CN201772967U

CN201772967U - 基于波纹管的光纤应力传感装置

Info

Publication number: CN201772967U
Application number: CN2010202668842U
Authority: CN
Inventors: 杜兵
Original assignee: Xian Jinhe Optical Technology Co Ltd
Current assignee: Xian Jinhe Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2020-07-21

Abstract

本实用新型公开了一种基于波纹管的光纤应力传感装置，在波纹管管壁的下凹处的相对两个面上分别布设有相互交错对应的A侧变形齿和B侧变形齿，信号光纤夹持在两者变形齿间。当波纹管在应力下伸缩变形时，位于波纹管管壁上的A侧变形齿和B侧变形齿之间的距离也会改变，从而使夹持于两者变形齿间的信号光纤的弯曲曲率变化，这又使信号光纤的弯曲损耗变化，通过测试单元可得到信号光纤弯曲损耗变化的大小，从而可推算出波纹管所受应力的大小。通过将波纹管和光纤微弯型结构的有机结合而构成了一个具有多种优点的智能型装置，不仅精度高、结实耐用、适应性强而且使用方便灵活，使本实用新型的装置具有广阔的应用前景。

Description

基于波纹管的光纤应力传感装置

技术领域

本实用新型属光纤应力传感装置，尤其是涉及一种基于波纹管并通过对光纤微弯损耗变化的检测而达到应力传感目的的装置。

背景技术

波纹管的用途非常广泛，波纹管是纵向可以形变，侧向基本不形变的弹性元件，在传感方面，可用于各类测量、调节、控制、传感仪器的敏感元件、补偿元件、连接件和密封件等；作为膨胀节的柔性段，可用于补偿管路因温差造成的轴向、横向和角位移，也可以在管路中用于补偿位置偏差、吸收管道的振动等。可以看出，波纹管作为传感装置中的关键元件可以适应多种实际应用环境。

在现有的报道中波纹管常用于制作为压力传感器，由于其主要通过霍尔效应来实现待测量的感测，所以其缺点主要是容易受电磁干扰、不易远距离传输数据，精度低，性能差。而光纤类传感装置相对传统传感器有诸多优点，如《光学学报》2004，24(2)第187-189页，刊载了文章《高灵敏度的光纤光栅压强传感器》，其介绍了一种用金属波纹管封装光纤光栅的压力传感的结构，该传感器具有精度高、易于远程获取数据、抗电磁干扰等多个优点。然而，光纤光栅类型传感器的也有缺点：1)是动态范围小，光纤光栅一般是经紫外线曝光的裸光纤制成，其强度值较低，变形能力小，导致动态范围小；另外，需良好的封装才能使用，而封装是个成本较高的过程；2)是测试设备成本高，需要价格较高的光波长解调设备配套使用。动态范围小，封装成本高，特别是高昂的解调设备成本限制了该传感器的广泛使用。

而光纤微弯传感器是一种光强度调制的传感器，具有成本低、灵敏度高、具有一定的环境抗干扰能力的特点，其实现方案是基于光纤的弯曲或微弯损耗来实现的。通过改变光纤的弯曲程度，从而导致输出光功率的变化。

光功率损耗的原理是：当光纤受到弯曲扰动的时候，将会产生弯曲损耗，主要是微弯损耗和宏弯损耗。两者弯曲损耗均是由于光纤弯曲时导致纤芯中的部分导模耦合至包层引起的，两者损耗可以根据Marcuse的理论公式计算弯曲损耗大小，其公式如下：

P_OUT＝P_IN exp(-γS)

其中，P_OUT和P_IN分别为输出和输入光功率，γ是弯曲损耗系数，S为弯曲弧长。可以看出光纤的弯曲损耗系数γ越大，即光纤弯曲半径越小，则损耗越大，但弯曲半径过小会导致光纤寿命大幅度减少，影响传感器的使用寿命，所以实际应用中光纤的弯曲半径是受限制的；另一方面，在相同的弯曲损耗系数γ下，若增加弯曲弧长S，则可增大衰减，可以通过大幅度增加弯曲弧长S，达到大幅度提高光纤传感器的动态范围和精度的目的。

中国专利87107210提供的方案是以光纤的微弯损耗为主的来实现微弯光纤应力计，但由于其是通过两块平板来实现的，平板的尺寸不可能太大，使可以弯曲的光纤长度受到限制，妨碍了该类光纤传感器的动态范围和精度的提高。另外两块板相对运动的可调节距离最大只有数百微米，且运动时两块板须保持基本的平行，所以此类传感器对调节的机械结构有较高的要求，不仅增加了实施成本，同样也限制了该类光纤传感器的动态范围和精度的提高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于波纹管的光纤应力传感装置，采用的是延长光纤微弯结构，不仅增加了检测距离，并使该光纤检测装置具有使用寿命长、精度高的特点。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于：在波纹管管壁的下凹处的相对两个面上分别布设有A侧变形齿和B侧变形齿，A侧变形齿和B侧变形齿相互交错对应，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在信号光纤的两侧，信号光纤通过延长光纤接测试单元。

当波纹管在应力下伸缩变形时，位于波纹管管壁上的A侧变形齿和B侧变形齿之间的距离也会改变，从而使夹持于两者变形齿间的信号光纤的弯曲曲率变化，这又使信号光纤的弯曲损耗变化，通过测试单元可得到信号光纤弯曲损耗变化的大小，从而可推算出波纹管所受应力的大小。由于在波纹管管壁上布设有众多相互对应的变形齿，从而使信号光纤的有效弯曲长度大大延长，一方面减少了信号光纤的弯曲曲率，另一方面提高该装置的精度，同时也大大延长了信号光纤的使用寿命。

所述的变形齿分布于波纹管的内壁上。

所述的变形齿分布于波纹管的外壁上。

所述的波纹管是螺旋形结构的波纹管。

所述的波纹管的材料是不锈钢、高分子材料、铜合金材料。

在所述的测试单元后面接处理单元。

在所述的信号光纤的一端安置有光反射装置，如光反射镜、光纤光栅、或在信号光纤的端面镀反射膜，或仅仅是将信号光纤的端面处理为镜面。

所述的信号光纤的另一端通过延长光纤与1X2光分路器的1口连接，1X2光分路器的2口分别接构成测试单元的稳定光源和光功率计。

从波纹管的一端至另一端、分布于波纹管壁上的变形齿的齿高、齿距或齿形是变化的，如齿高是递增或递减的。

信号光纤的一部分没有被所述的分布于波纹管壁上的变形齿夹持，或该部分没有对应的变形齿，该部分的信号光纤是缓冲光纤，是用于吸纳或补偿其余部分信号光纤在弯曲变形时光纤长度的变化。在一些特殊用途中，变形齿只分布于波纹管径向的某一个方向，或局限于某个方向角内。

所述的信号光纤被防水材料包覆。

所述的防水材料是阻水油膏。

所述信号光纤为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、基于波纹管的光纤应力传感装置，是将波形管与光纤微弯结构结合起来，充分发挥各自结构的优点，而构成了一种智能型装置，使该传感器的结构简单、设计合理、操作方便且使用方式灵活、灵敏度高；

2、基于波纹管的光纤应力传感装置，因由曲线型较大长度的光纤微弯结构构成，大大增加了信号光纤的有效弯曲长度，一方面增加了检测的精度和灵敏度，并可以减少信号光纤的弯曲曲率，从而延长了信号光纤的使用寿命，使该光纤传感装置具有使用寿命长、精度高的特点；

3、基于波纹管的光纤应力传感装置由于采用了曲线型较大长度的光纤微弯结构，从而可以使本装置可以响应更大的应力以及更大的应力作用距离，扩展了该装置的使用范围。

综上所述，本实用新型结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，汇集了波纹管与光纤微弯结构的优势，并使其具有的优势进一步的放大，使本实用新型的装置具有更好的精度和更长的使用寿命。

下面通过附图和实施例，对实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型第一具体实施方式的结构示意图。

图2为本实用新型第一具体实施方式的局部放大的结构示意图。

图3为本实用新型第二具体实施方式的结构示意图。

图4为本实用新型第三具体实施方式的结构示意图。

图5为本实用新型第三具体实施方式的局部放大的结构示意图。

附图标记说明：

1-延长光纤；	2-管壁；	3-A侧变形齿；
			4-B侧变形齿；	5-测试单元；	6-信号光纤；
7-处理单元；	10-波纹管；	15-光反射镜；
			20-1X2光分路器。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2所示，本实用新型包括一个在波纹管10的管壁2的内壁下凹处的相对两个面上分别布设有A侧变形齿3和B侧变形齿4，A侧变形齿3和B侧变形齿4相互交错对应，A侧变形齿3和B侧变形齿3对应布设在信号光纤6的两侧，信号光纤6通过延长光纤1接测试单元5，测试单元5后面接有处理单元7。

当波纹管10在应力下伸缩变形时，位于波纹管10的管壁2上的A侧变形齿3和B侧变形齿4之间的距离也会改变，从而使夹持于两者变形齿间的信号光纤6的弯曲曲率变化，这又使信号光纤6的弯曲损耗变化，通过测试单元5可得到信号光纤6弯曲损耗变化的大小，测试单元5将数据传递给处理单元7，从而可推算出波纹管10所受应力的大小。由于在波纹管10的管壁2上布设有众多相互对应的变形齿，从而使信号光纤6的有效弯曲长度大大延长，一方面减少了信号光纤6的弯曲曲率，另一方面提高该装置的精度，同时也大大延长了信号光纤6的使用寿命。

在信号光纤6中有一部分是作为缓冲光纤的，当信号光纤6弯曲曲率变化时，缓冲光纤吸纳或补偿信号光纤6的长度的变化。

所述的波纹管10也可以是螺旋形波纹管。

所述信号光纤6为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤6也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤；或是多根信号光纤6并排夹持在变形齿间，或是多根信号光纤6通过树脂合并为信号光纤束或信号光纤带。

所述信号光纤6和延长光纤1外部包覆有防水材料，如防水油膏，可进一步防止水分子对信号光纤6和延长光纤1的侵蚀，延长了信号光纤6和延长光纤1的使用寿命。

实施例2

如图3所示，本实施例中，与实施例1不同的是：在信号光纤6的一端的安置有光反射镜15，信号光纤6的另一端与延长光纤1连接，延长光纤1接1X2光分路器20，1X2光分路器20的2端接测试单元5，测试单元5可以由稳定光源和光功率计构成，测试单元5又与处理单元7连接，这样可以使信号光纤6内传输的光信号两次通过信号光纤6的弯曲部分，进一步提高了本检测装置的精度和灵敏度。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例3

如图4、图5所示，本实施例中，与实施例1不同的是：A侧变形齿3和B侧变形齿4布设在波纹管10的管壁2的外壁下凹处。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims

1.基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于：在波纹管管壁的下凹处的相对两个面上分别布设有A侧变形齿和B侧变形齿，A侧变形齿和B侧变形齿相互交错对应，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在信号光纤的两侧，信号光纤通过延长光纤接测试单元。

2.按照权利要求1所述的基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于：所述的变形齿分布于波纹管的内壁上。

3.按照权利要求1所述的基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于：所述的变形齿分布于波纹管的外壁上。

4.按照权利要求1所述的基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于：所述的波纹管的材料是不锈钢、高分子材料、铜合金材料。

5.按照权利要求1所述的基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于：在所述的信号光纤的一端安置有光反射装置。

6.按照权利要求5所述的基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于：所述的信号光纤的另一端通过延长光纤与1X2光分路器的1口连接，1X2光分路器的2口分别接构成测试单元的稳定光源和光功率计。

7.按照权利要求1所述的基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于：从波纹管的一端至另一端、分布于波纹管壁上的变形齿的齿高、齿距或齿形是变化的。

8.按照权利要求1所述的基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于：有一部分的信号光纤没有被所述的分布于波纹管壁上的变形齿夹持，或该部分没有对应的变形齿。

9.按照权利要求1至8所述的任意一项基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于：所述的波纹管是螺旋形结构的波纹管。

10.按照权利要求1至8所述的任意一项基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于：在所述的测试单元后面接处理单元。