CN201662391U - 大应变光纤Bragg光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光栅传感器，特别是量程在3000με～10000με的大应变光纤Bragg光栅传感器，属光电子测量器件技术领域。本传感器的结构为，光纤Bragg光栅的两端分别固定于调节管内，两调节管又通过螺纹分别固定在两减敏管的一端，各减敏管的另一端通过螺纹分别固定于紧固管一端，两紧固管之间通过螺纹连接一应变管，两紧固管的下端设置固定支点。本实用新型通过机械结构对应变减敏，从而扩大了应变范围，达到了大应变的量程。

Description

大应变光纤Bragg光栅传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光栅传感器，特别是量程在3000με～10000με的大应变光纤Bragg光栅传感器，属光电子测量器件技术领域。

背景技术

目前，通信光纤在1％的筛选应变作用下，制作光纤Bragg光栅的标准通信光纤的短期允许应变可达到10000με，而长期允许应变为3000με。但3000με并不能满足实际测量的要求，例如：理想情况下，锌合金的应变最大可以达到20000με，镁合金的应变最大可以达到50000με，铸铁QT900-2，QT700-2，QT500-7的应变范围也在20000με～70000με，钢筋的应变最大可以达到140000με，45#钢的应变最大可以达到120000με。因此，急需研制大应变的光纤Bragg光栅传感器。

与本实用新型专利最接近的文献资料是：“一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法”(任亮，李宏男，专利申请号：200710157591.3)。该方法利用一根管子作传感和减敏，这种结构会使管子因为外加横向应力而变形，而管子与固定支点轴向之间的剪切作用会使力的作用点与管壁侧滑，这些都会导致测量精度降低和测量结果失效的问题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种大应变光纤Bragg光栅传感器，其结构简单，应变管能更好的传递力并且受力均匀，可避免外加横向应力使应变管轴向变形，也避免了管子与固定支点轴向之间的剪切作用使力的作用点与管壁侧滑的问题。

实现本实用新型上述目的所采用的技术方案是：光纤Bragg光栅的两端分别固定于调节管内，两调节管又通过螺纹分别固定在两减敏管的一端，各减敏管的另一端通过螺纹分别固定于紧固管一端，两紧固管之间通过螺纹连接一应变管，两紧固管的下端设置固定支点。

本实用新型的具体结构为：调节管带外螺纹，减敏管与调节管连接端带内螺纹而与紧固管连接端带外螺纹，紧固管两端带内螺纹，应变管两端带外螺纹。

当传感器为表面式传感器时，固定支点为锥形锚杆结构，固定在混凝土结构上或焊接在金属结构上；当传感器为埋入式传感器时，固定支点为与紧固管一体的法兰结构，减敏管套在保护管中。

实现大应变的数理模型：

参见附图1：两固定支点6之间的距离为L，带螺纹的调节内管1之间的光纤Bragg光栅的长度为L₁，假设固定支点6之间发生ΔL的轴向形变，则粘贴在带螺纹的调节内管1之间的光纤轴向变形量也为ΔL，由应变公式可得，传感器总应变ε为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}---\left(1\right)$

而粘贴在带螺纹的调节内管之间的光纤光栅轴向应变ε₁为

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L_1}---\left(2\right)$

由此可得，传感器总应变ε与光纤光栅应变ε₁的关系如下：

$\frac{\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\ϵ}}_1}=\frac{L_1}{L}---\left(3\right)$

因此，光纤Bragg光栅的中心波长移位与轴向应变灵敏度的关系为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_1=(1-P_e)\frac{L}{L_1}\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

由于 $\frac{L_1}{L}>1,$ ε＞ε₁，传感器对感应到的应变进行了减敏处理。普通光纤光栅可长期测量的应变为3000με左右，当 $\frac{L_1}{L}=3,$ 则实际减敏后传感器长期可监测的应变为10000με左右。

本实用新型的有益效果是：

大应变光纤Bragg光栅传感器是介于光纤Bragg光栅应变传感器与光纤Bragg光栅位移传感器之间的传感器件。光纤Bragg光栅应变传感器虽然在测量过程中可以满足测量分辨率的要求，但测量范围(小于3000με)非常有限，在大型工程结构中不能满足大应变的量程要求，而光纤Bragg光栅位移传感器可以满足大量程(10mm～1cm)的要求，但是测量的分辨率却很低。与现有光纤Bragg光栅应变传感器相比，大应变光纤Bragg光栅传感器相对降低了光纤光栅的应变灵敏度，适合于应变量程大，测量分辨率相对较低的要求。

附图说明

图1为本实用新型的表面式结构示意图。

图2为本实用新型的埋入式结构示意图。

图中各标号依次表示：调节管1、减敏管2、应变管3、光纤Bragg光栅4、紧固管5、固定支点6、光纤7、法兰8、保护管9。

具体实施方式

参见图1、2，本装置包括外壁带螺纹的调节内管1、带螺纹的减敏管2、外壁带螺纹的应变管3、光纤Bragg光栅4、内壁带螺纹的紧固管5、固定支点6和光纤7。光纤Bragg光栅4的两端用胶固定于两个外壁带螺纹的调节管1内，两个调节管1通过螺纹分别固定在减敏管2的内螺纹一端，减敏管2另一端的外螺纹固定于紧固管5的内螺纹上，两个内壁带螺纹的紧固管5之间通过螺纹连接一个外壁带螺纹的应变管3，紧固管5下端设置固定支点6。

如果传感器为图1所示的表面式传感器，固定支点6可做成锚杆的锥形结构固定在混凝土结构上；如果固定在金属结构上，固定支点6可以直接焊接在金属结构上。如果本传感器为图2所示的埋入式传感器，固定支点6为法兰8的结构，法兰结构可以防止传感器滑动，减敏管2的外部套入保护管9中，起到保护调节内管不受外界结构影响的作用。

以不锈钢材料制成的三层管封装为本实施例。

1.本传感器尺寸如下：所有管选用的材料都为45#不锈钢，两个带螺纹的调节管外径取9mm，内径取4mm，长度分别取8mm。外壁带螺纹的应变管外径取6mm，内径取5mm，长度为30mm，带螺纹的减敏管外径取10mm，内径取9mm，长度分别取50mm。内壁带螺纹的紧固管外径取11mm，紧固管长度的一半内径取10mm，另一半取6mm，长度取10mm。传感器结构整体长度约为130mm，两个调节内管之间的光纤长度约为120mm，两固定支点之间的距离约为40mm。

2.按图1或2配置实验。

3.用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长。

4.理论计算结果表明：当 $\frac{L_1}{L}=3,$ 光纤Bragg光栅的中心波长λ_B＝1550000pm，有效弹光系数p_e＝0.216，代入公式： $\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_1=(1-P_e)\frac{L}{L_1}\mathrm{\ϵ},$ 通过计算表明，该大应变光纤Bragg光栅传感器系统灵敏度为0.4051pm/με。

Claims (3)

1.一种大应变光纤Bragg光栅传感器，其特征是：光纤Bragg光栅的两端分别固定于调节管内，两调节管又通过螺纹分别固定在两减敏管的一端，各减敏管的另一端通过螺纹分别固定于紧固管一端，两紧固管之间通过螺纹连接一应变管，两紧固管的下端设置固定支点。

2.按权利要求1所述的大应变光纤Bragg光栅传感器，其特征是：调节管带外螺纹，减敏管与调节管连接端带内螺纹而与紧固管连接端带外螺纹，紧固管两端带内螺纹，应变管两端带外螺纹。

3.按权利要求2所述的大应变光纤Bragg光栅传感器，其特征是：传感器为表面式传感器时，固定支点为锥形锚杆结构，固定在混凝土结构上或焊接在金属结构上；传感器为埋入式传感器时，固定支点为与紧固管一体的法兰结构，减敏管套在保护管中。

Images