CN117073571A - 铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器 - Google Patents
铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器，包括：光纤，具有光栅部；所述光栅部包括半径不同的第一栅区和第二栅区；弹性增敏基片跨设在待测基体表面的不同位置，并与待测基体固定连接；弹性增敏基片远离待测基体的一侧间隔的设置有远离待测基体向外伸出的两限位部；所述光纤的不同位置的表面分别与两限位部远离待测基体的端面固定连接，光纤的光栅部悬置张紧在两限位部之间的区域。其中，光栅部通过弹性增敏基片测量待测基体的温度‑应变复合测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅的温度-应变复合传感检测技术领域，尤其涉及一种铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器。
背景技术
在工程机械众多应用领域中，都离不开应变这项重要指标，在一些变温环境或高温环境下，对结构温度的测量也是至关重要的。现有的应变检测方式主要是电类应变片测量，此类方式的接线复杂，多点测量时接线数量多，且易受电磁干扰。而光纤光栅作为一种新型的传感元器件，具有抗电磁干扰，可多点多参数测量等特点；在大型结构温度-应变复合检测领域，现有的光纤光栅应变检测灵敏度普遍不高，难以测得结构中的微应变变化；此外，对于结构表面温度-应变复合感知的光纤光栅传感器很少，且主要是通过增加额外光纤或额外结构进行温度补偿，此类方式会导致传感器结构和体积增大，不利于分布式测量。
公开号为CN101539403A的中国发明专利公开了一种光纤光栅应变、温度同时测量传感器，其方案是光纤传感器的光纤通过环氧树脂粘接在不锈钢管内，限定各光纤的位置，此类方式由于环氧树脂等粘接剂在空气环境下200摄氏度以上会发生氧化分解，无法在较高的温度下固定光纤，导致传感器无法连续可靠的工作。
上述缺点制约着光纤光栅解调的应用范围，因此，提供一种铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器，不适用常规的不耐高温的粘接材料，适用于温度-应变的复合传感测量，是非常必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种无需采用粘接材料、能够承受高温工作环境，并能够满足温度-应变复合检测的需求的铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器，包括：
光纤，具有光栅部；所述光栅部包括半径不同的第一栅区和第二栅区；
弹性增敏基片，跨设在待测基体表面的不同位置，并与待测基体固定连接；弹性增敏基片远离待测基体的一侧间隔的设置有向外伸出的两限位部；所述光纤的不同位置的表面分别与两限位部远离待测基体的端面固定连接，光纤的光栅部悬置张紧在两限位部之间的区域；
其中，光栅部通过弹性增敏基片测量待测基体的温度-应变复合测量。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述弹性增敏基片还包括第一固定板、第二固定板、杠杆梁、支撑梁、两调节梁和两光纤安装梁；第一固定板和第二固定板间隔设置，且分别与待测基体的不同表面固定连接；杠杆梁设置在第一固定板与第二固定板之间，并分别与第一固定板与第二固定板间隔设置；支撑梁设置在杠杆梁与第一固定板之间，且支撑梁的两端分别与杠杆梁和第一固定板相邻的端面固定连接；两调节梁均设置在杠杆梁与第二固定板之间，且两调节梁的两端分别与杠杆梁和第二固定板相邻的侧表面固定连接，两调节梁平行且间隔设置；两光纤安装梁也设置在杠杆梁与第一固定板之间，且两光纤安装梁的一端与杠杆梁靠近第一固定板的侧表面的不同位置固定连接，两光纤安装梁的另一端朝着第一固定板所在方向延伸设置；两光纤安装梁远离杠杆梁的一端均设置有限位部，限位部朝着远离待测基体的端面向外伸出，限位部上设置有与光纤表面贴合的凹槽，凹槽与光纤的表面焊接固定；光栅部张紧悬置于两光纤安装梁的限位部的中间位置。
优选的，所述光纤与限位部的凹槽贴合的表面设置有金属镀层，金属镀层与凹槽的内表面焊接固定。
优选的，所述杠杆梁与第一固定板和第二固定板的间距不同。
优选的，所述支撑梁的纵向中心面与杠杆梁的纵向中心面正交设置；两调节梁或者两光纤安装梁到支撑梁的纵向中心面的距离相等。
优选的，所述第一固定板或者第二固定板上设置有若干连接孔，若干连接孔贯通设置，若干连接孔用于与待测基体固定连接。
优选的，所述光栅部的第一栅区为默认半径；第二栅区是通过氢氟酸对光栅部的表面进行腐蚀得到的。
优选的，所述光栅部通过弹性增敏基片测量待测基体的温度-应变复合测量，是根据第一栅区和第二栅区在解调仪上分别得到两个不同中心波长的峰值，光栅部所受到的环境温度影响相同，而第一栅区和第二栅区的半径不同，导致第一栅区和第二栅区受到的应变不一致，令第一栅区所受的应变为，第二栅区所受的应变为/>，通过光栅部中心波长变化与温度-应变的关系式为：/>，/>和/>分别为第一栅区和第二栅区的中心波长变化量；/>、/>、/>和/>为常数；/>为应变变化量；/>为温度变化量；将上述光栅部中心波长变化与温度-应变的关系式改写为/>，其中/>，，/>，为避免矩阵K对应变和温度监测产生不利影响，需要使矩阵K的条件数K 0趋近于1。
优选的，所述光栅部通过弹性增敏基片测量待测基体的温度-应变复合测量，还需要获取弹性增敏基片的传感器增敏倍数q，令第一固定板与第二固定板之间的间距为L，假设待测基体对第一固定板与第二固定板之间产生的应力形变为，即第一固定板与第二固定板之间的间距变为/>，结合材料力学原理和莫尔积分，在弹性增敏基片产生应变时，光栅区对应产生的应变为/>，则弹性增敏基片的传感器增敏倍数/>。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述光纤的非光栅区和非金属镀层的表面还对应的设置有涂覆层。
本发明提供的铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器，相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本申请的光纤光栅温度-应变复合传感器通过弹性增敏基片构成的超静定铰链机构实现较宽的灵敏度放大倍数调节，弹性增敏基片采用一体成型设计，结构可靠；
(2)光纤光栅传感器可以通过调节杠杆梁、支撑梁、光纤安装梁以及调节梁的尺寸大小与材料属性来获得所需的应变灵敏度，适应不同使用场景的需求；
(3)采用阶梯减径光纤光栅，可方便地实现温度-应变复合测量，且不需额外地添加温度补偿光纤，或是设计其他的温度补偿机构；
(4)采用激光焊接的无胶封装方式，具有耐高温以及固定更牢靠的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器的结构俯视图；
图2为本发明铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器移除光纤后的前视图；
图3为本发明铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器移除光纤后的俯视图；
图4为本发明铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器的弹性增敏基片的一种简化结构示意图；
图5为本发明铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器对弹性增敏基片进行简化杆件标注的示意图；
图6为本发明铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器的立体图；
图7为本发明铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器的弹性增敏基片的另一种结构的示意图；
图8为本发明铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器的静定处理的一种受力状态示意图；
图9为本发明铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器的光纤的结构示意图。
附图标记：1、光纤；2、光栅部；3、金属镀层；4、涂覆层；5、弹性增敏基片；5-1、连接孔；5-2、第一固定板；5-3、支撑梁；5-4、限位部；5-5、凹槽；5-6、光纤安装梁；5-7、杠杆梁；5-8、调节梁；5-9、第二固定板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器，包括：
光纤1，具有光栅部2；光栅部2包括半径不同的第一栅区和第二栅区；光栅部2的第一栅区为默认半径；第二栅区是通过氢氟酸对光栅部2的表面进行腐蚀得到的。
弹性增敏基片5跨设在待测基体表面的不同位置，并与待测基体固定连接；弹性增敏基片5远离待测基体的一侧间隔的设置有向外伸出的两限位部5-4；光纤1的不同位置的表面分别与两限位部5-4远离待测基体的端面固定连接，光纤1的光栅部2悬置张紧在两限位部5-4之间的区域。弹性增敏基片5整体构成一个超静定铰链机构。
其中，光栅部2通过弹性增敏基片5测量待测基体的温度-应变复合测量。
弹性增敏基片5具有较好的灵敏度，能够将待测基体产生的应变传递至光纤1及其光栅部2。光栅部的两个半径不同的第一栅区和第二栅区对同一个输入，如应变会产生两个不同中心波长的信号，利用该中心波长变化与应变、温度，反算待测基体的实际的应变。
如图1-图4所示，除了上述限位部5-4的结构外，弹性增敏基片5还包括第一固定板5-2、第二固定板5-9、杠杆梁5-7、支撑梁5-3、两调节梁5-8和两光纤安装梁5-6；第一固定板5-2和第二固定板5-9间隔设置，且分别与待测基体的不同表面固定连接；杠杆梁5-7设置在第一固定板5-2与第二固定板5-9之间，并分别与第一固定板5-2与第二固定板5-9间隔设置；支撑梁5-3设置在杠杆梁5-7与第一固定板5-2之间，且支撑梁5-3的两端分别与杠杆梁5-7和第一固定板5-2相邻的端面固定连接；两调节梁5-8均设置在杠杆梁5-7与第二固定板5-9之间，且两调节梁5-8的两端分别与杠杆梁5-7和第二固定板5-9相邻的侧表面固定连接，两调节梁5-8平行且间隔设置；两光纤安装梁5-6也设置在杠杆梁5-7与第一固定板5-2之间，且两光纤安装梁5-6的一端与杠杆梁5-7靠近第一固定板5-2的侧表面的不同位置固定连接，两光纤安装梁5-6的另一端朝着第一固定板5-2所在方向延伸设置；两光纤安装梁5-6远离杠杆梁5-7的一端均设置有限位部5-4，限位部5-4朝着远离待测基体的端面向外伸出，限位部54上设置有与光纤1表面贴合的凹槽5-5，凹槽5-5与光纤1的表面焊接固定；光栅部2张紧悬置于两光纤安装梁5-6的限位部5-4的中间位置。
如图2和图3所示，支撑梁5-3的两端分别与第一固定板5-2和杠杆梁5-7的端面的中间位置垂直连接；支撑梁5-3的纵向中心面与杠杆梁5-7的纵向中心面正交设置；两调节梁5-8或者两光纤安装梁5-6到支撑梁5-3的纵向中心面的距离相等。即两调节梁5-8相对于支撑梁5-3对称设置，也相对于支撑梁5-3对称设置。从附图可知，第一固定板5-2、第二固定板5-9、杠杆梁5-7、支撑梁5-3、两调节梁5-8和两光纤安装梁5-6的厚度基本相当，为了保持光纤1的悬置张紧状态，减少与弹性增敏基片5的表面接触的面积，通过在两光纤安装梁5-6分别设置向外伸出的限位部5-4，由于光纤1是柱状结构，为了提高与光纤1的表面与限位部5-4的端面相吻合，限位部5-4的端面开设了贯通的半圆形的凹槽5-5，从而增大与限位部5-4的贴合面积和贴合效果。弹性增敏基片5的各部分均采用金属材料制成。在外部施加的力或者应变条件下，会相应的发生形变。
如图1和图9所示，为了更好的与限位部5-4结合固定，光纤1与限位部5-4的凹槽5-5贴合的表面设置有金属镀层3，金属镀层3与凹槽5-5的内表面焊接固定。金属镀层3仅设置在与凹槽5-5贴合的光纤1的表面。对该部分光纤表面金属化的过程为：先用剥线钳去除光纤焊接处涂覆层4，在进行敏化、活化、化学镀镍、电镀镍层等步骤可以实现光纤金属化操作，并且可以实现所需金属镀层3的厚度。为了对光纤进行防护，光纤1的非光栅区2和非金属镀层3的表面还对应的设置有涂覆层4。金属镀层3与半圆形的凹槽5-5焊接时的方法如下：保证光纤1处于悬置状态下，对位于凹槽5-5内的光纤1的两端施加一定的预紧力，通过激光焊接或钎焊的方式光纤1固定在两个半圆形的凹槽5-5内，等金属焊接冷却完全固定之后，撤掉所施加的预紧力即可。采用焊接方式，可以免去常见的粘接方式不耐高温的缺点。
如图1-8所示，为了更好的与待测基体进行固定，在第一固定板5-2或者第二固定板5-9上设置有若干连接孔5-1，若干连接孔5-1贯通设置，若干连接孔5-1用于与待测基体固定连接。可通过连接孔5-1直接与待测基体表面进行焊接。
本申请中，杠杆梁5-7与第一固定板5-2和第二固定板5-9的间距不同。当然，在另外的实施例中，也可以根据需要，将杠杆梁5-7设置在第一固定板5-2和第二固定板5-9的正中，在此不再赘述。
本申请中，光栅部2通过弹性增敏基片5测量待测基体的温度-应变复合测量，具体的是根据第一栅区和第二栅区在解调仪上分别得到两个不同中心波长的峰值，光栅部2所受到的环境温度影响相同，而第一栅区和第二栅区的半径不同，导致第一栅区和第二栅区受到的应变不一致，令第一栅区所受的应变为，第二栅区所受的应变为/>，通过光栅部2中心波长变化与温度-应变的关系式为：/>，公式1；/>和分别为第一栅区和第二栅区的中心波长变化量；/>、/>、/>和/>为常数；/>为应变变化量；/>为温度变化量；将上述公式1改写为/>，公式2；其中/>，/>，/>，为避免矩阵K对应变和温度监测产生不利影响，需要使矩阵K的条件数K 0趋近于1。
分析如下：当传感器输出量波长漂移有微小扰动，但是矩阵K精确时，将公式2改写为：，公式3；其中/>为扰动误差，/>为扰动误差引起的测量误差；由公式3可得，/>，公式4，K -1为矩阵K的逆矩阵；对公式4两端取范数，利用范数的性质，可得/>，公式5；对公式2也取范数得到，公式6；可以得到如下关系/>，公式7；再对/>取范数，得到/>，公式8；考虑到/>，两边取范数得到，/>，公式9；从而联立得到如下关系：，公式10，/>为矩阵K的条件数；由公式10可知，矩阵K的条件数/>越大，输出波长漂移对传感器的测量精度影响越大，使得测量的相对误差越大。
当矩阵K有微小扰动而传感器输出波长漂移精确时，将公式2改写为：，公式11，其中/>为扰动误差，/>为扰动误差引起的测量误差；由公式11可得，/>，公式12；进一步引入单位矩阵/>，将公式12改写为：/>，公式13；，公式14；应用矩阵分析的方法可知：，公式15；通过公式15可知，测量温度-应变的相对误差上界，显然是矩阵K的条件数/>越大，测量所得的I 0相对误差越大。
综上所述，影响测量温度-应变的结果的主要因素之一是矩阵K的条件数的大小，它是由传感器结构本身特性所决定，可以通过改变氢氟酸溶液的浓度、光纤光栅的腐蚀时间等因素来控制矩阵K的条件数/>。当条件数/>大到一定程度时，传感器性能就会发生变化，保证矩阵K的条件数K 0趋于1是非常必要的。
图4是对图1-图3中的弹性增敏基片5进行简化后的示意图。图中，第一固定板5-2与第二固定板5-9的间距为d 1；线段AD表示支撑梁5-3，线段AD的长度为d 0，即第一固定板5-2的端面到杠杆梁5-7的纵向中心面的距离为d 0，支撑梁5-3的截面积为S 1，支撑梁5-3的惯性矩为I 1；D为线段MN的重点，线段MN表示杠杆梁5-7，线段MD的长度为d 5，即支撑梁5-3的中心面与光纤安装梁5-6的中心面的距离；线段MN的长度为2倍的d 5，杠杆梁5-7的截面积为S 2，杠杆梁5-7的惯性矩为I 2；线段EM和线段FN分别为光纤安装梁5-6，光纤安装梁5-6的长度为d 2；光纤安装梁5-6的截面积为S 3，光纤安装梁5-6的惯性矩为I 3；线段GB和线段HC分别为调节梁5-8，调节梁5-8的截面积为S 4，调节梁5-8的惯性矩为I 4；调节梁5-8与支撑梁5-3的纵向中心面的距离为d 4；调节梁5-8与相邻的光纤安装梁5-6的纵向中心面的距离为d 6。端点A、B和C都处于固定状态，对应了第一固定板5-2与第二固定板5-9的固定状态。
图5是将弹性增敏基片5的各梁简化为杆件的示意图。图中的a为支撑梁5-3的宽度；a2为杠杆梁5-7的宽度；a3为光纤安装梁5-6的宽度；a4为调节梁5-8的宽度。光纤安装梁5-6的长度为d 2，指的是杠杆梁5-7的纵向中心面与凹槽5-5的距离。
另外，光栅部2通过弹性增敏基片5测量待测基体的温度-应变复合测量，还需要获取弹性增敏基片5的传感器增敏倍数q，令第一固定板5-2与第二固定板5-9之间的间距为L，假设待测基体对第一固定板5-2与第二固定板5-9之间产生的应力形变为，即第一固定板5-2与第二固定板5-9之间的间距变为/>，结合材料力学原理和莫尔积分，在弹性增敏基片5产生应变/>时，光栅区对应产生的应变为/>，则弹性增敏基片5的传感器增敏倍数/>。
具体的，本申请的光纤光栅温度-应变复合传感器为超静定铰链结构，需要先进行静定处理，去除多余约束，使用添加多余约束力替代冗余约束，可解除支点B处的固定连接，用三个力替代，以及去除线段EF的光纤约束，用线段EF光纤轴向力替代，且假设使得传感器产生形变的应力，采用一个外力f替代，力分析简化如图8所示，结合莫尔积分以及变形协调方程，可得知以下公式：
，公式16，其中/>表示在多余约束力/>，第i种情形的微变形；/>为在外力f的作用下，第n种情形下的微变形；；对应的四种不同情形的微变形的内容为：
当i=1或n=1时，表示B点处水平方向的微变形；
当i=2或n=2时，表示B点处竖直方向的微变形；
当i=3或n=3时，表示B点处的微转角；
当i=4或n=4时，表示光纤EF杆中点处的竖直相对微变形。
根据实际情况以及受力分析可以得知，B点处的总水平形变为0，总竖直形变为0，且总转角为0；EF光纤杆件中点处的竖直方向总相对位移为0，可得知：为0，公式17；则公式16改写为/>，公式18。
在外力f作用下，根据材料力学中的莫尔积分，分别计算上述四种情形下的微变形，得到：
，公式19；
，公式20；
，公式21；
，公式22。
令弹性增敏基片5的弹性模量为，在多余约束力/>的作用下，根据材料力学中莫尔积分，分别计算四种不同情形的微变形：
，公式23；
，公式24；
，公式25；
，公式26。
在多余约束力的作用下，根据材料力学中莫尔积分，分别计算三种不同情形的微变形：/>，公式27；
，公式28；
，公式29。
在多余约束力的作用下，根据材料力学中莫尔积分，分别计算两种不同情形的微变形：
，公式30；/>，公式31。
在多余约束力的作用下，根据材料力学中莫尔积分，分别计算四点的形变：，公式32；/>为光纤1的弹性模量；为光纤1的截面积；光纤受到轴向的多余约束力/>的作用产生的形变表示为。再根据材料力学中位移互等定理可知：
，公式33；
，公式34；
，公式35；
，公式36；
，公式37；
，公式38。
令，/>，/>，即可求解出系数/>和/>，再根据上述公式16和公式18，解出/>，公式39。
由于弹性增敏基片5的形变是由力f、/>、/>、/>和/>共同作用下导致的，故/>可以表示为弹性增敏基片5单独在力f、/>、/>、/>和/>作用下的形变和：，公式40，其中/>、/>、/>、/>和/>分别为力f、/>、/>、/>和/>单独作用在A点的水平位移。根据材料力学中莫尔积分，分别计算不同作用力单独作用在A点所产生的水平位移：
，公式41；
，公式42；
，公式43；
，公式44；
，公式45。
根据前述的应变的定义，公式46，来分别计算光纤的应变/>，公式47；以及弹性增敏基片5的应变/>，公式48，结合前述的弹性增敏基片5的传感器增敏倍数/>，公式49，即可算出传感器增敏倍数q。
由于裸光纤的应变灵敏度约为，则本申请求得的铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器的应变灵敏度为q倍的/>。
图7是本申请的铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器的另一种结构的示意图，在这种结构中，两调节梁5-8分别与杠杆梁5-7的端部的侧表面平齐且垂直的朝向第二固定板5-9方向延伸，两光纤安装梁5-6与杠杆梁5-7的非端部的侧面固定连接，且两光纤安装梁5-6到支撑梁5-3的距离小于两调节梁5-8到支撑梁5-3的距离。其分析过程与上述内容相同，仅弹性增敏基片5的形状存在区别。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器，其特征在于，包括：
光纤（1），具有光栅部（2）；所述光栅部（2）包括半径不同的第一栅区和第二栅区；
弹性增敏基片（5），跨设在待测基体表面的不同位置，并与待测基体固定连接；弹性增敏基片（5）远离待测基体的一侧间隔的设置有向外伸出的两限位部（5-4）；所述光纤（1）的不同位置的表面分别与两限位部（5-4）远离待测基体的端面固定连接，光纤（1）的光栅部（2）悬置张紧在两限位部（5-4）之间的区域；
所述弹性增敏基片（5）还包括第一固定板（5-2）、第二固定板（5-9）、杠杆梁（5-7）、支撑梁（5-3）、两调节梁（5-8）和两光纤安装梁（5-6）；第一固定板（5-2）和第二固定板（5-9）间隔设置，且分别与待测基体的不同表面固定连接；杠杆梁（5-7）设置在第一固定板（5-2）与第二固定板（5-9）之间，并分别与第一固定板（5-2）与第二固定板（5-9）间隔设置；支撑梁（5-3）设置在杠杆梁（5-7）与第一固定板（5-2）之间，且支撑梁（5-3）的两端分别与杠杆梁（5-7）和第一固定板（5-2）相邻的端面固定连接；两调节梁（5-8）均设置在杠杆梁（5-7）与第二固定板（5-9）之间，且两调节梁（5-8）的两端分别与杠杆梁（5-7）和第二固定板（5-9）相邻的侧表面固定连接，两调节梁（5-8）平行且间隔设置；两光纤安装梁（5-6）也设置在杠杆梁（5-7）与第一固定板（5-2）之间，且两光纤安装梁（5-6）的一端与杠杆梁（5-7）靠近第一固定板（5-2）的侧表面的不同位置固定连接，两光纤安装梁（5-6）的另一端朝着第一固定板（5-2）所在方向延伸设置；两光纤安装梁（5-6）远离杠杆梁（5-7）的一端均设置有限位部（5-4），限位部（5-4）朝着远离待测基体的端面向外伸出，限位部（5-4）上设置有与光纤（1）表面贴合的凹槽（5-5），凹槽（5-5）与光纤（1）的表面焊接固定；光栅部（2）张紧悬置于两光纤安装梁（5-6）的限位部（5-4）的中间位置；
所述杠杆梁（5-7）与第一固定板（5-2）和第二固定板（5-9）的间距不同；
其中，光栅部（2）通过弹性增敏基片（5）测量待测基体的温度-应变复合测量。
2.根据权利要求1所述的铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器，其特征在于，所述光纤（1）与限位部（5-4）的凹槽（5-5）贴合的表面设置有金属镀层（3），金属镀层（3）与凹槽（5-5）的内表面焊接固定。
3.根据权利要求1所述的铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器，其特征在于，所述支撑梁（5-3）的纵向中心面与杠杆梁（5-7）的纵向中心面正交设置；两调节梁（5-8）或者两光纤安装梁（5-6）到支撑梁（5-3）的纵向中心面的距离相等。
4.根据权利要求1所述的铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器，其特征在于，所述第一固定板（5-2）或者第二固定板（5-9）上设置有若干连接孔（5-1），若干连接孔（5-1）贯通设置，若干连接孔（5-1）用于与待测基体固定连接。
5.根据权利要求1所述的铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器，其特征在于，所述光栅部（2）的第一栅区为默认半径；第二栅区是通过氢氟酸对光栅部（2）的表面进行腐蚀得到的。
6.根据权利要求5所述的铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器，其特征在于，所述光栅部（2）通过弹性增敏基片（5）测量待测基体的温度-应变复合测量，是根据第一栅区和第二栅区在解调仪上分别得到两个不同中心波长的峰值，光栅部（2）所受到的环境温度影响相同，而第一栅区和第二栅区的半径不同，导致第一栅区和第二栅区受到的应变不一致，令第一栅区所受的应变为，第二栅区所受的应变为/>，通过光栅部（2）中心波长变化与温度-应变的关系式为：/>，和/>分别为第一栅区和第二栅区的中心波长变化量；/>、/>、/>和为常数；/>为应变变化量；/>为温度变化量；将上述光栅部（2）中心波长变化与温度-应变的关系式改写为/>，其中/>，，/>，为避免矩阵K对应变和温度监测产生不利影响，需要使矩阵K的条件数K 0趋近于1。
7.根据权利要求6所述的铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器，其特征在于，所述光栅部（2）通过弹性增敏基片（5）测量待测基体的温度-应变复合测量，还需要获取弹性增敏基片（5）的传感器增敏倍数q，令第一固定板（5-2）与第二固定板（5-9）之间的间距为L，假设待测基体对第一固定板（5-2）与第二固定板（5-9）之间产生的应力形变为，即第一固定板（5-2）与第二固定板（5-9）之间的间距变为/>，结合材料力学原理和莫尔积分，在弹性增敏基片（5）产生应变/>时，光栅区对应产生的应变为/>，则弹性增敏基片（5）的传感器增敏倍数/>。
8.根据权利要求2所述的铰链与阶梯减径光栅相结合的温度自补偿光纤应变传感器，其特征在于，所述光纤（1）的非光栅区（2）和非金属镀层（3）的表面还对应的设置有涂覆层（4）。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001014840A1 (de) * | 1999-08-20 | 2001-03-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Bragg-gitter-vorrichtung zum messen einer mechanischen kraft sowie anwendung und verfahren zum betrieb der vorrichtung |
| CN102829893A (zh) * | 2012-09-20 | 2012-12-19 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 一种通过腐蚀得到不同直径光纤光栅来同时测量温度和应力的方法 |
| CN105890532A (zh) * | 2014-12-25 | 2016-08-24 | 中国计量学院 | 一种二级杠杆传递的光纤光栅应变增敏器件 |
| CN105890533A (zh) * | 2015-01-19 | 2016-08-24 | 中国计量学院 | 一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件 |
| CN106441140A (zh) * | 2016-10-25 | 2017-02-22 | 武汉理工大学 | 一种光纤光栅应变增敏传感器 |
| CN107202545A (zh) * | 2017-06-20 | 2017-09-26 | 西安交通大学 | 一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器 |
| CN111505337A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-08-07 | 中山市精量光电子科技有限公司 | 一种温度不敏感的椭圆铰链光纤光栅加速度传感器 |
| CN115824075A (zh) * | 2022-08-29 | 2023-03-21 | 武汉理工大学 | 一种非型增敏光纤光栅应变传感器 |
-
2023
- 2023-10-18 CN CN202311345389.9A patent/CN117073571B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001014840A1 (de) * | 1999-08-20 | 2001-03-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Bragg-gitter-vorrichtung zum messen einer mechanischen kraft sowie anwendung und verfahren zum betrieb der vorrichtung |
| CN102829893A (zh) * | 2012-09-20 | 2012-12-19 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 一种通过腐蚀得到不同直径光纤光栅来同时测量温度和应力的方法 |
| CN105890532A (zh) * | 2014-12-25 | 2016-08-24 | 中国计量学院 | 一种二级杠杆传递的光纤光栅应变增敏器件 |
| CN105890533A (zh) * | 2015-01-19 | 2016-08-24 | 中国计量学院 | 一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件 |
| CN106441140A (zh) * | 2016-10-25 | 2017-02-22 | 武汉理工大学 | 一种光纤光栅应变增敏传感器 |
| CN107202545A (zh) * | 2017-06-20 | 2017-09-26 | 西安交通大学 | 一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器 |
| CN111505337A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-08-07 | 中山市精量光电子科技有限公司 | 一种温度不敏感的椭圆铰链光纤光栅加速度传感器 |
| CN115824075A (zh) * | 2022-08-29 | 2023-03-21 | 武汉理工大学 | 一种非型增敏光纤光栅应变传感器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 朱萍玉;李永敬;申昊文;朱金;: "一种具有温度补偿的"王"字形FBG应变传感器研制", 仪表技术与传感器, no. 08, pages 12 - 17 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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