CN202709997U - 一种用于测量管道环向应变的应变箍传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于测量管道环向应变的应变箍传感器，属于传感技术领域。其特征是采用双层毛细钢管封装，通过金属支座与夹持件将毛细钢管封装的传感器紧箍在管道上，并通过环氧树脂把毛细钢管粘在管道外壁。金属支座与管道接触面的弧直径等于管道的外径，这样金属支座就能与管道紧密接触。传感器的测量灵敏度可以根据实际需求通过改变传感器元件的尺寸进行调整。本实用新型的效果和益处是提供了一种用于测量管道环向应变的应变箍传感器，它能够测量整个管道截面的环向应变，具有较高的灵敏度，克服了电阻应变计测量范围小，精度低，易受电磁干扰、长期稳定性差等缺点。

Description

一种用于测量管道环向应变的应变箍传感器

技术领域

本实用新型属于传感技术领域，涉及一种基于光纤光栅技术的测量管道环向应变的应变箍传感器。

背景技术

目前测量管道环向应变的方法通常是使用电阻应变计。但是这种方法只能测量应变计所在位置的局部应变，测量范围小，不能反映整个管道环向变形情况，而且电阻应变计灵敏度低、易受电磁信号干扰、长期稳定性差、寿命短，所以需要开发一种能够克服上述缺点的测量管道环向应变的传感器。

光纤光栅自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域。光纤光栅传感器是用光纤光栅制成的一种新型传感器，通过检测写入光纤内部的光栅反射或透射布拉格波长光谱，实现被测结构的应力，应变和温度量值的绝对测量。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点，所以近年来得到了广泛的应用。

发明内容

本实用新型的目的是基于光纤光栅技术，提供一种测量管道环向应变的应变箍传感器，这种应变箍传感器可以和管道紧密结合，能够测量整个管道截面的环向应变，灵敏度高，抗干扰性强，解决了现有的电阻应变计测量范围小，易受外界电磁干扰，测量灵敏度不高，长期稳定性差，寿命短等问题。

这种测量管道环向应变的应变箍传感器由金属支座1、夹持件9、光纤光栅5、毛细钢管3、毛细钢管6以及封装部件8组成。

本实用新型所采用的技术方案是：首先根据光纤光栅的工作原理可知，光纤光栅的波长变化Δλ与应变ε_f的关系式为式(1)：

Δλ＝K_f·ε_f(1)

该(1)式中K_f为光纤光栅应变传感器灵敏度系数。对于纤芯是纯石英的光纤情况，中心波长为1550nm附近的光纤光栅K_f等于1.2pm/με。

在应变测量方面，采用对光纤光栅进行两端夹持的封装方式，这种封装方式可以通过调整两端固定支点的距离d与两端封装部件之间光纤的长度d_f间的比值关系来改变传感器的灵敏度系数。在传感器结构中，采用钢管封装，封装部件的应变可以忽略，所以固定支点间的变形量几乎全部加载在光纤上。在管道环向应变测量中，管道周长变化量 $\mathrm{\Δl}={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ϵ}}_p\mathrm{Rd\θ}=2\mathrm{\πR}{\mathrm{\ϵ}}_p---\left(2\right)$

对于应变箍传感器，管道周长的变化量全部加载在长为d_f的光纤上，因此有 ${\mathrm{\ϵ}}_f=\frac{\mathrm{\Δl}}{d_f}=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{R\ϵ}}_p}{d_f}---\left(3\right)$ 代入(1)式得到 ${\mathrm{\ϵ}}_p=\frac{d_f\mathrm{\Δ\λ}}{2\mathrm{\πR}{K}_f}---\left(4\right)$

对于中心波长处于1550nm左右波段的光纤光栅，传感器的中心波长变化与外界应变的关系如下式： ${\mathrm{\ϵ}}_p=\frac{d_f\mathrm{\Δ\λ}}{2.4\mathrm{\πR}}---\left(5\right)$

式中ε_p为管道环向应变，ε_f为光纤应变，Δl为管道周长改变量。从上式可以看出，通过调整d_f的大小，可以改变光纤光栅应变箍传感器的应变测量灵敏度。

利用毛细钢管能够产生很大的弯曲变形的特性，将光纤光栅用毛细钢管封装，就可以将传感器做成圆箍状。通过增加毛细钢管的长度，即减小d_f，可以提高传感器应变测量灵敏度。将光纤光栅用毛细钢管封装后，紧箍在管道上，用金属支座与夹持件把传感器固定，然后使用环氧树脂把传感器粘在管道外壁，使管道的变形与传感器的变形一致。

其中金属支座是特殊制作的，它与管道的接触面弧直径等于管道外径，在支座中部切出半圆槽，毛细钢管通过封装部件嵌在半圆槽内，并通过夹持件把封装部件固定，半圆槽底部与管道相切，用这种金属支座能够使传感器与管道紧密接触，而且避免了毛细钢管发生较大的弯折，损坏传感器。

本实用新型的效果和益处是提供了一种用于测量管道环向应变的应变箍传感器，它能够测量整个管道截面的环向应变，具有较高的灵敏度，解决了电阻应变计测量范围小，精度低，易受电磁干扰、长期稳定性差等缺点。

附图说明

图1是光纤光栅应变箍传感器的纵向剖面结构图。

图2(a)是光纤光栅应变箍传感器的金属支座斜视图。

图2(b)是光纤光栅应变箍传感器的金属支座侧视图。

图3是光纤光栅应变箍传感器的夹持件示意图。

图1中：1 金属支座；2 704胶；3 直径1.0mm钢管；4 环氧树脂胶；5 光纤光栅；6 直0.8mm钢管；7 光纤；8 封装部件；9 夹持件。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施方式。

本实用新型的一种用于测量管道环向应变的应变箍传感器封装结构的示意图如图1所示。这种应变箍传感器由金属支座1、夹持件9、光纤光栅5、毛细钢管3、毛细钢管6以及封装部件8组成。通过金属支座1与夹持件9将初步封装的传感器紧箍在管道外壁，做成应变箍传感器，其中金属支座1与管道的接触面弧直径等于管道外径，能够与管道紧密接触。

所述的光纤光栅应变箍传感器制作封装方法如下：首先剥离光纤光栅5两端的光纤7表面的涂敷层，使用光纤涂敷机对裸光纤光栅5部位涂敷一层704胶，待固化后将光纤光栅置于钢管6中，使用精密光纤调整架调整其位置，使其处于中央部位，接着灌入按一定比例配置好的环氧树脂胶4，待胶固化后将端部均匀涂满704胶2的毛细钢管6置于毛细钢管3内，6伸出3外一部分，待胶固化，然后将毛细钢管6两末端套入封装部件8内，灌入环氧树脂胶粘接毛细钢管6与封装部件8，待环氧树脂胶固化后，即完成初步封装。使用时，将传感器箍在管道外壁，用金属支座1与夹持件9固定封装部件8，然后用环氧树脂胶将传感器与管道粘在一起。

Claims (2)

1.一种用于测量管道环向应变的应变箍传感器，其特征是光纤光栅用毛细钢管封装；将光纤光栅用毛细钢管封装后，紧箍在管道上，用金属支座(1)与夹持件(9)把传感器固定；然后使用环氧树脂把传感器粘在管道外壁。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量管道环向应变的应变箍传感器，其特征是：金属支座(1)与管道接触面圆弧直径与管道外径相同，金属支座(1)底部有半圆槽，半圆槽轴线与管道外壁相切，毛细钢管(3)通过封装部件(8)嵌在半圆槽内，并通过夹持件(9)固定住。

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