CN202511764U - 一种高灵敏度光纤光栅应变传感器 - Google Patents

一种高灵敏度光纤光栅应变传感器 Download PDF

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袁子琳
吴宇
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Abstract

本实用新型公开一种高灵敏度光纤光栅应变传感器。端接尾纤的光纤光栅两端用粘结剂固定在金属片状结构中央区域，端接尾纤的光纤光栅两端同时套接松套管和铠装光缆，铠装光缆从金属片状结构两端垂直圆孔穿过，同时两片压块与金属片状结构用螺钉连接，将贯穿其中的光缆夹紧；安装时，两个压块与被测物粘合或夹持固定；压块之间的距离长于光纤光栅两端粘结剂之间的距离，由此提高应变测量灵敏度。通过检测光纤光栅反射光波长变化量，确定被测结构的应变量。该传感结构具有灵敏度高、测量精度高、可靠性高、抗电磁干扰、抗雷击、易组网等优点，特别适用于大型结构应变监测。

Description

一种高灵敏度光纤光栅应变传感器
技术领域
 本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种用于大型结构应变测量的高灵敏度光纤光栅应变传感器。
背景技术
光纤光栅对应变非常敏感，且制作方便成本低，利于大规模生产，已广泛应用与传感领域，特别是用于应变、温度、压力、超声波、加速度、强磁场等参数的准分布测量。而应变参数的测量是其中极为广泛的应用之一，它广泛应用于建筑结构、隧道、地铁、电力、油井等领域。光纤光栅传感器的主要优势表现在不受电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、信号传输损耗小、传输无源、布线少、成本低等。
大型结构如建筑、桥梁、井架等设施长期暴露在外界环境中，易受到恶劣环境和人为的影响出现老化或损伤。应变是表征工程结构安全的重要指标，人们通常通过检测结构的应变来评估一项工程结构的健康状况。结构体受外界作用产生的应变过大，会使结构产生裂纹、形变等损伤，进一步发展会导致结构断裂、倾塌，威胁工程安全。因此对工程结构的应力应变进行长期、实时、动态的监测具有非常重要的意义。
国内目前已有光纤光栅应变传感器应用在结构健康监测方面，如哈尔滨工业大学、大连理工大学、北京工业大学、昆明理工大学等单位的研究人员制作了管式封装的光纤布拉格光栅应变传感器；于秀娟等人对普通片式封装的光纤布拉格光栅传感器进行了改进，将铜、钛合金或钢基片做成“工”字型；李惠等人将纤维增强聚合物封装的光纤布拉格光栅传感器用于山东滨州黄河公路大桥斜拉索的长期健康监测。
上述传感器适合测量大应变，但应变测量灵敏度低。本实用新型提出了一种基于应变放大的高灵敏度光纤光栅应变传感器，特别适用于大型结构应变测量。
实用新型内容
针对上述现有技术，本实用新型要解决的技术问题是提供一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，其能克服应变测量灵敏度低的缺点。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，包括：端接尾纤的光纤光栅（1）、松套管（2）、铠装光缆（3）、金属片状结构（4）、带螺孔的压块Ⅰ（5）和压块Ⅱ（6）；其特征在于：端接尾纤的光纤光栅（1）两端套接松套管（2）和铠装光缆（3），端接尾纤的光纤光栅（1）固定在金属片状结构（4）的半圆细槽（8）内，铠装光缆（3）两端分别穿过金属片状结构（4）两端的垂直圆孔（9），金属片状结构（4）与压块Ⅰ（5）、压块Ⅱ（6）用螺钉连接，压块Ⅰ（5）、压块Ⅱ（6）与被测结构（11）粘合或夹持固定。
所述一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，其特征在于：端接尾纤的光纤光栅（1）两端施加预应力后分别用粘结剂（7）固定在金属片状结构（4）上的半圆细槽（8）内。
所述的一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，其特征在于：金属片状结构（4）的两端分别设置有两个螺孔（10）。
所述的一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，其特征在于：压块Ⅰ（5）、压块Ⅱ（6）用螺钉连接在金属片状结构（4）的两端螺孔（10）处。 
所述的一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述压块Ⅰ（5）、压块Ⅱ（6）厚度大于金属片状结构（4）厚度，并且大于两端垂直圆孔（9）的高度，使得光端接尾纤的光纤光栅（1）和金属片状结构（4）与被测结构（11）分离。
所述的一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，其特征在于：压块Ⅰ（5）、压块Ⅱ（6）之间的距离L2大于端接尾纤的光纤光栅（1）两端粘结剂（7）之间的距离L1，金属片的杨氏模量大于光纤，被测结构（11）受到应力时发生的形变ΔL2集中在端接尾纤的光纤光栅（1）上，被测结构（11）的应变为ΔL2-/L2，光纤光栅所受应变为ΔL2/L1，应变传感器的灵敏度提高L2/L1倍。
所述的一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述用于固定端接尾纤的光纤光栅（1）和金属片状结构（4）的粘结剂可采用紫外胶、高温胶或低温玻璃焊料。
本实用新型与现有技术相比具有以下有益结果：利用压块Ⅰ（5）和压块Ⅱ（6）使得光纤光栅（1）和金属片状结构（4）与被测结构（11）分离，并利用金属片的杨氏模量大于光纤实现应变集中，从而提高应变测量的灵敏度。本实用新型非常适合用于对应变灵敏度要求较高的结构健康监测领域。
附图说明：
图1：高灵敏度光纤应变传感器整体结构图。
图2：高灵敏度光纤应变传感器中金属片状结构详细结构图。
图3：高灵敏度光纤应变传感器与被测结构之间的装配图。
图4：高灵敏度光纤应变传感器的波长与应变关系图。
图中标记：1-端接尾纤的光纤光栅；2-松套管；3-铠装光缆；4-金属片状结构； 5-压块Ⅰ；6-压块Ⅱ；7-粘结剂；8-半圆细槽；9-与金属片状结构垂直的圆孔；10-螺孔；11-被测结构。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
如图1和图2所示，高灵敏度光纤应变传感器制作过程如下：将端接尾纤的光纤光栅（1）穿过金属片状结构（4）两端圆孔（9），将端接尾纤的光纤光栅（1）平铺于金属片状结构（4）中央，半圆细槽（8）内，保证端接尾纤的光纤光栅（1）处于金属片状结构（4）正中位置。在端接尾纤的光纤光栅（1）一端、金属片状结构一侧回形孔的外侧点入粘结剂（7），粘结剂（7）固化后将将端接尾纤的光纤光栅（1）固定，给另一端端接尾纤的光纤光栅（1）施加一定的预应力并在端接尾纤的光纤光栅（1）另一端点入粘结剂（7）并固化。将两侧穿过垂直圆孔（9）的松套管（2）和铠装光缆（3）套接在中间的将端接尾纤的光纤光栅（1）。用压块Ⅰ（5）、压块Ⅱ（6）将铠装光缆（3）夹住，在金属片状结构（4）的螺孔（10）处与金属片状结构用螺钉拧紧。如图3所示，将压块Ⅰ（5）、压块Ⅱ（6）粘合或夹持在被测结构（11）表面，完成传感器的安装。
高灵敏度光纤应变传感器有益效果：
压块Ⅰ（5）与压块Ⅱ（6）之间的距离L2大于端接尾纤的光纤光栅（1）两端粘结剂（7）之间的距离L1，金属片的杨氏模量大于光纤，被测结构（11）受到应力时发生的形变ΔL2集中在端接尾纤的光纤光栅（1）上，被测结构（11）的应变为ΔL2-/L2，光纤光栅所受应变为ΔL2/L1，应变传感器的灵敏度提高L2/L1倍。
两压块之间的被测结构（11）发生形变时，金属片状结构（4）将受力而产生的应变集中在光栅上，使光栅周期和有效折射率均发生改变，反射波长随之改变。由此，可以通过光学解调仪测量反射波长的改变量来推算被测结构（11）的应变量。普通光纤布拉格光栅的应变灵敏度约1.2 pm/με，按本实用新型的方法对传感器结构进行设计，L2=78mm，L1=24mm。通过测试，得到光栅中心波长随应变的变化曲线，如图4所示，实验数据的线性度为0.9996。应变灵敏度为：3.85pm/με，与理论应变灵敏度1.2*78/24=3.9 pm/με吻合，验证了本实用新型的可行性。

Claims (7)

1.一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，包括：端接尾纤的光纤光栅（1）、松套管（2）、铠装光缆（3）、金属片状结构（4）、带螺孔的压块Ⅰ（5）和压块Ⅱ（6）；其特征在于：端接尾纤的光纤光栅（1）两端套接松套管（2）和铠装光缆（3），端接尾纤的光纤光栅（1）固定在金属片状结构（4）的半圆细槽（8）内，铠装光缆（3）两端分别穿过金属片状结构（4）两端的垂直圆孔（9），金属片状结构（4）与压块Ⅰ（5）、压块Ⅱ（6）用螺钉连接，压块Ⅰ（5）、压块Ⅱ（6）与被测结构（11）粘合或夹持固定。
2.根据权利要求1所述一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，其特征在于：端接尾纤的光纤光栅（1）两端施加预应力后分别用粘结剂（7）固定在金属片状结构（4）上的半圆细槽（8）内。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，其特征在于：金属片状结构（4）的两端分别设置有两个螺孔（10）。
4.根据权利要求1或3所述的一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，其特征在于：压块Ⅰ（5）、压块Ⅱ（6）用螺钉连接在金属片状结构（4）的两端螺孔（10）处。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述压块Ⅰ（5）、压块Ⅱ（6）厚度大于金属片状结构（4）厚度，并且大于两端垂直圆孔（9）的高度，端接尾纤的光纤光栅（1）和金属片状结构（4）与被测结构（11）分离。
6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，其特征在于：压块Ⅰ（5）、压块Ⅱ（6）之间的距离L2大于端接尾纤的光纤光栅（1）两端粘结剂（7）之间的距离L1，金属片的杨氏模量大于光纤，被测结构（11）受到应力时发生的形变ΔL2集中在端接尾纤的光纤光栅（1）上，被测结构（11）的应变为ΔL2-/L2，光纤光栅所受应变为ΔL2/L1，应变传感器的灵敏度提高L2/L1倍。
7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述用于固定端接尾纤的光纤光栅（1）和金属片状结构（4）的粘结剂可采用紫外胶、高温胶或低温玻璃焊料。
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