CN1869582A - 光纤光栅增减敏应变传感器设计方法与制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一类光纤光栅增减敏应变传感器设计方法与制作工艺。其过程包括光纤光栅增减敏应变传感器增减敏理论的推导、增敏系数的定义、传感器材料的选择和结构形式的确定。根据该方法设计制作的光纤光栅增减敏应变传感器，具有结构简单，制作成本低廉，受力明确，增敏系数可变，形状可塑性强，实用等优点，具有广阔的应用前景。该光纤光栅增减敏应变传感器可以用于大应变及高精度测量，特别适于土木工程表面结构和混凝土的内部应变的监测。

Description

光纤光栅增减敏应变传感器设计方法与制作工艺

(一)技术领域

本发明涉及的是用于钢结构表面应变测量的粘贴式光纤光栅增减敏应变传感器和用于混凝土内部应变测量的埋入式光纤光栅增减敏应变传感器，其中大应变增敏传感器用于测量结构的裂缝和集中应力等，高精度减敏传感器用于精度要求较高的小应变测量等。具体地说，是一种通过对材料结构形状进行优化形成的光纤光栅增减敏应变传感器。本发明还涉及这类传感器的制作工艺。

(二)背景技术

对于光纤光栅应变传感器的增减敏问题，国内外专家、学者就如何提高应变传感器的增敏系数进行了各种研究，而且取得了很大进展。但是他们都是靠采用特殊材料封装或特殊辅助机械结构来进行增敏，其工艺、结构过于复杂，仅停留在方法的探讨上，没有根据工程应用需求提出一套切实可行的增减敏措施与方法。

因此，若能通过改变传感器感知部分的力学特性，实现应变的优化分布，并在相应位置复合或安置光纤光栅敏感元件，制作光纤光栅增减敏应变传感器，可以稳定可靠地在结构上实现光纤光栅应变传感器的增减敏，简化传感器的结构，并实现增减敏应变传感器在工程中的推广使用。此外，根据工程结构的测试需要，灵活设计光纤光栅增减敏应变传感器的结构特征，实现传感器的工程化产品，具有明确的创新性与重要的研究与工程应用价值。目前，从敏感元件的增减敏机理角度出发，未见通过改变力学特性达到增减敏效果的相关报道和相关专利。

(三)发明内容

本发明的目的是为土木工程的表面应变监测和混凝土内部应变监测提供大应变和高精度的光纤光栅增减敏应变传感器的设计方法与制作工艺。

本发明的目的是这样实现的：

附图1为光纤光栅增减敏应变传感器示意图，

当B段两端受横向载荷时，

           E_AS_Aε_A＝E_BS_Bε_B        (3-1)

传感器总应变

则 ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{sensor}}=\frac{1}{l_A+l_B}(l_A{\mathrm{\ϵ}}_A+l_B{\mathrm{\ϵ}}_B)=\frac{1}{l_A+l_B}(l_A+\frac{E_A{S}_A}{E_B{S}_B}{l}_B){\mathrm{\ϵ}}_A---(3-3)$

那么，增敏系数 $K=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{sensor}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{FBG}}}=\frac{\frac{l_A}{l_B}+\frac{E_A{S}_A}{E_B{S}_B}}{\frac{l_A}{l_B}+1}---(3-4)$

令 $K_l=\frac{l_A}{l_B},K_E=\frac{E_A}{E_B},K_S=\frac{S_A}{S_B},$

则 $K=\frac{K_l+K_E{K}_S}{K_l+1}$ $(3-5)$

定义：当K＞1时为减敏，K＜1时为增敏。

那么当材料相同，即 $K_E=\frac{E_A}{E_B}=1$ 时， $K=\frac{K_l+K_S}{K_l+1}---(3-6)$

式(3-6)为光纤光栅增减敏应变传感器设计的理论基础。

本发明的产品是采用这样的工艺来制作的：

(1)确定结构形状：根据实际需要确定增敏系数后，利用式(3-6)确定各参数，对附图1用有限元软件对结构进行优化，确定具体形状；

(2)选择材料：选用高韧性、高屈服强度的金属材料，如38CrSi、17-4PH作为原料；

(3)加工原料：对于粘贴式光纤光栅增减敏应变传感器，用线切割把板材加工成厚度为0.5mm以内，结构对称，没有应力集中的结构；对于埋入式光纤光栅增减敏应变传感器，把FRP-OFBG筋车成所需的阶梯杆；

(4)组装传感器：把光栅粘贴在中间段的中心线上，对剩余光纤用套管加以保护后，接上跳线制成粘贴式光纤光栅增减敏应变传感器；在FRP-OFBG杆上套上金属套筒后，在两端拧上内、外铆头，接上跳线，制成埋入式光纤光栅增减敏应变传感器。

(5)确定被测结构应变：光纤光栅所感知的应变乘上增敏系数就是被测结构的应变。

本发明的主要部分为：增减敏系数的定义和相应传感器结构形式的确定。本发明还可以包括这样一些特征：1、粘贴式光纤光栅增减敏应变传感器材料选用38CrSi、17-4PH等具有高韧性、高屈服强度的金属材料。2、埋入式光纤光栅增减敏应变传感器的内外铆头跟套筒之间的配合为间隙配合。3、内铆头做成半剖分式带台阶的直接卡住FRP-OFBG筋的台阶面。

这类增减敏光纤光栅应变传感器具有显著的优点：1、结构简单，制作成本低廉，受力明确。2、增敏系数可以跟据实际需要选定参数任意确定，传感器的形状也可以根据工程结构需要进行适当的设计，提高了其实用性。3、彻底解决了传统的增减敏应变传感器受封装聚合物特性限制的难题，从根本上实现了光纤光栅应变传感器的增减敏。

(四)附图说明

图1是光纤光栅增减敏应变传感器示意图；

图2是粘贴式减敏传感器三维示意图；

图3是粘贴式增敏传感器三维示意图；

图4是埋入式光纤光栅增敏传感器封装结构示意图；

图5是埋入式光纤光栅减敏传感器封装结构示意图。

(五)具体实施方式

对于具体工程应用设计如下两类光纤光栅增减敏应变传感器：

(1)对于土木工程的表面应变监测需要粘贴式光纤光栅增减敏应变传感器：

设计成如附图2、附图3所示的片状，厚度相同，则式(3-6)变为

$K=\frac{K_l+\frac{h_A}{h_B}}{k_L+1}=\frac{K_l+K_h}{K_l+1}---(3-7)$

根据附图2、附图3的设计，用线切割将金属材料加工成图示的形状后，把光纤光栅拉直后，先用502胶水等速粘剂定位在结构中间部位的中心线上，再用J133等高性能胶粘剂将光纤光栅粘结在所定位处，剩余光纤部分都用套管保护起来，也用J133等高性能胶粘剂把套管的两端和传感器粘结在一起。

(2)对于土木工程的混凝土内部应变的监测需要埋入式光纤光栅增减敏应变传感器：

用FRP-OFBG智能传感筋作为感知元件，设计成附图4、附图5所示的柱状，则式(3-7)变为

$K=\frac{K_l+{\left(\frac{d_A}{d_B}\right)}^2}{K_l+1}=\frac{K_l+K_d^2}{K_l+1}---(3-8)$

d_A-A段FRP-OFBG智能传感筋的直径

d_B-B段FRP-OFBG智能传感筋的直径

根据附图4、附图5的设计，埋入式光纤光栅增减敏应变传感器的结构组成包括：作为感知元件的FRP-OFBG筋1根据增减敏要求加工成如图所示的阶梯形状，先把金属套筒2套到FRP-OFBG筋1上，接着把内铆头3卡到FRP-OFBG筋1的台阶上，然后把外铆头4拧紧到内铆头3上，拧之前在螺纹副上均匀涂抹高耐久性密封胶，防止外铆头和内铆头3之间发生滑移。

Claims (4)

1、光纤光栅增减敏应变传感器增减敏理论的推导及增敏系数的定义，其特征是：推导增敏系数 $K=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{sensor}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{FBG}}}=\frac{K_l+K_S}{K_l+1},$ 并定义当K＞1时为减敏，K＜1时为增敏。

2、根据权利1所述设计的粘贴式光纤光栅增减敏应变传感器，其特征是：材料选用38CrSi、17-4PH等具有高韧性、高屈服强度的金属材料，结构形式如图2、图3所示，增敏系数 $K=\frac{K_l+\frac{h_A}{h_B}}{K_l+1}=\frac{K_l+K_h}{K_l+1}.$

3、根据权利1所述设计的埋入式光纤光栅增减敏应变传感器，其特征是：用FRP-OFBG智能传感筋作为感知元件，结构形式如图4、图5所示， $K=\frac{K_l+{\left(\frac{d_A}{d_B}\right)}^2}{K_l+1}=\frac{K_l+{K_d}^2}{K_l+1},$ 埋入式光纤光栅增减敏应变传感器的内外铆头跟套筒之间的配合为间隙配合，内铆头做成半剖分式带台阶的直接卡住FRP-OFBG筋的台阶面。

4、光纤光栅增减敏应变传感器制作工艺，其特征是：

(1)确定结构形状：根据实际需要确定增敏系数后，利用式(3-6)确定各参数，对附图1用有限元软件对结构进行优化，确定具体形状；

(2)选择材料：选用高韧性、高屈服强度的金属材料，如38CrSi、17-4PH作为原料；

(3)加工原料：对于粘贴式光纤光栅增减敏应变传感器，用线切割把板材加工成厚度为0.5mm以内，结构对称，没有应力集中的结构；对于埋入式光纤光栅增减敏应变传感器，把FRP-OFBG筋车成所需的阶梯杆；

(4)组装传感器：把光栅粘贴在中间段的中心线上，对剩余光纤用套管加以保护后，接上跳线制成粘贴式光纤光栅增减敏应变传感器；在FRP-OFBG杆上套上金属套筒后，在两端拧上内、外铆头，接上跳线，制成埋入式光纤光栅增减敏应变传感器。

(5)确定被测结构应变：光纤光栅所感知的应变乘上增敏系数就是被测结构的应变。

Images