CN201266078Y

CN201266078Y - 一种光纤光栅应变传感器

Info

Publication number: CN201266078Y
Application number: CNU2008201093287U
Authority: CN
Inventors: 弓俊青; 曹春耕; 惠云玲; 郭春红; 郑云
Original assignee: SHANGHAI SENSORLEAD CO Ltd; Central Research Institute of Building and Construction Co Ltd MCC Group
Current assignee: SHANGHAI SENSORLEAD CO Ltd; Central Research Institute of Building and Construction Co Ltd MCC Group
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2018-07-18

Abstract

本实用新型公开了一种光纤光栅应变传感器，包括：弓弦式弹性折线组件、光纤光栅和端座；所述弓弦式弹性折线组件由两片上下对称放置的弓弦式弹性折线元件组成，且所述弓弦式弹性折线组件的两端分别固定在端座上；所述光纤光栅位于所述两片弓弦式弹性折线元件之间，且固定于弓弦式弹性折线组件的两端；所述弓弦式弹性折线元件具有至少一个折弯部，所述折弯部在受到轴向应力时将产生伸缩。通过使用上述的光纤光栅应变传感器，使得可根据实际情况灵活地调节该光纤光栅应变传感器的测试范围，从而可适应多种应用环境；并可在安装后对该光纤光栅应变传感器的零点波长进行调节，因此也避免了因安装而引起的零点波长漂移的问题。

Description

一种光纤光栅应变传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤光栅传感技术领域，尤其是指一种光纤光栅应变传感器。

背景技术

光纤光栅传感技术是一种重要的传感技术，使用该技术可对结构的应变和温度等进行高分辨率和大范围的分布式测量，因此该技术已被广泛地应用于航空航天器和船舶的结构检测、建筑结构的监测、复合材料固化监测、地震检测等领域。

光纤光栅传感器的基本原理是：在光纤纤芯内形成空间相位光栅，当该光纤光栅所在的区域的温度、应变或应力等物理量发生变化时，该光纤光栅的调制周期将相应地发生变化，因此被该光纤光栅反射的光所产生的衍射条纹也将发生变化，从而导致该光纤光栅的布拉格(Bragg)波长发生变化。通过对上述Bragg波长变化情况的检测，即可获得该光纤光栅所在区域内相应的温度、应变或应力的信息。

在现有技术中，传统的光纤光栅应变传感器的测试范围一般比较固定，无法根据实际情况进行调节。例如，当传统的光纤光栅应变传感器的测试范围被设定为0～3000微应变(με)的正应变时，该光纤光栅应变传感器将无法测量负应变(例如，-1500～0με)；而且，传统的光纤光栅应变传感器在安装后无法对预先调整的零点波长进行调节，因此无法避免因安装而引起的零点波长漂移问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例的主要目的在于提供一种光纤光栅应变传感器，从而可对光纤光栅应变传感器的测试范围以及零点波长进行调节。

为达到上述目的，本实用新型实施例中的技术方案是这样实现的：

本实用新型提供了一种光纤光栅应变传感器，所述光纤光栅应变传感器包括：弓弦式弹性折线组件、光纤光栅和端座；

所述弓弦式弹性折线组件由两个沿传感器轴线方向上下对称放置的弓弦式弹性折线元件组成，且每个所述弓弦式弹性折线元件均具有至少一个折弯部；所述折弯部在受到沿传感器轴线方向的轴向应力时将产生形变；

所述两个弓弦式弹性折线元件的折弯部相背扣合在一起，使得两个弓弦式弹性折线元件的两端相接触；

所述光纤光栅沿传感器轴线方向被夹持于所述两个弓弦式弹性折线元件之间，其两端分别固定于所述弓弦式弹性折线元件的两端；所述每个弓弦式弹性折线元件的两端均分别固定在所述端座上。

综上可知，本实用新型提供了一种光纤光栅应变传感器。由于该光纤光栅应变传感器具有弓弦式弹性折线组件，且该弓弦式弹性折线组件可根据轴向应力收缩或伸长，因此该光纤光栅应变传感器的测试范围可根据实际情况进行灵活地调节，即可测试负应变又可测试正应变，从而可适应多种应用环境；同时，由于该光纤光栅应变传感器的零点波长可在安装后进行调节，因此也避免了因安装而引起的零点波长漂移的问题。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例中光纤光栅应变传感器的结构示意图。

图2为本实用新型第二实施例中光纤光栅应变传感器的结构示意图。

图3为本实用新型第三实施例中光纤光栅应变传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细地说明。

图1为本实用新型中光纤光栅应变传感器的结构示意图。如图1所示，本实用新型中的光纤光栅应变传感器包括：弓弦式弹性折线组件1、光纤光栅2、端座4和外壳5，图1中的水平方向为传感器轴线方向。其中，上述弓弦式弹性折线组件1由两个沿传感器轴线方向上下对称放置的弓弦式弹性折线元件10组成，每个弓弦式弹性折线元件10均具有两个形状尺寸完全相同的折弯部11，相邻折弯部11之间相邻两边的末端沿传感器轴线方向延展形成水平面接触部12，两个弓弦式弹性折线元件10通过所述折弯部11之间的水平面接触部12相接触；将上述两个弓弦式弹性折线元件10的折弯部11相背扣合在一起，使得两个弓弦式弹性折线元件10的两端相接触，且两个弓弦式弹性折线元件10的水平面接触部12沿传感器轴线方向对齐后相接触，在每个弓弦式弹性折线元件10的水平面接触部12分别设置相对的沿传感器轴线方向的通槽，该两个通槽形成一通孔3，光纤光栅2穿过上述的通孔3，沿传感器轴线方向被夹持于所述两个弓弦式弹性折线元件10之间，并分别固定于弓弦式弹性折线元件10的两端；上述弓弦式弹性折线元件10的两端分别固定在端座4上；外壳5用于保护光纤光栅应变传感器，该外壳5与上述弓弦式弹性折线元件的折弯部11之间具有空隙，该空隙使得当上述折弯部11发生形变时，该折弯部11也不与外壳5发生接触。当上述弓弦式弹性折线组件1受到沿传感器轴线方向的轴向应力时，该弓弦式弹性折线组件1的折弯部11将产生形变，即当上述弓弦式弹性折线组件1受到沿传感器轴线方向向内的轴向应力时，每个折弯部11的两边所夹的角度都将相应变小，从而使得整个弓弦式弹性折线组件1发生收缩，而当上述弓弦式弹性折线组件受到沿传感器轴线方向向外的轴向应力时，每个折弯部11的两边所夹的角度都将相应变大，从而使得整个弓弦式弹性折线组件1发生伸长；此外，每个折弯部11的两边所夹的角度为钝角，折弯部11的两边在不受轴向应力时所夹的钝角α的角度可根据实际情况预先设定，较佳的，该钝角α满足条件：120°≤α≤150°；两个弓弦式弹性折线元件11的两端相接触的部分的长度以及每个弓弦式弹性折线元件11的水平面接触部12的长度也可根据实际情况预先设定。

上述弓弦式弹性折线组件1与端座4的固定方式可以是使用焊接方式进行固定或使用螺栓进行固定；上述光纤光栅2与弓弦式弹性折线组件1的固定方式可以是使用非胶封装的方式(例如，焊接方式)进行固定或使用胶封装的方式进行固定。

上述光纤光栅应变传感器的安装过程极为简便，例如，可先将安装底座焊接在被测物体上(图1中未示出)，再将上述光纤光栅应变传感器固定在上述安装底座上。通过调节光纤光栅应变传感器的端座4，使得弓弦式弹性折线组件1被拉伸或收缩，由于光纤光栅2固定在弓弦式弹性折线组件1的两端，所以光纤光栅2也同时被拉伸或收缩，其Bragg波长将发生相应的变化，因此可根据实际需要调节光纤光栅应变传感器的初始波长的位置，然后再将上述光纤光栅应变传感器固定，完成安装。

在安装完成后，由于端座4与弓弦式弹性折线组件1之间是刚性连接，而光纤光栅2固定于弓弦式弹性折线组件1的两端，因此当光纤光栅应变传感器受到轴向应力作用时，弓弦式弹性折线组件1将产生收缩或伸长，使得光纤光栅2也随之收缩或伸长，引起光纤光栅2中的波长和有效折射率发生变化，因此光纤光栅2所反射的光信号的中心波长将发生变化；然后，可根据该中心波长的漂移情况获知应力的变化情况，从而实现了对应力变化的监测。

在本实用新型的实施例中，可通过调整上述光纤光栅应变传感器的预拉伸量，将其初始中心波长调节到所需的位置，从而调整该光纤光栅应变传感器的测量范围。例如：

1)当上述光纤光栅应变传感器所需的测量范围为0～3000με时，此时所测量的应力变化为正应力，则将该光纤光栅应变传感器调整到初始中心波长(即零点波长)即可；因此，可不对该光纤光栅应变传感器进行预拉伸。

2)当上述光纤光栅应变传感器所需的测量范围为-1500～1500με时，则可将该光纤光栅应变传感器预拉1500με后再固定于被测物体(或固定于被测物体上的安装底座)上，相当于将该光纤光栅应变传感器的初始中心波长从0调整到-1500με。当该光纤光栅应变传感器受到轴向的负应力(即向内的轴向应力)时，该光纤光栅应变传感器可随应力发生收缩并引起中心波长的变化，从而可根据其中心波长的变化情况测量负应力的变化情况；同理，当该光纤光栅应变传感器受到轴向的正应力(即向外的轴向应力)时，该光纤光栅应变传感器可随应力发生伸长并引起中心波长的变化，从而可根据其中心波长的变化情况测量正应力的变化情况，因此，该光纤光栅应变传感器的测量范围为-1500～1500με。

3)当上述光纤光栅应变传感器所需的测量范围为-3000～0με时，则可将该光纤光栅应变传感器预拉3000με后再固定于被测物体(或固定于被测物体上的安装底座)上，相当于将该光纤光栅应变传感器的初始中心波长从0调整到-3000με。此时，当该光纤光栅应变传感器受到轴向的负应力(即向内的轴向应力)时，该光纤光栅应变传感器可随应力发生收缩并引起中心波长的变化，从而可根据其中心波长的变化情况测量负应力的变化情况，因此，该光纤光栅应变传感器的测量范围为-3000～0με。

另外，在本实用新型的实施例中，上述的组成弓弦式弹性折线组件1的两个弓弦式弹性折线元件10可以只具有一个折弯部11，如图2所示；或者可具有两个以上形状尺寸完全相同的折弯部11，例如，图3中所示的弓弦式弹性折线元件10即具有3个形状尺寸完全相同的折弯部11。当所述弓弦式弹性折线元件10只具有一个折弯部11时，则每个弓弦式弹性折线元件10不具有水平面接触部12；当所述两片弓弦式弹性折线元件10具有两个以上的折弯部11时，则每个弓弦式弹性折线元件10的每两个相邻的折弯部11之间均具有一水平面接触部12，每两个相对应的水平面接触部12均设置相对的沿传感器轴线方向的通槽，每两个相对应的通槽形成一通孔3；光纤光栅2穿过上述的通孔3，沿传感器轴线方向被夹持于所述两个弓弦式弹性折线元件10之间。

由上可知，在本实用新型的实施例中，上述光纤光栅应变传感器的测试范围可根据实际情况进行灵活地调节，即可测试负应变又可测试正应变，从而可适应多种应用环境；同时，由于该光纤光栅应变传感器的零点波长可在安装后进行调节，因此也不存在由于安装而引起的零点波长漂移的问题；另外，该光纤光栅应变传感器还具有可临时安装、可拆卸、可重复使用的优点，可用于测试混凝土及钢结构表面上应力变化(例如，桥梁、堤坝、钢骨架结构、高楼承重梁等的应力变化)，从而达到监测及预防的作用。

此外，由于光纤光栅传感器比较脆弱，因此光纤光栅传感器的封装技术十分关键。在现有技术中，光纤光栅应变传感器大都使用环氧树脂胶封装。但是，环氧树脂胶具有如下的缺陷：(1)不增韧时，固化物一般偏脆，抗剥离、抗开裂、抗冲击性能差；(2)对极性小的材料(例如，聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等)粘接力小，必须进行表面活化处理；(3)某些原材料如活性稀释剂、固化剂等具有不同程度的毒性和刺激性；(4)环氧树脂胶在高温或高湿度环境下易失效或性能变差(例如，粘接力变小)，因此将引起传感器本身的波长蠕变，从而干扰对实际被测物体的应变变化的判断。所以，现有技术中以环氧树脂胶封装的光纤光栅应变传感器具有难以克服的耐久性问题，使用寿命一般不超过2年。

而在本实用新型的实施例中，可使用非胶封装技术将光纤光栅2分别固定于弓弦式弹性折线组件1的两端。所述的非胶封装技术是利用低熔点特种金属焊接材料来代替传统的环氧树脂胶的封装技术。在非胶封装技术中，选用了特殊高分子金属材料(例如，镍合金)作为焊料，利用该焊料在600～800摄氏度的高温条件下熔化的特性来实现对光纤光栅与弓弦式弹性折线组件进行焊接固定。所述的非胶封装技术可采用可调恒温式激光焊接技术，封装装置可采用光学平台及高精度微调系统，并且在封装时对焊接点采用高倍数放大成像系统，理想状态是在真空状态下进行封装，从而使得形成的焊点的强度更为可靠。

在本实用新型的实施例中，由于采用非胶封装的焊接技术代替了现有技术中的环氧胶粘接技术，焊点的强度远远大于粘接点的强度，从而可大大提高该光纤光栅应变传感器的长期稳定性；由于采用无机焊料替代传统环氧胶填充，可使得该光纤光栅应变传感器的高温稳定性得到显著提升；由于上述焊料为化学惰性，因此不与环境产生化学反应、不氧化，抗老化性能好，从而使得该光纤光栅应变传感器具有更长的使用寿命(一般来说，该光纤光栅应变传感器的使用寿命可达20年)；由于上述焊料本身具备耐水、耐酸碱、高强度、无蠕变等特性，从而使得该光纤光栅应变传感器具有不怕水、耐腐蚀的性能。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1、一种光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器包括：弓弦式弹性折线组件、光纤光栅和端座；

2、根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于：

每个所述弓弦式弹性折线元件均具有至少两个形状相同的折弯部。

3、根据权利要求2所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于：

所述两个弓弦式弹性折线元件通过两个相邻的折弯部之间的水平面接触部相接触；

每个所述水平面接触部分别设置相对的沿传感器轴线方向的通槽，每两个相对应的通槽形成一通孔；所述光纤光栅穿过所述的通孔。

4、根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于：

每个所述弓弦式弹性折线元件均具有一个折弯部。

5、根据权利要求1～4中任一所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述弓弦式弹性折线元件与端座的固定方式为：

焊接方式固定或螺栓固定。

6、根据权利要求1～4中任一所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述光纤光栅与弓弦式弹性折线元件的固定方式为：

非胶封装的方式固定。

7、根据权利要求6所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述非胶封装固定所采用的焊料为低熔点特种金属焊接材料。

8、根据权利要求7所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述低熔点特种金属焊接材料为镍合金。

9、根据权利要求6所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于：

所述折弯部的两边在不受轴向应力时所夹的角度为钝角。

10、根据权利要求9所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于：

所述钝角为预先设定的角度。

11、根据权利要求9所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述钝角为不小于120°且不大于150°的钝角。

12、根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，该光纤光栅应变传感器还包括：用于保护所述光纤光栅应变传感器的外壳；

所述外壳与所述折弯部之间具有空隙；该空隙使得当所述折弯部发生形变时，所述折弯部不与外壳发生接触。