光纤的露出端通过所述的封装管封装密封，其结构简单，体积小，加工容易，便于安装，成本也较低。
11. 制作效率高
在本发明的制作方法中，在制作基片模具时，可根据实际需要灵活制作基片的小方格数量及尺寸，从而可大大提高制作效率。
12.适用范围广
本发明在浇注前针对光纤的露出端进行封装，封装管采用可熔性聚四氟乙烯材料制成，可熔性聚四氟乙烯PFA是各组合中最优质的塑料，由于它对几乎所有介质都具有抵抗力，并且其温度范围为-190°C 至+260°C，这意味着它甚至可以作为高温环境下的极端化学品的解决方案，因此具有极其广泛的应用。
下面，结合附图和实施例对本发明之光纤光栅应变片及其制作方法的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1：实施例一所述本发明之光纤光栅应变片的结构示意图；
图2：实施例一步骤S1中所述基片模具的结构示意图，
图3：实施例二所述本发明之光纤光栅应变片的结构示意图；
图4：图3的A-A剖视放大图；
图5：实施例二步骤S1中所述基片模具的结构示意图，
图6：实施例三所述本发明之光纤光栅应变片的结构示意图；
图7：图6的B-B剖视放大图；
图8：实施例三步骤S1中所述基片模具的结构示意图；
在上述附图中，各附图标记说明如下：
1-光纤，2-基片，3-封装管，
4-基片模具，401-小方格，402-小凹槽，
5-小铁丝。
实施方式
实施例一
一种光纤光栅应变片，包括光纤1、基片2、封装管3，其中：
所述的光纤1通过整体浇注镶嵌在基片2中，且与基片材料整体浇注成形；光纤1的露出端通过封装管3封装密封。
所述的基片2厚度为0.15mm；该基片2为由环氧树脂基复合材料制成的全密封片状结构，该环氧树脂基复合材料为该环氧树脂基复合材料是在以环氧树脂为基体材料的基础上，添加填料或增强材料的复合材料；填料与环氧树脂的重量比例为1：10；增强材料与环氧树脂的重量比例为1：10；所述的填料包括硅砂，所述的增强材料包括玻璃纤维。
所述的封装管3采用可熔性聚四氟乙烯材料制成, 封装管3内径为0.12mm；该封装管3通过挤塑使其紧贴在光纤1上来实现对光纤1露出端的封装密封。
上述光纤光栅应变片的制作方法包括以下步骤：
S1.制作基片模具：
制作用于浇注基片材料的基片模具4，该模具尺寸为150mm×150mm的正方形结构，模具的中间分隔成一个小方格401，小方格401的尺寸是100mm×100mm，并将该小方格401作为基片材料浇注的位置；小方格401上均匀刻有10道用于放置光纤1的长条形的小凹槽402。
S2.对光纤的露出端进行封装：
将光纤1的露出端套入封装管3后进行挤塑，使封装管3紧紧贴合光纤1；所述的封装管3采用可熔性聚四氟乙烯材料制成，封装管3的内径为0.12mm。
S3.浇注基片：
在预制好的基片模具小方格的每道小凹槽内放置1根光纤，然后将基片材料和光纤进行整体浇注，所述基片材料为环氧树脂基复合材料，该环氧树脂基复合材料是在以环氧树脂为基体材料的基础上，添加填料或增强材料的复合材料；浇注浆体为自流平浆体，浇注完成后基片的厚度为0.15mm；制得光纤光栅应变片。
实施例二
一种光纤光栅应变片，包括光纤1、基片2、封装管3，其中：
所述的光纤1通过整体浇注镶嵌在基片2中，且与基片材料整体浇注成形；光纤1的露出端通过封装管3封装密封。
所述的基片2厚度为1.00mm，该基片2为由环氧树脂基复合材料制成的全密封片状结构，该环氧树脂基复合材料为该环氧树脂基复合材料是在以环氧树脂为基体材料的基础上，添加填料或增强材料的复合材料；填料与环氧树脂的重量比例为1：5；增强材料与环氧树脂的重量比例为1：6；所述的填料包括硅砂、辉绿岩、碳酸钙、粘土细粉按重量比例为1：1：1：1的组合；所述的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、金属丝按重量比例为1：1：1：1的组合。
所述的封装管3采用可熔性聚四氟乙烯材料制成, 封装管3内径为0.8mm；该封装管3通过将其末端（即位于基片内的一端）对称切掉左右两部分、剩余的上下两部分弯起来实现对光纤1露出端的封装密封。
上述光纤光栅应变片的制作方法包括以下步骤：
S1.制作基片模具：
制作用于浇注基片材料的基片模具4，该模具尺寸为400mm×400mm的正方形结构，模具的中间分隔成两个小方格401，每个小方格401的尺寸是100mm×100mm，并将该小方格作为基片材料浇注的位置；每个小方格401上均匀刻有10道用于放置光纤1的长条形的小凹槽402。
S2.对光纤的露出端进行封装：
封装前，先进行预拉光纤并防止光纤搅在一起，然后将光纤1的露出端套入封装管3，并将封装管3的末端（即位于基片内的一端）对称切掉左右两部分，剩余上下两部分，将上下两部分进行弯起，防止浇注时封装管滑动影响浇注效果，而且弯起部分的封装管内径变小，可以卡住光纤整体；所述的封装管3采用可熔性聚四氟乙烯材料制成，封装管3的内径为0.8mm。
S3.浇注基片：
在预制好的基片模具小方格的每道小凹槽内放置1根光纤，然后将基片材料和光纤进行整体浇注，所述基片材料为环氧树脂基复合材料，该环氧树脂基复合材料是在以环氧树脂为基体材料的基础上，添加填料或增强材料的复合材料；浇注浆体为自流平浆体，浇注完成后基片的厚度为1.00mm；制得光纤光栅应变片。
实施例三
一种光纤光栅应变片，包括光纤1、基片2、封装管3，其中：
所述的光纤1通过整体浇注镶嵌在基片2中，且与基片材料整体浇注成形；光纤1的露出端通过封装管3封装密封。
所述的基片2厚度为1.8mm，该基片2为由环氧树脂基复合材料制成的全密封片状结构，该环氧树脂基复合材料为该环氧树脂基复合材料是在以环氧树脂为基体材料的基础上，添加填料或增强材料的复合材料；填料与环氧树脂的重量比例为1：0.2；增强材料与环氧树脂的重量比例为1：2；所述的填料包括辉绿岩、碳酸钙按重量比例为1：1的组合；所述的增强材料包括碳纤维、芳纶纤维按重量比例为1：1的组合。
所述的封装管3采用可熔性聚四氟乙烯材料制成, 封装管3内径为1.8mm；该封装管3通过将小铁丝5横穿过其上部、使小铁丝5的下表面卡在光纤1的上表面来实现对光纤1露出端的封装密封。
上述光纤光栅应变片的制作方法，该方法包括以下步骤：
S1.制作基片模具：
制作用于浇注基片材料的基片模具4，该模具尺寸为500mm×500mm的正方形结构，模具的中间分隔成九个小方格401，每个小方格401的尺寸是100mm×100mm，并将该小方格作为基片材料浇注的位置；每个小方格401上均匀刻有10道用于放置光纤1的长条形的小凹槽402。
S2.对光纤的露出端进行封装：
将光纤1的露出端套入封装管3，并将小铁丝5穿过封装管3，使小铁丝5的下表面卡在光纤1的上表面，起固定作用；所述的封装管3采用可熔性聚四氟乙烯材料制成，封装管3的内径为1.8mm。
S3.浇注基片：
在预制好的基片模具小方格的每道小凹槽内放置1根光纤，然后将基片材料和光纤进行整体浇注，所述基片材料为环氧树脂基复合材料，该环氧树脂基复合材料是在以环氧树脂为基体材料的基础上，添加填料或增强材料的复合材料；浇注浆体为自流平浆体，浇注完成后基片的厚度为2mm；制得光纤光栅应变片。
作为实施例一至三的一种变换，所述的基片2厚度为0.15～2mm中的任一数值；所述的封装管3内径为0.12～1.8mm中的任一数值。
作为实施例一至三的一种变换，也可根据光纤放置量适当增加或减少小凹槽数量。
作为实施例一至三的又一种变换，所述的填料与环氧树脂的重量比例为1：10～1：0.2；增强材料与环氧树脂的重量比例为1：10～1：2。
作为实施例一至三的又一种变换，所述的填料包括硅砂或辉绿岩或碳酸钙或粘土细粉中的一种或数种按一定比例的组合；所述的增强材料包括玻璃纤维或碳纤维或芳纶纤维或金属丝中的一种或数种按一定比例的组合。
Claims (10)
1.一种光纤光栅应变片，包括光纤（1）、基片（2）、封装管（3），其特征在于：所述的光纤（1）通过整体浇注镶嵌在基片（2）中，所述的基片（2）为全密封结构，光纤（1）的露出端通过所述的封装管（3）封装密封。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅应变片，其特征在于：所述的基片（2）由环氧树脂基复合材料制成；该环氧树脂基复合材料是在以环氧树脂为基体材料的基础上，添加填料或增强材料的复合材料；填料与环氧树脂的重量比例为1：10～1：0.2；增强材料与环氧树脂的重量比例为1：10～1：2。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅应变片，其特征在于：所述的填料包括硅砂或辉绿岩或碳酸钙或粘土细粉中的一种或数种组合；所述的增强材料包括玻璃纤维或碳纤维或芳纶纤维或金属丝中的一种或数种组合。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅应变片，其特征在于：所述的基片（2）厚度为0.15～2.00mm。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅应变片，其特征在于：所述的封装管（3）采用可熔性聚四氟乙烯材料制成，该封装管（3）内径为0.12～1.8mm。
6.一种光纤光栅应变片的制作方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，
S1.制作基片模具；
S2.对光纤的露出端进行封装；
S3.浇注基片：在预制好的基片模具上将基片材料和光纤进行整体浇注。
7.根据权利要求6所述的光纤光栅应变片的制作方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下具体内容：制作用于浇注基片材料的基片模具，将该基片模具分隔成至少一个小方格，并将该小方格作为基片材料浇注的位置，每个小方格均匀刻有多道用于放置光纤的长条形的小凹槽。
8.根据权利要求7所述的光纤光栅应变片的制作方法，其特征在于：所述的基片模具为尺寸是150～500mm×150～500mm的正方形结构，每个小方格的尺寸为100mm×100mm。
9.根据权利要求6所述的光纤光栅应变片的制作方法，其特征在于：在步骤S2中，所述的封装管采用可熔性聚四氟乙烯材料制成；对光纤的露出端进行封装包括以下任意一种封装方式：
①将光纤的露出端套入封装管后，将封装管进行挤塑，使封装管紧紧贴合光纤；
②封装前先进行预拉光纤并防止光纤搅在一起，然后将光纤的露出端套入封装管，将封装管的末端对称切掉左右两部分，剩余上下两部分，并将上下两部分进行弯起；
③将光纤的露出端套入封装管，并将小铁丝穿过封装管，使小铁丝的下表面卡在光纤的上表面。
10.根据权利要求7所述的光纤光栅应变片的制作方法，其特征在于：在步骤S3中，在每道小凹槽内放置一根光纤；所述的基片材料为环氧树脂基复合材料；该环氧树脂基复合材料是在以环氧树脂为基体材料的基础上，添加填料或增强材料的复合材料；所述填料与环氧树脂的重量比例为1：10～1：0.2；增强材料与环氧树脂的重量比例为1：10～1：2；所述的填料包括硅砂或辉绿岩或碳酸钙或粘土细粉中的一种或数种组合；所述的增强材料包括玻璃纤维或碳纤维或芳纶纤维或金属丝中的一种或数种组合。
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