CN202083491U - 同时检测应变与温变的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种同时检测应变与温变的光纤传感器，包括：一个光纤，光纤上设置有相隔预定距离的第一布拉格微栅部和第二布拉格微栅部，第一布拉格微栅部的波长和第二布拉格微栅部的波长之间具有一波长差；一个弹性梁，包括测温光纤承载区、测应变光纤承载区以及位于测温光纤承载区和测应变光纤承载区之间的弹性伸缩区，光纤的第一布拉格微栅部呈自由态的设置在测温光纤承载区上，位于第一布拉格微栅部与第二布拉格微栅部之间的光纤连续的固定在弹性伸缩区和测应变光纤承载区上。本实用新型的光纤传感器不仅能进行温度和应力传感检测，而且制备工艺简单，成本低，机械强度好，工作稳定可靠。

Description

同时检测应变与温变的光纤传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤传感器件，特别是一种同时测量温度变化和应力变化双参数的光纤传感器。

背景技术

光纤传感器是光纤传感器中引人注目和十分重要的一类传感器件，使用光纤传感器可对钢结构/混凝土结构的应力和温度变化进行测量。同时由于光纤传感器采用光信号进行检测和传输，因此可以通过波分复用的技术实现任意规模的组网，从而进行大范围监控测量，因此该技术在测量、控制技术领域中，特别是在建筑、石油、采矿、化工、电力、交通等产业中得到了广泛的应用。

光纤微栅的基本原理：在光纤纤芯内形成空间相位微栅，通常为布拉格微栅(Bragg微栅)，由于布拉格微栅的布拉格波长和波形同它所处环境的参数，如温度、应力有着密切的关系，当该微栅所在的区域的温度或应力发生改变时，该光纤的波长会发生相应的变化，通过对上述光纤微栅波长的变化情况监测，即可获得传感器安装所在区域的温度和应力变的变化情况。其检测方法是采用所谓波长编码，即以光纤微栅峰值波长作为传感变量。但是由于光纤微栅对温度和应变同时敏感，即温度和应力变化会同时引起光纤微栅峰值波长的变化，这样通过检测单一光纤微栅峰值波长的变化是无法区分温度和应力这二个参量的。这种交叉敏感效应严重影响着光纤微栅在传感技术中的应用。

为了克服这种效应，人们已提出了几种解决方案，实现同时测量温度和应力的变化。1994年M.G.Xu等人在《Electronics Letters》刊物第30(13)卷，第1085页发表了一种解决方案，采用在光纤同一位置写入两个布拉格波长相差很大(450nm)的重叠短周期微栅，通过这两种微栅峰值波长的变化对温度和应力具有不同的响应，以此测定温度和应力。这种方案的缺点在于在同一位置写入两个布拉格波长的复合光纤微栅的制备工艺复杂，复合光纤微栅制备费用高，测量中需用两套宽带光源，两套光谱解调设备，整个系统的成本高。

1996年James.S.W等人在《Electronics Letters》刊物第32(12)卷，第1133页提出另一种方法，该方法是将两段不同种类的光纤熔接，而后在熔接处写入微栅，利用其相同周期而不同本底折射率，产生二个分离的布拉格衍射峰。这种方法的缺点是熔接质量的好坏将影响传感器的寿命，而且两段不同种类光纤的芯径不同，会引入耦合损耗(实测为2dB)。

1998年Yu Lung Lo在《Optical Engineering》刊物第37(8)卷，第2272页提出又一种方法，该方法是将一根常规短周期光纤微栅先加应力拉伸，将其一部分粘固在样品上，而后撤掉外加应力，利用粘在样品上的微栅的周期大于自由部分的周期，产生两个不同的布拉格衍射峰，通过其对温度和应力的响应差异，达到同时测量温度和应变的目的。虽然此方法比较简单，但作为实际应用，应力的测量范围会受到限制，同时对波长的解调技术要求很高，另外，这样处理后的拉伸段光纤的芯径比自由部分的要小，影响光纤的机械强度。

以上缺陷制约了光纤传感器在产业中的应用。鉴于以上现有技术的种种不足，本实用新型提供一种制作工艺简单，可同时测量温度和应力的变化的光纤传感器。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种光纤传感器，它不仅能进行温度和应力传感检测，而且制备工艺简单，成本低，工作稳定可靠。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种光纤传感器，包括：一个光纤，光纤上设置有相隔预定距离的第一布拉格微栅部和第二布拉格微栅部，第一布拉格微栅部的波长和第二布拉格微栅部的波长之间具有一波长差；一个弹性梁，包括测温光纤承载区、测应变光纤承载区以及位于测温光纤承载区和测应变光纤承载区之间的弹性伸缩区，光纤的第一布拉格微栅部呈自由态的设置在测温光纤承载区上，位于第一布拉格微栅部与第二布拉格微栅部之间的光纤连续的固定在弹性伸缩区和测应变光纤承载区上；弹性梁设置在被测物体上，由于被测物体形变导致弹性梁向轴向收缩或伸长，轴向应变力引起第二布拉格微栅部的波长发生变化，第二布拉格微栅部的波长的变化指示轴向应变力的变化；被测物体的环境温度变化引起第一布拉格微栅部的波长发生变化，第一布拉格微栅部的波长的变化指示被测物体的环境温度变化。

根据本实用新型的优选实施例，弹性梁为金属弹性梁，金属弹性梁沿着其轴向设置有一个凹槽，凹槽贯穿测温光纤承载区、测应变光纤承载区和弹性伸缩区，光纤容纳在凹槽中。

根据本实用新型的优选实施例，弹性伸缩区包括一个蛇形弹簧区，蛇形弹簧区响应轴向应变力作轴向压缩或拉伸。

根据本实用新型的优选实施例，弹性梁进一步包括一个位于一端的固定部，光纤传感器进一步包括第一套管，第一套管的外径小于固定部的外径，第一套管的内径略大于弹性梁的测温光纤承载区、弹性伸缩区、测应变光纤承载区的外径，第一套管环绕紧贴套在弹性梁的测温光纤承载区、弹性伸缩区以及测应变光纤承载区的外周。

根据本实用新型的优选实施例，弹性梁进一步包括一个设置在弹性梁另一端的螺纹区，螺纹区邻近测应变光纤承载区，螺纹区的外壁设置有外螺纹。

根据本实用新型的优选实施例，光纤传感器进一步包括一个第二套管，第二套管的长度短于螺纹区的轴向长度，第二套管的内壁设置有内螺纹，该内螺纹与螺纹区的外螺纹相互匹配旋接，第二套管环绕紧贴套在螺纹区上，且与第一套管相距一预定距离，以固定弹性梁的另一端。

根据本实用新型的优选实施例，光纤传感器进一步包括一个紧固螺母，紧固螺母设置在第一套管与第二套管之间的螺纹区上，紧固螺母通过螺纹旋接压迫第一套管，使其与弹性梁的固定部相抵触。

根据本实用新型的优选实施例，光纤传感器进一步包括一个调节螺母，调节螺母沿螺纹区的轴向两侧旋进，在紧固螺母与第二套管相对于螺纹区固定的情况下，当调节螺母向紧固螺母方向旋进时，弹性梁受螺纹区轴向的拉力向外伸长，当调节螺母向第二套管方向旋进时，弹性梁受螺纹区轴向的压力向内收缩，调节螺母以此对弹性梁的轴向应力进行调节。

根据本实用新型的优选实施例，光纤传感器进一步包括二个安装底座，弹性梁的两端分别刚性连接固定在二安装底座上，安装底座用于固定在被测物体上。

根据本实用新型的优选实施例，光纤传感器进一步包括二个堵头，堵头为具有通孔的套管，堵头设置在弹性梁的两侧端部，用于容纳固定光纤的两侧的光纤头。

本实用新型的有益效果是：

第一，本实用新型提供的光纤传感器不仅能进行温度和应力传感检测，而且加工工艺简单，成本低，工作稳定可靠。

第二，本实用新型提供的光纤传感器具有弹性梁组件，弹性梁组件上设置有弹性伸缩区，可以感测小范围值的应力变化，增强了光纤传感器的测量灵敏度。

附图说明

图1是本实用新型光纤传感器实施例的结构爆炸图。

图2是本实用新型光纤传感器实施例的立体图。

图3是本实用新型光纤传感器实施例装配后的主视图。

图4是本实用新型光纤传感器实施例按图3中剖面线方向的剖面视图。

图5是本实用新型光纤传感器实施例装配后的左视图。

图6是本实用新型光纤传感器实施例装配后的右视图。

图7是本实用新型光纤传感器实施例中弹性梁元件的主视图。

图8是本实用新型光纤传感器实施例中弹性梁元件的俯视图。

图9是本实用新型光纤传感器实施例中弹性梁元件的仰视图。

图10是本实用新型光纤传感器实施例中弹性梁元件的左视图。

图11是本实用新型光纤传感器实施例中弹性梁元件的右视图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步详细的说明。

图1是本实用新型光纤传感器实施例的结构爆炸图。图2是本实用新型光纤传感器实施例的立体图。图3是本实用新型光纤传感器实施例装配后的主视图。图4是本实用新型光纤传感器实施例按图3中剖面线方向的剖面视图。图5是本实用新型光纤传感器实施例装配后的左视图。图6是本实用新型光纤传感器实施例装配后的右视图。

如图1-6所示，本实用新型中的光纤传感器包括：弹性梁10、光纤20、第一套管30、第二套管40、紧固螺母50、调节螺母60、两个安装底座71和72、两个紧固螺栓81和82以及两个堵头91和92。

弹性梁10是光纤传感器的核心元件，用于承载和固定光纤20。其由圆柱形金属材料加工形成，加工工艺简单，金属材料可以选用不锈钢等耐腐蚀材料、机械强度好的金属材料。在本实用新型的优选实施方式中，弹性梁10包括固定部11、测温光纤承载区12、弹性伸缩区13、测应变光纤承载区14、阻挡部15、螺纹区16、以及贯穿弹性梁10轴线方向的容纳槽17等多个部分，螺纹区16的外壁设置有外螺纹19。由于弹性梁上设置有弹性伸缩区，因此可以感测小范围值的应力变化，增强了光纤传感器的测量灵敏度。关于弹性梁10各个部分的具体细节后文将结合弹性梁10的六面视图进行详细描述，此处仅进行简略说明。

光纤20设置在弹性梁10的容纳槽17中。光纤20作为光学波导，其内压印(或嵌入或印刻)有布拉格微栅。与现有技术中M.G.Xu等人所采取的制作工艺不同，本实用新型的光纤20不是在光纤的同一位置写入两个重叠微栅，而是在一根光纤的两个相隔一定距离的不同位置分别写入布拉格波长不同的两个布拉格微栅，这种制作工艺的优点在于，降低了制作难度，无需考虑重叠微栅的相互影响，也不需要在制作时进行精确的位置对准，由于不是重叠微栅，因此两段光纤的布拉格波长的差异也不需要像M.G.Xu等人所作的那样大，波长差异较小，因此测量时使用一套宽带光源和一套光谱解调设备即可，降低了系统成本。如图1所示，光纤20上进一步包括测温光纤部21和测应变光纤部22，测温光纤部21设置在弹性梁10的测温光纤承载区12上，测应变光纤部22设置在弹性梁10的测应变光纤承载区14上，二者之间的光纤部分则设置在弹性伸缩区13。

为使光纤20能够同时测量温度和应力的变化，并且测温部分不受应力的影响，在本实用新型的实施例中，测温光纤部21是呈自由地松弛态容纳在测温光纤承载区12上，即固定点23至固定部11的光纤是呈自由态设置，而固定点23至阻挡部15的光纤则是连续地固定在弹性梁10上，因此测温光纤部21不会受弹性梁10的轴向应力的形变影响，而测应变光纤部22则会随弹性梁的轴向应力变化而改变对应的布拉格波长。

第一套管30为圆柱形金属管，其外径等于弹性梁10的固定部11的外径，其内径略大于弹性梁10的测温光纤承载区12、弹性伸缩区13、测应变光纤承载区14、阻挡部15、螺纹区16的外径，因此第一套管30可以环绕的紧贴的套在弹性梁10的测温光纤承载区12、弹性伸缩区13、测应变光纤承载区14外侧，以便于对弹性梁10以及弹性梁10上的光纤20上的测温光纤部21和测应变光纤部22的布拉格微栅起保护作用，从而避免外界环境因素损伤弹性梁10和光纤20。并且这种圆柱形环套结构提高了光纤传感器的径向机械强度，这提高了光纤传感器的使用寿命，降低了故障率。

第二套管40是和第一套管30外径相同的圆柱形金属管，其内径小于第一套管30的内径。第二套管40的内壁设置有内螺纹，该内螺纹可以与弹性梁10上螺纹区16的外螺纹相互匹配，第二套管40通过内壁的内螺纹与弹性梁10螺纹旋接。

紧固螺母50和调节螺母60是形状、尺寸相同的两个螺母，二者均设置在第一套管30与第二套管40之间，其中紧固螺母50设置在靠近第一套管30的一侧，调节螺母60设置在靠近第二套管40的一侧，紧固螺母50和调节螺母60的内螺纹尺寸与第二套管40的内螺纹尺寸相同，即紧固螺母50和调节螺母60也是经由弹性梁10的螺纹区16的外螺纹与弹性梁10相互螺纹旋接。紧固螺母50通过螺纹旋接可以压迫第一套管30，使其与弹性梁10的固定部11相抵触，从而固定第一套管30。

调节螺母60可以沿螺纹区16的轴向两侧旋进，当紧固螺母50与第二套管40相对于弹性梁10的螺纹区16固定时，调节螺母60向紧固螺母50方向旋进会使得弹性梁10受螺纹区轴向的拉力向外伸长，调节螺母60向第二套管40方向旋进则会使得弹性梁10受螺纹区轴向的压力向内收缩，从而调节螺母60可以对弹性梁10的轴向应力进行调节，使得弹性梁10可根据轴向应力收缩或伸长。

安装底座71为一U形金属台体，U形金属台体的中间的通孔内径略大于第二套管40的通孔，用于容纳固定第二套管40。U形金属台体的底面固定在被测物体上，固定方式包括焊接等不易变形位移的固定方式U形金属台体的两个侧壁上开设有对称的开孔，其中一侧的开孔内设置有内螺纹，紧固螺栓81的栓体上设置有外螺纹，可以穿过另一侧无螺纹开孔与螺纹开孔旋接，从而调节U形金属台体的开口尺寸，进而对第二套管40进行压紧或放松，以固定或松弛第二套管40与安装底座71的配合。

安装底座72和紧固螺栓82与之类似，仅其固定对象变为弹性梁10的固定部11，本领域技术人员应可理解该固定结构，此处不再累述。

堵头91和92是中间具有通孔的套管，用于容纳固定光纤20两侧的光纤头，并对光纤传感器的轴向进行密封。堵头91和92设置在弹性梁10的两侧端部，弹性梁10的两侧端部上均设置有内螺纹孔，堵头91和92可以通过螺纹旋接的方式固定在弹性梁10上。

图7是本实用新型光纤传感器实施例中弹性梁元件的主视图。图8是本实用新型光纤传感器实施例中弹性梁元件的俯视图。图9是本实用新型光纤传感器实施例中弹性梁元件的仰视图。图10是本实用新型光纤传感器实施例中弹性梁元件的左视图。图11是本实用新型光纤传感器实施例中弹性梁元件的右视图。

如图7-11所示，弹性梁10由圆柱形金属棒加工形成，弹性梁10包括固定部11、测温光纤承载区12、弹性伸缩区13、测应变光纤承载区14、阻挡部15、螺纹区16、以及贯穿弹性梁10轴线方向的容纳槽17等多个部分。

固定部11设置在弹性梁10的一端，其为圆柱形，用于与安装底座72相配合，以刚性固定弹性梁10。

测温光纤承载区12和测应变光纤承载区14是沿弹性梁10的轴平面切割形成的台面，分别用于承载测温光纤部21和测应变光纤部22。

弹性伸缩区13设置在测温光纤承载区12和测应变光纤承载区14之间，其通过对圆柱形金属棒进行径向的交错切槽，形成的蛇形弹簧区，相对于圆柱形金属棒本体而言，蛇形弹簧区在受力情况下更容易变形，因此对弹性梁10的轴向应力变化更加敏感，这一结构设计使得光纤传感器可以感测小范围值的应力变化，增强了光纤传感器的测量灵敏度。

阻挡部15为圆柱形，其外径略大于紧固螺母50的内螺纹的内径，以避免紧固螺母50在安装时旋进过度。

螺纹区16为圆柱形，外壁设置有外螺纹，用于与第二套管40、紧固螺母50、调节螺母60的内螺纹相匹配。

容纳槽17是沿弹性梁10垂直于测温光纤承载区12和测应变光纤承载区14台面的轴向方向向着弹性梁10的轴心线开槽形成，用于容纳光纤20，容纳槽17的两个端部设置有内螺纹，以安装固定堵头91和92。

上述光纤传感器的安装过程极为简便，在本实用新型提供的实施例中，可先将安装底座71或72的其中一个先焊接在被在测物体上，再将上述光纤传感器固定在焊接完毕的安装底座上。通过调节光纤传感器的调节螺母60，使得弹性梁10被拉伸或收缩，由于光纤20固定在弹性梁10上，所以光纤20上的布拉格微栅也同时被拉伸或收缩，其布拉格波长将发生相应的变化，因此可根据实际需要调节光纤传感器的初始波长的位置，然后再拧紧紧固螺母50，再将上述光纤传感器固定在另外一个底座上，再焊接该底座到钢铁或者钢铁预埋件上，至此完成安装。

在安装完成后，由于安装底座71、72与弹性梁10之间是刚性连接，而光纤20固定于弹性梁10上，因此当光纤传感器受到轴向应力作用时，弹性梁10将产生收缩或伸长，使得测量应变的光纤微栅波长也随之将发生变化；然后，可根据该中心波长的漂移情况获知应力的变化情况，从而实现了对应力变化的监测。

在本实用新型的实施例中，可通过调节螺母60调整上述光纤传感器的伸缩量，将其初始中心波长调节到所需的位置，从而调整该光纤传感器的测量范围。

由上可知，在本实用新型的实施例中，上述光纤传感器的测试范围可根据实际情况进行灵活地调节，既可测试负应变又可测试正应变，从而可适应多种应用环境；同时，由于该光纤传感器的零点波长可在安装后进行调节，因此也不存在由于安装而引起的零点漂移的问题；另外，该光纤传感器还具有可临时安装、可拆卸、可重复使用的优点，可用于测试混凝土及钢结构表面上应力变化(例如：桥梁、堤坝、钢骨架结构、高楼承重梁等的应力变化)，从而达到监测及预防的作用。

本实用新型的有益效果是：

第一，本实用新型提供的光纤传感器不仅能进行温度和应力传感检测，而且光纤传感器的主要组件均为圆柱形金属材料，加工工艺简单，成本低，机械强度好，工作稳定可靠。

第二，本实用新型提供的光纤传感器具有弹性梁组件，弹性梁组件上设置有弹性伸缩区，可以感测小范围值的应力变化，增强了光纤传感器的测量灵敏度。

第三，本实用新型提供的光纤传感器具有调节螺母组件，可对弹性梁组件的轴向应力进行调节，使得弹性梁组件可根据轴向应力收缩或伸长，因此光纤传感器的测量范围可根据实际情况进行灵活地调节，既可测试负应变又可测试正应变，从而可适应多种应用环境。

第四，本实用新型提供的光纤传感器具有紧固螺母组件，光纤传感器的零点波长可在安装时通过紧固螺母紧锁，因此避免了因震动而引起的零点波长漂移的问题。

第五，本实用新型提供的光纤传感器具有套管组件和堵头组件，可将光纤密封于光纤传感器内，从而避免外界环境因素损伤光纤，并且提高了光纤传感器的机械强度，这提高了光纤传感器的使用寿命，降低了故障率。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤传感器，其特征在于，包括：

光纤，所述光纤上设置有轴向相隔预定距离的第一布拉格微栅部和第二布拉格微栅部，所述第一布拉格微栅部的波长和第二布拉格微栅部的波长之间具有一波长差；

弹性梁，包括测温光纤承载区、测应变光纤承载区以及位于所述测温光纤承载区和所述测应变光纤承载区之间的弹性伸缩区，所述光纤的第一布拉格微栅部呈自由态地设置在所述测温光纤承载区上，所述光纤的第二布拉格微栅部连续地固定在所述测应变光纤承载区上，位于所述第一布拉格微栅部与所述第二布拉格微栅部之间的所述光纤连续地固定在所述弹性伸缩区。

2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述弹性梁为金属弹性梁，所述金属弹性梁沿着其轴向设置有一个凹槽，所述凹槽贯穿所述测温光纤承载区、所述测应变光纤承载区和所述弹性伸缩区，所述光纤容纳在所述凹槽中。

3.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述弹性伸缩区包括一个蛇形弹簧区，所述蛇形弹簧区响应所述轴向应变力作轴向压缩或拉伸。

4.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述弹性梁进一步包括一个位于一端的固定部，所述光纤传感器进一步包括第一套管，所述第一套管的外径小于所述固定部的外径，所述第一套管的内径略大于所述弹性梁的测温光纤承载区、弹性伸缩区、测应变光纤承载区的外径，所述第一套管环绕紧贴套在所述弹性梁的测温光纤承载区、所述弹性伸缩区以及所述测应变光纤承载区的外周。

5.根据权利要求4所述的光纤传感器，其特征在于，所述弹性梁进一步包括一个设置在所述弹性梁另一端的螺纹区，所述螺纹区邻近所述测应变光纤承载区，所述螺纹区的外壁设置有外螺纹。

6.根据权利要求5所述的光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感器进一步包括一个第二套管，所述第二套管的长度短于所述螺纹区的轴向长度，所述第二套管的内壁设置有内螺纹，该内螺纹与所述螺纹区的外螺纹相互匹配旋接，所述第二套管环绕紧贴套在所述螺纹区上，且与所述第一套管相距一预定距离，以固定所述弹性梁的另一端。

7.根据权利要求5所述的光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感器进一步包括一个紧固螺母，所述紧固螺母设置在所述第一套管与所述第二套管之间的所述螺纹区上，所述紧固螺母通过螺纹旋接压迫所述第一套管，使其与所述弹性梁的所述固定部相抵触。

8.根据权利要求6所述的光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感器进一步包括一个调节螺母，所述调节螺母沿所述螺纹区的轴向两侧旋进，在所述紧固螺母与所述第二套管相对于所述螺纹区固定的情况下，当所述调节螺母向所述紧固螺母方向旋进时，所述弹性梁受所述螺纹区轴向的拉力向外伸长，当所述调节螺母向所述第二套管方向旋进时，所述弹性梁受所述螺纹区轴向的压力向内收缩，所述调节螺母以此对所述弹性梁的轴向应力进行调节。

9.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感器进一步包括二个安装底座，所述弹性梁的两端分别刚性连接固定在二安装底座上，所述安装底座用于固定在被测物体上。

10.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感器进一步包括二个堵头，所述堵头为具有通孔的套管，所述堵头设置在所述弹性梁的两侧端部，用于容纳固定所述光纤的两侧的光纤头。

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