CN202013255U - 光纤光栅压力传感器封装结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种光纤光栅压力传感器封装结构，属于土木工程传感器测试领域。该结构由金属外壳（1）、安装于金属外壳（1）内的布拉格光纤光栅（2）、用于在金属外壳（1）内封装布拉格光纤光栅（2）的聚合物部分（3）组成；上述聚合物部分（3）由固定于上金属盖（4）下侧的左立方体、右立方体以及固定于左立方体和右立方体之间的细长水平立方体组成，整体呈哑铃型；上述布拉格光纤光栅（2）沿水平方向封装于聚合物部分（3）细长水平立方体中，两端传输光纤伸出左立方体和右立方体。本实用新型利用哑铃型结构实现光纤光栅压力传感器的增敏，提高传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光纤光栅压力传感器封装结构，属于土木工程传感器测试领域。
背景技术
公路与人类生活密切相关，对一个国家和地区的经济发展起着决定性作用，是各个地区之间进行交流沟通的纽带，同时也承担着客运和货运的任务，具有快捷、方便等优点。为了使公路与国民经济的发展格局相适应，与其他运输方式相协调，建立起高效、快速、安全的重点公路系统和国道主干线系统，使公路的通行能力在总体上满足社会发展和国民经济的需要，我国特地制定了国家重点公路规划和国道主干线发展规划，即在2010年之前建成8.5万公里的国家级高速公路和一批地方高速公路，2020年前形成国家高速公路网。
公路路面不仅要抵御各种恶劣的自然条件，而且直接承受过往行驶车辆的荷载。近年来沥青路面获得了越来越广泛的应用，高等级公路路面的面层大部分为沥青路面。沥青路面是采用沥青作为粘结料，结合矿料或其他混合料修筑路面面层的一种路面结构，由于沥青路面采用了粘结力较强的沥青作为粘结料，增强了矿料颗粒间的结合力，使得路面的性能品质有所提高，因此沥青路面具有很多优点：耐磨、平整、不透水、不扬尘、耐久等，并且沥青的粘性、弹性、塑性好，在汽车行驶时噪音低、震动小、平稳舒适、略有弹性。
公路路面状况的好坏，影响车辆的营运费用、公路的畅通以及行车舒适程度，并直接影响到社会的经济效益。我国每年为公路的建设和养护投入很多的资金，但是由于部分汽车的严重超载、超速和自然因素的综合作用导致很多公路破坏，大部分公路的有效使用时间都没有达到设计的使用年限，一般在通车2-3年后就发生较为严重的早期破坏，这些破坏主要有：车辙、坑槽、龟裂、裂缝、松散、露骨、隆起、水损伤等，公路破坏的存在直接影响公路的行车安全和通车效率。
这些破坏现象大都与路面所受载荷情况存在密切关系。因此，有必要研究一套沥青路面载荷监测系统，实现对车辆荷载以及速度的监测，探索路面损伤的产生机理和发展规律。
目前路面载荷监测的传感器主要有应变片式测力传感器、液压活塞式测力传感器、弹簧式测力传感器以及压电式测力传感器。它们一般都具有较高的灵敏度和精度，但是存在耐久性、长期稳定性以及电磁干扰的问题，不能满足路面结构健康监测的需求。近年来，光纤光栅传感在土木工程领域的应用越来越受到人们的重视，它具有灵敏度高、抗电磁干扰、结构简单、体积小、稳定性好等优点。但是由于光纤比较纤细，受剪切力容易断裂，如果直接应用于土木工程中，成活率低。因此，目前光纤光栅传感器虽然在道路监测方面已经有所应用，但是由于沥青路面结构复杂的施工环境，光纤光栅在沥青路面结构方面应用较少，尚属于尝 试阶段；而且裸露的光纤光栅压力灵敏度系数较小，仅为1.98×10-12Pa-1，给信号检测带来了不便，制约了光栅在压力测量中的应用。因此，提高压力灵敏度及对光纤光栅的保护是使光纤光栅进入实用化测量需解决的关键技术。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对沥青路面监测中干扰较大及现行监测方法精度的问题，提出了一种高灵敏度、不易受干扰的光纤光栅压力传感器封装结构。
一种光纤光栅压力传感器封装结构，其特征在于：由金属外壳、安装于金属外壳内的布拉格光纤光栅、用于在金属外壳内封装布拉格光纤光栅的聚合物部分组成；上述金属外壳包括上金属盖；上述聚合物部分由固定于上金属盖下侧的左立方体、右立方体以及固定于左立方体和右立方体之间的细长水平立方体组成，整体呈哑铃型；上述布拉格光纤光栅沿水平方向封装于细长水平立方体中，传输光纤两端伸出左立方体和右立方体。
上述的光纤光栅压力传感器封装结构的制作方法，其特征在于包括以下过程：(a)、聚合物部分采用模具成型，并且在成型过程中将布拉格光纤光栅封装其中；(b)、将封装好布拉格光纤光栅的聚合物部分通过胶固定在金属外壳的上金属盖下方；(c)、将上金属盖与金属外壳的其他部分组装，并使传输光纤两端伸出金属外壳。
利用上述光纤光栅压力传感器封装结构进行的沥青路面载荷监测方法，其特征在于包括以下过程：(a)、此压力传感器通过上金属盖把作用在其上的压力传递给左立方体和右立方体；左立方体和右立方体部分发生轴向应变进而引起细长水平立方体部分发生轴向应变；从而使埋入其中的布拉格光纤光栅发生轴向应变，引起布拉格光纤光栅的波长漂移；(b)、采用布拉格光纤光栅对轴向应变敏感的特性将作用在上金属盖上的载荷转化为布拉格光纤光栅的波长漂移，通过监测布拉格光纤光栅中心波长的变化达到对载荷的监测；(c)、利用细长水平立方体截面小于左立方体和右立方体截面，实现光纤光栅压力传感器的增敏，提高传感器的灵敏度。
传感器采用聚合物与金属材料相结合的封装形式。传感器外壳采用金属材料用来保护传感器以便提高其成活率和使用寿命，传感器感知元件采用弹性模量较小的聚合物对光纤光栅进行增敏封装，不仅可以实现压力增敏，还可有效地保护裸光纤光栅。通过改变聚合物的几何结构实现高倍数压力增敏效果。该传感器可直接埋入沥青路面，径向负载测量灵敏度高，实时性好，可实现分布式监测。该传感器可直接埋入沥青路面内部，抗破坏性好，并且可实现分布式在线监测。
附图说明
图1是光纤光栅压力传感器外观；
图2是光纤光栅压力传感器剖视图；
图3是光纤光栅压力传感器聚合物部分；
图中的标号名称：1.金属外壳，2.布拉格光纤光栅，3.聚合物部分，4.上金属盖，5.金属环，6.金属底板。
具体实施方式
图1为传感器的外观，传感器金属外壳1由三部分组成：上金属盖4、金属环5、金属底板6。由于金属环有一定的厚度，在金属环上加工内螺纹，上金属盖和金属底板均通过螺纹与金属环连接构成传感器的金属外壳(1)。金属外壳(1)将埋入布拉格光纤光栅2的聚合物部分3封装在壳体内，并使传输光纤两端伸出金属外壳1。金属外壳1主要用来保护传感器以提高其成活率和使用寿命。
图2为传感器剖视图，可以看出传感器由三个组成部分：金属外壳1，布拉格光纤光栅2，聚合物部分3。在金属外壳组装之前，将埋入布拉格光纤光栅2的聚合物部分3通过胶固定在上金属盖4正中，金属外壳1可以保护聚合物部分3免受破坏。
传感器组成部分之一布拉格光纤光栅2是传感器的感知元件，封装在聚合物部分3里面，主要用来感应通过上金属盖4传递的压力所产生的轴向应变。
图3为传感器的聚合物部分，固定于上金属盖4下侧，由横截面不同的立方体构成。聚合物部分3由左立方体、右立方体以及固定于左立方体和右立方体之间的细长水平立方体组成，整体呈哑铃型；布拉格光纤光栅2沿水平方向封装于聚合物部分3细长水平立方体中，传输光纤两端伸出左立方体和右立方体。利用细长水平立方体截面小于左立方体和右立方体截面，实现光纤光栅压力传感器的增敏，提高传感器的灵敏度。
聚合物部分3由环氧树脂和固化剂按一定的比例固化形成，主要是用来对光纤光栅进行封装，以起到保护光纤光栅及增敏的作用。其采用模具成型，根据封装尺寸加工封装模具，将光纤光栅准直地固定在模具中心。将环氧树脂和固化剂按照1∶1的比例配比，加适量消泡剂搅拌均匀以排除气泡的影响，注入模具使聚合物成型。将浇铸聚合物后的光纤光栅及模具放入温箱中进行高温固化，打开模具取出用聚合物封装好的光纤光栅再次放入温箱中进行低温老化。
布拉格光纤光栅2被聚合物封装好之后，把埋入布拉格光纤光栅2的聚合物部分3通过胶固定在上金属盖4上。上金属盖4和金属底板6均通过螺纹与金属环连接构成光纤光栅压力传感器。装配完成之后，聚合物部分3及布拉格光纤光栅2均处于金属壳体的内部，对布拉格光纤光栅2起到一定的保护作用。
此光纤光栅压力传感器通过上金属盖4把作用在其上的压力传递给聚合物部分3的左立 方体和右立方体；左立方体和右立方体部分发生轴向应变进而引起细长水平立方体部分发生轴向应变；从而使埋入聚合物部分3的布拉格光纤光栅2发生轴向应变，引起布拉格光纤光栅2的波长漂移；
检测需要的仪器为光纤光栅解调仪，测量时将光纤跳线与光纤光栅解调仪相连，记录下初始状态时光纤光栅的中心波长。给传感器逐步施加均布载荷，记录相应载荷对应的光纤光栅中心波长。分析载荷与光纤光栅中心波长的漂移曲线可得该光纤光栅压力传感器的灵敏度。
Claims (1)
1. 一种光纤光栅压力传感器封装结构，其特征在于：
由金属外壳（1）、安装于金属外壳（1）内的布拉格光纤光栅（2）、用于在金属外壳（1）内封装布拉格光纤光栅（2）的聚合物部分（3）组成；
上述金属外壳（1）包括上金属盖（4）；
上述聚合物部分（3）由固定于上金属盖（4）下侧的左立方体、右立方体以及固定于左立方体和右立方体之间的细长水平立方体组成，整体呈哑铃型；
上述布拉格光纤光栅（2）沿水平方向封装于细长水平立方体中，传输光纤两端伸出左立方体和右立方体。
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|---|---|---|---|---|
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