CN201780103U - 用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器，呈线缆形，其最外部为毛细套管，芯部穿置有单模光纤，该单模光纤由裸纤及涂覆层构成，该传感器包括纵向依次连接的第一固定段、中间段和第二固定段，中间段的横向结构包括中心的单模光纤和外部的毛细套管，第一固定段内侧区的横向结构包括裸纤、镀金层、镍管、充固层及毛细套管，毛细套管上开设有用以填入充固层的开口，开口处封固有树脂层，第一固定段外侧区的横向结构包括由单模光纤与外保护层构成的单芯光缆、树脂层及毛细套管，第二固定段的横向结构与第一固定段相同，其纵向结构与第一固定段相对称。本实用新型采用长标距光纤传感和金属化封装的结构，具有适应性广、测量精度高、长期性能好的优点。

Description

用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器

技术领域：

本实用新型涉及一种测量变形的传感器，特别涉及一种用于对建筑结构件弯曲变形进行测量的长标距光纤传感器。

背景技术：

对许多工程结构构件而言，如建筑结构中的梁柱、埋地管道的管身与接口、风电工程中的塔体、基础结构中的桩身等等，弯曲变形是一个重要的指标，其不仅能宏观反映构件及结构的力学性能，也是判断其健康状况的重要依据。目前对建筑结构件弯曲变形进行测量的各种测试方法都存在着一定的局限性：

(1)点式应变片：由于测试范围比较小，点式应变片仅能测量构件因弯曲变形而引起的构件上某一点在某个方向上的受力后的应变，其反映的主要是构件局部的材料特性而不是构件整体的宏观力学性能，而且某些情况下点式应变片往往会因局部应力集中(如混凝土构件中的裂缝)而遭到破坏导致失效。

(2)位移计：其能够测得构件因弯曲变形引起的、反映构件宏观力学性能的空间位移，但是位移计在使用时需要安装在构件之外的一固定物件上，而其自由伸缩端与被测构件接触以感应构件的位移。可这样的使用条件在对周围有覆土的埋地结构件的测试应用中受到了限制，此外在某些特殊情况下(如桥梁结构的主梁挠度测试)位移计的固定很难实现，往往找不到用以固定位移计的固定基础。

综上所述，已有的点式应变片和位移计在对建筑结构件弯曲变形进行测量的应用中都存在着其局限性。

实用新型内容：

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器，其采用长标距光纤传感和金属化封装的结构，不仅能够测量构件局部的位移应变，而且能够测量构件整体的弯曲应变，不仅适合在结构表面安装，而且适合安装于结构内部，因而具有适应性广、测量精度高、长期性能好的特点。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案如下：

一种用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器，呈线缆形，其最外部为中空的毛细套管，芯部穿置有由单芯光缆去除外保护层后形成的单模光纤，该单模光纤由裸纤及其外表的涂覆层构成；该长标距光纤传感器包括纵向依次连接的第一固定段、中间段和第二固定段；所述中间段位于该长标距光纤传感器的中间，其横向结构包括中心的单模光纤和外部的毛细套管；所述第一固定段和第二固定段分别位于该中间段的两侧，该第一固定段靠近所述中间段的内侧区的横向结构包括最中心的由单模光纤去除涂覆层后的裸纤、镀覆于裸纤外表面的镀金层、套置于镀金层外周的镍管、最外部的毛细套管以及填充于该镍管与毛细套管之间的充固层，该毛细套管离开所述中间段的外侧的上部开设有用以填入充固层的开口，该开口处封固有树脂层，该第一固定段离开所述中间段的外侧区的横向结构包括中心的由单模光纤与外保护层构成的单芯光缆、封固于该单芯光缆外周的树脂层以及外部的毛细套管；所述第二固定段的横向结构与第一固定段相同，其纵向结构以所述中间段为中心与第一固定段相对称。

本实用新型所述的用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器，还包括有第一增敏段和第二增敏段，该第一增敏段纵向地连接于所述第一固定段与中间段之间，该第二增敏段纵向地连接于所述中间段与第二固定段之间，该第一增敏段和第二增敏段的结构相同，其横向结构包括最中心的由单模光纤去除涂覆层后的裸纤、镀覆于裸纤外表面的镀金层、套置于镀金层外周的镍管以及最外部的毛细套管；该毛细套管由能够实施激光焊的材料制成，可以由不锈钢材料制成，其形状为圆管或方管；所述充固层为激光焊层或者树脂；所述单模光纤在所述中间段的一位置上被除去外表的涂覆层露出内部的裸纤，该裸纤上刻有光栅。

与现有的点式应变片和位移计相比较，本实用新型以纵向分布于中间段的单模光纤作为感应结构构件应变的传感器，因而其不仅能够测量构件局部的某一点在某个方向上受力后的位移和应变，而且能够测量构件一个区间上各点应变的连续变化，因此能够完成对构件整体弯曲变形的测定，从而反映结构的宏观力学性能，与此同时，所述用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器实现了对一段标距长度内构件弯曲变形所引起的平均应变的测量，其不受局部材料缺陷的影响，因此在发生局部应力集中时不至于立即损坏。此外，本实用新型在裸纤外表面镀覆了镀金层和套置了镍管，实现了传感器件的金属化封装，摒弃了传统的树脂封装方式，提高了封装的强度，避免了封装的老化，确保了传感器长期性能的良好。再者，所述的用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器既可粘贴在被测构件的外表面，又可埋入结构的内部，无需另外专门的安装固定基础，因此特别适合对埋地结构，如对埋地管道的应变测量，从而扩大了本实用新型的应用范围，拓宽了适应性。本实用新型中光纤的应用，尤其是刻有光栅的光纤的应用，大大提高了所述传感器的测量精度。

附图说明：

图1是本实用新型的结构剖面图。

图2是本实用新型第一固定段的结构剖面图。

图3是本实用新型第一固定段的结构侧视剖面图。

图4A是图3的a-a剖面图。

图4B是本实用新型另一实施例的a-a剖面图。

图5A是图3的b-b剖面图。

图5B是本实用新型另一实施例的b-b剖面图。

图6A是图3的c-c剖面图。

图6B是本实用新型另一实施例的c-c剖面图。

图7是本实用新型第一增敏段的结构剖面图。

图8是本实用新型第一增敏段的结构侧视剖面图。

图9A是图8的d-d剖面图。

图9B是本实用新型另一实施例的d-d剖面图。

图中，

1外保护层，  2单模光纤，  3树脂层，  4毛细套管，  5裸纤，

6镀金层，    7镍管，      8充固层，  9光栅；

A中间段，       B1第一增敏段，  B2第二增敏段，

C1第一固定段，  C2第二固定段。

具体实施方式：

现结合具体实施例和附图对本实用新型作一详细说明。

本实用新型提供了一种用于对建筑结构件弯曲变形进行测量的长标距光纤传感器，请参阅图1本实用新型的结构剖面图。图示长标距光纤传感器呈线缆形，其最外部为中空的毛细套管4，芯部全长穿置有单模光纤2，该单模光纤2是市场上购得的单芯光缆的结构的一部分。所述单芯光缆的结构是由内部的单模光纤2与外部的外保护层1组成的，该单芯光缆去除外保护层1以后就形成了单模光纤2，该单模光纤2又是由中心的裸纤5及其外表的涂覆层构成的。在本实用新型中，纵向贯穿全长的单模光纤2是用以感测结构标距长度内构件弯曲应变的关键传感元件。

图1所示的用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器，其纵向结构共包括五段：第一固定段B 1、第一增敏段C1、中间段A、第二增敏段C2和第二固定段B2，它们依上述次序纵向相互连接，即所述中间段A位于该长标距光纤传感器的最中间，所述第一固定段B1和第二固定段B2分别位于该中间段A的两侧，即分别位于该长标距光纤传感器的两端，所述第一增敏段C1纵向地连接于所述第一固定段B1与中间段A之间，所述第二增敏段C2纵向地连接于所述中间段A与第二固定段B2之间。

所述中间段A用以感测结构件受力后的弯曲应变，是整个长标距光纤传感器的核心部位，该中间段A的长度为L₀，请参阅图1，其截面上的横向结构包括中心的单模光纤2和外部的毛细套管4，该单模光纤2贴近毛细套管4的底部。为了提高该长标距光纤传感器的性能，可以进一步对单模光纤2的结构进行改进，即在所述中间段A的某一位置上除去约长度为1-2cm的外表涂覆层，露出内部的裸纤5，并在该裸纤5上刻出光栅，这样就能较大幅度地提高所述长标距光纤传感器的测量精度。

所述第一固定段B1和第二固定段B2用以固定所述长标距光纤传感器的内部结构，即固定单模光纤2和毛细套管4之间的位置以及用以固定该长标距光纤传感器于被测试的结构上。请结合参阅图2和图3，该第一固定段B1的横向结构沿长度方向有所不同：其内侧区的横向结构，即靠近所述中间段A的区域的横向结构，请参阅图6A所示c-c剖面图，自内至外包括裸纤5、镀金层6、镍管7、充固层8以及毛细套管4；该裸纤5位于截面的最中心，其是由单模光纤2去除涂覆层后形成的；该镀金层6镀覆于裸纤5的外表面，该镍管7套置于镀金层6的外周，该镀金层6与镍管7形成了对传感元件裸纤5的金属封装，从而克服了传统封装易老化的缺陷，提高了传感元件的强度和长期性能稳定性；所述毛细套管4位于最外部，对内部结构起到保护作用，该毛细套管4由能够实施激光焊的材料制成，例如可以由不锈钢材料制成；所述充固层8填充于镍管7与毛细套管4之间，以固定单模光纤2在毛细套管4之中的位置，其可以采用激光焊工艺在镍管7与毛细套管4之间形成激光焊层，也可以使用树脂进行充填。所述毛细套管4离开中间段A的外侧的上部开设有开口，请结合参阅图3和图5A所示b-b剖面图，通过该开口能够向毛细套管4内腔中填入充固层8，该充固层8充满镍管7与毛细套管4之间的空隙后，就在该开口处封固树脂层3，该树脂层3能够封闭所述长标距光纤传感器的端部，以起到防尘、防水的作用。所述第一固定段B 1外侧区的横向结构，即离开所述中间段A的区域的横向结构，请参阅图4A所示a-a剖面图，自内至外包括中心的单芯光缆、树脂层3以及外部的毛细套管4；该单芯光缆由单模光纤2与外保护层1构成，其为市场上购得的成品，该毛细套管4的上部开设有用以填入充固层8的开口，所述树脂层3封固于该开口处和单芯光缆的外周，以达到防尘防水的目的。所述第二固定段B2的横向结构与第一固定段B1相同，而第二固定段B2的纵向结构以所述中间段A为中心与第一固定段B 1相对称(见图1)。

请结合参阅图1、图7和图8，所述第一增敏段C1和第二增敏段C2的长度分别为L₁和L₂，其作用是提高测试的灵敏度。再请参阅图4A所示d-d剖面图，所述第一增敏段C1截面上的横向结构包括最中心的裸纤5、镀金层6、镍管7以及最外部的毛细套管4。该裸纤5是由单模光纤2去除涂覆层后形成的，该镀金层6镀覆于裸纤5的外表面，该镍管7套置于镀金层6的外周，从而形成传感器的金属封装，因此减弱了该第一增敏段C1对构件变形的感应，提高了中间段A对标距长度内构件应变测试的灵敏度，取得了增敏效果。所述第二增敏段C2的结构和第一增敏段C1相同，同理也能够取得增敏效果。

所述毛细套管4的形状可以为圆管，如图4A、图5A和图6A所示，也可以为方管，如图4B、图5B和图6B所示的另一实施例。

本实用新型所述用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器的测量标距为：

L＝L₀+L₁+L₂

假设长度L₀段测得的平均应变为

则在标距L段内得到的因弯曲变形导致的平均应变

和位移d分别为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}={\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_0\·\frac{L_0}{L}$

$d=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\·L={\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_0\·L_0$

当L₁＝0且L₂＝0时，即该用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器结构无两增敏段C1和C2时，本实用新型无增敏效果；反之，该传感器具有增敏效果。

Claims (7)

1.一种用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器，其特征在于：所述长标距光纤传感器呈线缆形，其最外部为中空的毛细套管，芯部穿置有由单芯光缆去除外保护层后形成的单模光纤，该单模光纤由裸纤及其外表的涂覆层构成；该长标距光纤传感器包括纵向依次连接的第一固定段、中间段和第二固定段；所述中间段位于该长标距光纤传感器的中间，其横向结构包括中心的单模光纤和外部的毛细套管；所述第一固定段和第二固定段分别位于该中间段的两侧，该第一固定段靠近所述中间段的内侧区的横向结构包括最中心的由单模光纤去除涂覆层后的裸纤、镀覆于裸纤外表面的镀金层、套置于镀金层外周的镍管、最外部的毛细套管以及填充于该镍管与毛细套管之间的充固层，该毛细套管离开所述中间段的外侧的上部开设有用以填入充固层的开口，该开口处封固有树脂层，该第一固定段离开所述中间段的外侧区的横向结构包括中心的由单模光纤与外保护层构成的单芯光缆、封固于该单芯光缆外周的树脂层以及外部的毛细套管；所述第二固定段的横向结构与第一固定段相同，其纵向结构以所述中间段为中心与第一固定段相对称。

2.根据权利要求1所述的用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器，其特征在于：所述长标距光纤传感器还包括有第一增敏段和第二增敏段，该第一增敏段纵向地连接于所述第一固定段与中间段之间，该第二增敏段纵向地连接于所述中间段与第二固定段之间，该第一增敏段和第二增敏段的结构相同，其横向结构包括最中心的由单模光纤去除涂覆层后的裸纤、镀覆于裸纤外表面的镀金层、套置于镀金层外周的镍管以及最外部的毛细套管。

3.根据权利要求1或2所述的用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器，其特征在于：所述毛细套管由能够实施激光焊的材料制成，所述充固层为激光焊层。

4.根据权利要求3所述的用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器，其特征在于：所述毛细套管由不锈钢材料制成。

5.根据权利要求1或2所述的用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器，其特征在于：所述充固层为树脂。

6.根据权利要求1或2所述的用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器，其特征在于：所述单模光纤在所述中间段的一位置上被除去外表的涂覆层露出内部的裸纤，该裸纤上刻有光栅。

7.根据权利要求1或2所述的用于弯曲变形测量的长标距光纤传感器，其特征在于：所述毛细套管的形状为圆管或方管。

Images