CN201707036U - 差动式光纤光栅应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种差动式光纤光栅应变传感器，包括光纤和光纤固定座，光纤上具有分别固定于光纤固定座两端的左侧固定点与右侧固定点，其主要特点是，在左侧固定点与右侧固定点之间的光纤上设置有第一光栅和第二光栅，位于第一光栅和第二光栅之间的光纤连接有一弹性部件，该弹性部件的一端固定于光纤固定座，该弹性部件的另一端连接一个拉杆，所述的拉杆在外力作用下沿所述的光纤设置方向左右移动。采用了该种结构的差动式光纤光栅应变传感器，由于其在一段固定的光纤上设置了两段光栅，使得该传感器能够利用差动原理，在测量中进行温度的自动补偿，并且通过将光纤固定在弹性元件的特定位置，实现了增大测量量程的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电传感器领域，特别涉及光纤传感器领域，具体是指一种差动式光纤光栅应变传感器。
背景技术
光纤光栅传感器是继振弦式传感器之后的一种新型的传感器。由于它具有不受电磁辐射和雷击、能结成传感网络、便于实时监控等优点，近些年这一传感技术获得迅速发展。光纤光栅传感技术是利用光栅作为灵敏元件的一项技术，其关键是在一段剥去涂覆层的裸纤上制作出一段光栅。
目前的光纤光栅传感器在性能上与传统的传感器还有一定差距，关键在于光纤的封装比较困难，设计创新不多，大都是一段光栅参与变形，结果最终变形中含有温度的影响。其封装方式有三种：一、初始光栅不受力，传感器只用来测拉应变；二、初始光栅拉到许用拉应力状态，传感器只用来测压应变；三、初始光栅拉到中间拉应力状态，传感器用来测拉应变和压应变，但单向量程减小。所以，目前的光纤光栅应变传感器在封装上存在两大缺陷：一、应变中未能消除外界温度变化对光栅的影响，必须在应变传感器附近另加一个温度传感器，或在传感器中在封装一个不受应力影响的光栅作为温度补偿；二、总量程小，通常的光纤光栅传感器的量程都小于传统的振弦式传感器3000με的量程。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够实现大量程测量和温度补偿、结构简单、制造成本低廉的差动式光纤光栅应变传感器。
为了实现上述的目的，本实用新型的差动式光纤光栅应变传感器具有如下构成：
该差动式光纤光栅应变传感器包括光纤和光纤固定座，所述的光纤上具有分别固定于所述的光纤固定座两端的左侧固定点与右侧固定点，其主要特点是，在所述的左侧固定点与右侧固定点之间的光纤上设置有第一光栅和第二光栅，位于所述的第一光栅和第二光栅之间的光纤连接有一弹性部件，所述的弹性部件的一端固定于所述的光纤固定座，所述的弹性部件的另一端连接一拉杆，所述的拉杆在外力作用下沿所述的光纤设置方向左右移动。
该差动式光纤光栅应变传感器中，所述的弹性部件的一端固定于所述的光纤固定座的底部。
该差动式光纤光栅应变传感器中，所述的弹性部件的一端固定于所述的光纤固定座的一端。
该差动式光纤光栅应变传感器中，所述的弹性部件的一端固定于光纤固定座的一端，所述的弹性部件的另一端固定于所述的第一光栅和第二光栅之间的光纤上并连接所述的拉杆。
该差动式光纤光栅应变传感器中，所述的弹性部件的两端分别固定于光纤固定座的两端上，所述的第一光栅和第二光栅之间的光纤固定连接于所述的弹性部件的中间位置，所述的弹性部件的中间位置还连接所述的拉杆。
该差动式光纤光栅应变传感器中，所述的弹性部件为弹性片或弹簧。弹性片为无波浪状膜片或有波浪状膜片。
采用了该实用新型的差动式光纤光栅应变传感器，由于其在一段固定的光纤上设置了两段光栅，并在两段光栅间设置有弹性元件，弹性部件的一端固定于光纤固定座，另一端连接拉杆，使得该传感器能够利用差动原理，在测量中进行温度的自动补偿。另外，通过将光纤固定在弹性元件的特定位置，实现了增大测量量程的目的。本实用新型结构简单，成本低廉，适用范围较广。
附图说明
图1为本实用新型的差动式光纤光栅应变传感器的第一种实施方式的结构示意图。
图2为本实用新型的差动式光纤光栅应变传感器的第二种实施方式的结构示意图。
图3为本实用新型的差动式光纤光栅应变传感器的第三种实施方式的结构示意图。
图4为本实用新型的差动式光纤光栅应变传感器的第四种实施方式的结构示意图。
图5为本实用新型的差动式光纤光栅应变传感器的第五种实施方式的结构示意图。
图6为本实用新型的差动式光纤光栅应变传感器的第一种实施方式的封装结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1所示，为本实用新型所提供的差动式光纤光栅应变传感器的一种实施方式的结构示意图。
该差动式光纤光栅应变传感器包括光纤1和光纤固定座2，所述的光纤1上具有分别固定于所述的光纤固定座两端的左侧固定点与右侧固定点，在所述的左侧固定点与右侧固定点之间的光纤1上设置有第一光栅3和第二光栅4，位于所述的第一光栅3和第二光栅4之间的光纤1连接有一弹性部件5，所述的弹性部件5的一端固定于所述的光纤固定座2的底部，所述的弹性部件5的另一端连接一拉杆6，所述的拉杆6可以在外力作用下沿所述的光纤1设置方向左右移动。在该实施方式中，所述的弹性部件5为弹性片。
在本实用新型的另一种实施方式中，如图2所示，所述的弹性部件5为弹性片，该弹性片为L形。该L形膜片的一端固定于所述的光纤固定座2的一端。
在本实用新型的一种优选的实施方式中，如图3所示，所述的弹性部件5为波浪状膜片，该波浪状膜片的一端固定于所述的光纤固定座2的一端。
在本实用新型的又一种实施方式中，如图4所示，所述的弹性部件5的一端固定于光纤固定座2的一端。所述的光纤1上的第一光栅3和第二光栅4之间的光纤段固定在所述的弹性部件5的另一端上，并且弹性部件5的该端还连接所述的拉杆6。在该实施方式中，所述的弹性部件5为弹簧或波浪状膜片。
在本实用新型的另一种优选的实施方式中，如图5所示，所述的弹性部件5的两端分别固定于光纤固定座2的两端，所述的光纤1上的第一光栅3和第二光栅4之间的光纤段固定于所述的弹性部件5的中间位置上，并且弹性部件5的该中间位置上还连接所述的拉杆6。在该实施方式中，所述的弹性部件5为两个串联的弹簧或两个串联的波浪状膜片。
在以本实用新型的第一种实施方式为例的封装应用中，如图6所示，包括一根光纤1，其上有两段光栅，即第一光栅3和第二光栅4。弹性片5固定在光纤固定座2上，槽形管7固定在弹性片5上，光纤1的三个固定段分别与光纤固定座2的两端和槽形管7固定。光纤固定座2的两端有螺纹，从而分别与固定块8和导向块9固定，导向块9还通过一V形槽由紧定螺钉紧固。固定块8′离开导向块9一定距离，并通过短护管10和导向块9连接，固定块8′和短护管10的一端有间隙。拉杆6一端通过螺纹与固定块8′紧固，一端通过螺钉、螺母与弹性片5固定，拉杆6要穿过导向块9上的一导向孔。长护管11和短护管10螺纹连接并密封，长护管11和固定块8之间、短护管10和固定块8′之间有密封圈12用以密封传感器内部。两根光纤外护套13分别和固定块8、8′固定并密封，两个黑护套14分别固定在固定块8、8′上，并再次起到密封作用。
该封装结构中，固定块8′和短护管10之间可以相对左右移动，从而带动拉杆6左右移动，拉杆6又使弹性片5发生弯曲变形，从而带动槽形管7的左右移动。
本实用新型的该封装应用又包括以下两种封装型式：
第一种封装型式：初始状态下，光纤处于自然不受力，水平处于纤直状态，第一光栅和第二光栅的波长分别为λ1、λ2。
当拉杆水平向右移动时，拉杆使弹性元件上部向右弯曲，光纤左段受拉变长，第一光栅也受拉波长变长，同时受温度影响，最终波长为λ′1；光纤右段松弛并微弯，只要微弯远小于一定情形，即可忽略微弯对光栅性能的影响，且不存在应力对第二光栅的影响，只有温度影响，最终波长为λ′2。温度对第一光栅和第二光栅的影响是同向的，不妨设温度是升高的，那么λ′2＞λ2，温度升高对应第二光栅波长增加是λ′2-λ2，第一光栅的波长增加也是λ′2-λ2。所以第一光栅剔除温度升高影响所受应变对应波长增加值为λ′1-λ1-(λ′2-λ2)。同理其他情况可照此分析。
由于拉杆可以左右移动，弹性元件依拉杆变形。拉杆向右移，第一光栅受拉，第二光栅不受力；拉杆向左移，第二光栅受拉，第一光栅不受力。由此可知，一根光纤在初始不受轴向力的情况下可测量双向的应变。而且由于拉杆处于弹性元件的一端，而光纤和弹性元件的固定点处于弹性元件的中部，这将增大光栅的测量量程。当然，如果拉杆与弹性元件的连接点越接近弹性元件和光纤的固定点，量程放大量越小。
由于总有一个光栅处于不受力的状态，所以可以用来测量温度，以实现温度的测量。
第二种封装型式：两段光栅初始受数值相等的拉应力状态。
分析方法与第一种封装型式的分析方法相似。另外在这种情况下当拉杆移动时，弹性元件弯曲，第一光栅、第二光栅的应变变化方向相反，两个光栅波长变化的差值将变大，这使得应变的测量变得敏感，从而增加了传感器的灵敏度。
采用了该实用新型的差动式光纤光栅应变传感器，由于其在一段固定的光纤上设置了两段光栅，并在两段光栅间设置有弹性元件，弹性部件的一端固定于光纤固定座，另一端连接拉杆，使得该传感器能够利用差动原理，在测量中进行温度的自动补偿。另外，通过将光纤固定在弹性元件的特定位置，实现了增大测量量程的目的。本实用新型结构简单，成本低廉，适用范围较广。
在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (7)
1.一种差动式光纤光栅应变传感器，所述的传感器包括光纤和光纤固定座，所述的光纤上具有分别固定于所述的光纤固定座两端的左侧固定点与右侧固定点，其特征在于，在所述的左侧固定点与右侧固定点之间的光纤上设置有第一光栅和第二光栅，位于所述的第一光栅和第二光栅之间的光纤连接有一弹性部件，所述的弹性部件的一端固定于所述的光纤固定座，所述的弹性部件的另一端连接一拉杆，所述的拉杆在外力作用下沿所述的光纤设置方向左右移动。
2.根据权利要求1所述的差动式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的弹性部件的一端固定于所述的光纤固定座的底部。
3.根据权利要求1所述的差动式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的弹性部件的一端固定于所述的光纤固定座的一端。
4.根据权利要求1所述的差动式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的弹性部件的一端固定于光纤固定座的一端，所述的弹性部件的另一端固定于所述的第一光栅和第二光栅之间的光纤上并连接所述的拉杆。
5.根据权利要求1所述的差动式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的弹性部件的两端分别固定于光纤固定座的两端上，所述的第一光栅和第二光栅之间的光纤固定连接于所述的弹性部件的中间位置，所述的弹性部件的中间位置还连接所述的拉杆。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的差动式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的弹性部件为弹性片或弹簧。
7.根据权利要求6所述的差动式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的弹性片为无波浪状膜片或有波浪状膜片。
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