CN203732039U - 集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器 - Google Patents

Abstract

一种集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器，包括由同型号不同波段的两根裸光纤光栅构成的光纤光栅传感器、高弹性金属薄片构成的弹片、夹持件、基座、L形钢板构成的Z形活动件和金属框架；金属框架上有框架轴孔和框架连接轴，Z形活动件的连接轴穿过框架轴孔，与基座II通过夹持件II固定连接并能在框架轴孔内进行相对移动；弹片的一端与Z形活动件的L形板固定相连，另一端固定在金属框架上；框架连接轴与基座I通过夹持件I固定连接；框架、Z形活动件、弹片、基座及夹持件形成一个悬臂梁受力结构；工作状态下，两个基座通过栓接或焊接方式固定在被测构件表面，当被测构件产生应变时，带动基座、Z形活动件引起弹片变形，从而使光纤光栅变形。

Description

集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器

技术领域

本实用新型涉及一种采用应变传感器间接测量锚杯表面的应变量的装置，特别是涉及到一种基于光纤光栅技术的缆索索力传感器，该种传感器可安装在拉索的锚具表面监测拉索索力或应变，也可用于测量土木建筑结构中钢、混凝土梁柱及其它结构件的应力变形。

背景技术

拉索的索力大小直接决定着斜拉桥、悬索桥、拱桥等拉索体系建筑的工作状态，采用准确的方法进行索力监测是保证其顺利施工和安全运营的必要手段；索力测量常用的压力测定法、磁通量法、频率法等手段，在精度、适用性、动态监测、拆装、耐久性等方面或多或少存在一定局限性；而光纤光栅传感器监测拉索索力是一种新型的理想的监测方法。

现有的光纤光栅传感器虽然是一种理想的长期测量传感器，测量具有精度高、耐久性好、不易受环境（电磁场、湿度、化学腐蚀等）影响等优点，但也存在自身缺点：光纤光栅易脆、易损坏，温度影响比较大，当温度和应变同时发生作用时，应变及温度存在交叉敏感问题。为了消除交叉影响，目前常采用参考光栅法，即单独布置一根光纤光栅，使之只受温度影响不受应变作用，从而实现对其他光纤光栅的温度补偿；由于目前结构与传感器同时受温度影响，独立光纤光栅对结构的温度影响没法消除或误差大，另外温度的敏感度比应力的灵敏度大也加大了温度补偿的难度。

专利申请公开号为CN102230834A的《一种带温度自补偿的光纤光栅索力传感器》公开了一种将光纤光栅应变传感器焊接在锚头，使索体拉力能够精确地传递到锚头上的光纤光栅应变传感器上的索力测量方法；但该专利要采用5只光纤光栅索力传感器，对于每只光纤光栅索力传感器是“将光纤光栅1两端采用胶接的方法固定在封装部件2内，然后将封装部件2分别置于固定支座4内，并使用螺栓将夹持部件3和固定支座4紧紧连接，最后使用焊接的方式将固定支座4与锚头连接”，因此，存在以下不足之处：

1、该专利是“在缆索锚头环向方向布置1个夹持式光纤光栅应变传感器，实现对索力传感器的温度补偿。”但这种方法存在明显的测量误差，因为锚头上布置传感器的各部位的温度变化是不完全一致的，特别是锚头还是出于室外环境条件下，所以无法保证4只光纤光栅索力传感器与温度补偿传感器受到的温度影响是一致，也就无法保证温度补偿的准确性，导致测量的误差；

   另外，温度的敏感度比应力的灵敏度高，用一个值消除多个传感器的温度影响，扩大了测量误差。

2、该专利提出的传感器封装方式简单，环氧树脂封装也存在外露老化的问题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器，所述光纤光栅应变传感器是一种基于等强度悬臂梁结构的、具有温度自补偿的功能的、可用于测量表面应变的高灵敏度光纤光栅传感器，该光纤光栅应变传感器结构简单、精度高、工艺性好、拆装方便，可重复使用，而且具有温度自动补偿功能，能够很好地解决光纤光栅传感器应变及温度交叉敏感问题。

为解决上述问题， 本实用新型采用的技术方案是： 一种集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器，包括光纤光栅传感器、弹片、夹持件、基座、Z形活动件和框架；

所述光纤光栅传感器由同型号不同波段的两根裸光纤光栅构成；

所述弹片为高弹性的金属薄片；

所述夹持件有2件，为带两通孔的金属方块；

所述基座有2件，为方形的金属板，每件基座上端有一个用于放置Z形活动件连接轴或框架连接轴的开口方槽，方槽两侧对称各有一个用于安装夹持件的螺纹孔；

所述Z形活动件为L形钢板，其上固定有一圆柱形的连接轴，轴的一端为球头；

所述框架为方形、圆形或多边形的金属框架，其上有框架轴孔、框架连接轴，轴的一端为球头；

所述 Z形活动件的连接轴穿过框架轴孔，与基座II通过夹持件II固定连接，并且能在框架轴孔内进行相对移动；

所述弹片的一端与Z形活动件的L形板固定相连，而另一端固定在金属框架上；框架连接轴与基座I通过夹持件I固定连接；

框架、Z形活动件、弹片、基座及夹持件形成一个悬臂梁受力结构；

光纤光栅传感器的同型号不同波段的两根裸光纤光栅对称粘贴在弹片上下两个面上；

工作状态下，两个基座通过栓接或焊接方式固定在被测构件表面，当被测构件产生应变时，带动基座、Z形活动件引起弹片变形，从而使光纤光栅变形。

所述集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器的进一步技术方案是：该集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器还有2个保护盖，所述保护盖为与框架外缘形状相同的方形、圆形或多边形的金属薄板，2个保护盖通过螺栓分别安装在框架上下两侧面，并在连接缝隙处涂抹封胶密封构成密闭的空腔。

由于采取以上技术方案，本实用新型之集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器具有以下特点：

1.采用一只本实用新型之集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器就具有温度自补偿功能，同时灵敏度提高1倍。

本实用新型之集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器采用同型号不同波段的两根裸光纤光栅对称粘贴在弹片上下两个面；利用弹片受力变形后，两根光纤光栅一个受拉一个受压，两光栅波长差只受应变的影响，不受温度的影响的原理解决光纤光栅传感器应变及温度交叉敏感的问题，实现了对传感器的温度补偿；同时达到提高灵敏度1倍的效果。

2.本实用新型之集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器利用框架6、Z形活动件5、弹片2、基座4及夹持件3形成一个悬臂梁受力结构，实现光纤光栅应变与被测构件的表面应变转化；其结构新颖、简单实用，效果好。

    3.本实用新型之集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器利用框架以及保护盖、并在连接缝隙处涂抹封胶密封形成密闭的空腔；框架、保护板及其他零件都是用不锈钢或表面有防腐涂层的材料制成，光纤光栅传感器固定于密闭的空腔中，受到很好的保护，耐压强度高、耐腐蚀性能好。

4.本实用新型之集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器用于监测拉索索力的方法是先将其基座用螺钉栓接或焊接的方式固定在锚杯表面，再将传感器其余部分夹持在基座上；一个锚杯上可沿拉索轴向布设1个或对称布置2个或对称布置4个集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器；使索体拉力能够精确地传递到传感器上。

因此，本实用新型之集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器，相对于现有的电阻应变片式的表面应变传感器，具有不易受环境（电磁场、湿度、化学腐蚀等）影响，寿命长，复用性好，测量精度高的优点；而相对于其他光纤光栅应变传感器，其结构简单、精度高、工艺性好、拆装方便、可重复使用，而且具有温度自动补偿功能，很好地解决了光纤光栅传感器应变及温度交叉敏感问题。

其用于监测拉索索力的方法易操作、步骤简单，能够在不破坏拉索前提下，快速安装传感器进行测量，而且可以反复拆装；利用光纤光栅自身的性质以及集成的温度自补偿功能，大大提高了在户外等各种环境下监测索力的灵敏度和精确度；同时也可以根据测量位置大小、形状调整传感器的尺寸，适用于建筑结构中不同种类缆索的索力实时监测。

下面，结合附图和实施例对本实用新型之集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1～图3是本实用新型之集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器的整体结构示意图：

图1：主视图；

图2：图1的左视图；

图3：集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器的内部封装示意图（图1的A-A剖视图）；

图4：集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器的框架结构示意图；

图5：本实用新型之集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器用于监测拉索索力的安装使用状态示意图；

图6：图5的右视图。

图中：

1-光纤光栅传感器，2-弹片，3-夹持件，301-夹持件I，302-夹持件II；

4-基座，401-基座Ⅰ，402-基座II；

5-Z形活动件，501-L形钢板，502-Z形活动件的连接轴；

6-框架，601-金属框架，602-框架轴孔，603-框架连接轴；

7-保护盖；8-锚杯，9-拉索，10-测量仪器。

具体实施方式  

一种集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器，如图1～图3所示，该集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器包括光纤光栅传感器1、弹片2、夹持件3、基座4、Z形活动件5和框架6；

所述光纤光栅传感器1由同型号不同波段的两根裸光纤光栅101、102构成；

所述弹片2是按等强度梁设计的高弹性金属薄片；

所述夹持件3有2件，为带两通孔的金属方块；

所述基座4有2件，为方形的金属板，基座上端有一个用于放置Z形活动件5连接轴或框架6连接轴的开口方槽；方槽两侧对称各有一个用于安装夹持件3的螺纹孔；下端对称两边各有一个用于将基座固定在被测件上的安装孔；

所述Z形活动件5为L形钢板501，其上固定有一圆柱形的连接轴502，轴的一端为球头；

所述框架6为方形的金属框架601，其上有框架轴孔602、框架连接轴603，框架连接轴的一端为球头（参见图1、图4）；

所述 Z形活动件的连接轴502穿过框架轴孔602，与基座II402通过夹持件II302固定连接，并且能在框架轴孔602内进行相对移动；

所述弹片2的一端与Z形活动件的L形板501固定相连，弹片2的另一端固定在金属框架601上；框架连接轴603与基座I 401通过夹持件I 301固定连接；

框架6、Z形活动件5、弹片2、基座4及夹持件3形成一个悬臂梁受力结构；

光纤光栅传感器1的同型号不同波段的两根裸光纤光栅对称粘贴在弹片上下两个面上；

工作状态下，两个基座4通过栓接或焊接方式固定在被测构件表面，当被测构件产生应变时，带动基座4、Z形活动件5引起弹片2变形，从而使光纤光栅变形。

该集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器还有2个保护盖7，所述保护盖7为与框架6外缘形状相同的方形金属薄板、所述2个保护盖7通过螺栓分别安装在框架6上下两侧面与框架6，并在连接缝隙处涂抹封胶密封构成密闭的空腔。

作为本实用新型实施例的一种变换，弹片2也可以按照等宽度梁或其他各种悬臂梁设计。

作为本实用新型实施例的又一种变换，所述集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器的框架6的形状还可以是圆形或其他任意多边形的金属框架601，所述集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器的保护盖7的形状也相应改为与框架6的外缘形状相同的圆形或其他任意多边形。

作为本实用新型实施例的又一种变换，所述集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器的框架6上下两侧面也可以没有保护盖7；光纤光栅固定于空腔中，从强度上能获得好的保护，但防腐效果差一些。

作为本实用新型实施例的又一种变换，可以改变框架6、Z形活动件5与夹持件3、基座4的连接方式，改为螺纹连接、轴孔配合连接等方式。

将本实用新型所述的光纤光栅应变传感器实现监测拉索索力的方法是：准备好所需数量的集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器、配套测量设备10以及连接线；在待测拉索锚杯8待测表面标距；把集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器的2个基座4拆下，并将2个基座4以螺钉栓接或焊接的方式固定在锚杯表面标距的两端，再将集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器的其余部分重新夹持在基座4上；一个锚杯上可沿拉索轴向布设1个集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器（参见图5、图6）；连线完毕，开启测量设备，监测光纤光栅波长的变化；当拉索锚杯受力表面产生应力应变时，带动集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器的基座4、Z形活动件5引起弹片2变形，从而使光纤光栅传感器1的两根光纤光栅变形，通过测量仪测量出光纤光栅波长的变化，根据波长变化与拉索索力或应力的标定方程，得出拉索的索力或应力。

上述通过测量仪测量出光纤光栅波长的变化，根据波长变化与拉索索力或应力的标定方程，得出拉索的索力或应力都是通过公知技术可以做到的，具体计算方法此处不再赘述。

作为本实用新型实施例的一种变换，一个锚杯上可沿拉索轴向布设的集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器的个数还可以增加，可以对称布置2个或对称布置4个。

Claims (2)

1.一种集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器，其特征在于：该集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器包括光纤光栅传感器（1）、弹片（2）、夹持件（3）、基座（4）、Z形活动件（5）和框架（6）；

所述光纤光栅传感器（1）由同型号不同波段的两根裸光纤光栅（101、102）构成；

所述弹片（2）为高弹性的金属薄片；

所述夹持件（3）有2件，为带两通孔的金属方块；

所述基座（4）有2件，为方形的金属板，每件基座上端有一个用以放置Z形活动件（5）连接轴或框架（6）连接轴的开口方槽，方槽两侧对称各有一个用于安装夹持件（3）的螺纹孔；

所述Z形活动件（5）为L形钢板（501），其上固定有一圆柱形的连接轴（502），轴的一端为球头；

所述框架（6）为方形、圆形或多边形的金属框架（601），其上有框架轴孔（602）、框架连接轴（603），轴的一端为球头；

所述 Z形活动件的连接轴（502）穿过框架轴孔（602），与基座II（402）通过夹持件II（302）固定连接，并且能在框架轴孔（602）内进行相对移动；

所述弹片（2）的一端与Z形活动件的L形板（501）固定相连，而另一端固定在金属框架（601）上；框架连接轴（603）与基座I（401）通过夹持件I（301）固定连接；

框架（6）、Z形活动件（5）、弹片（2）、基座（4）及夹持件（3）形成一个悬臂梁受力结构；

光纤光栅传感器（1）的同型号不同波段的两根裸光纤光栅对称粘贴在弹片上下两个面上；

工作状态下，两个基座（4）通过栓接或焊接方式固定在被测构件表面，当被测构件产生应变时，带动基座（4）、Z形活动件（5）引起弹片（2）变形，从而使光纤光栅变形。

2.根据权利要求1所述的集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器，其特征在于：该集成温度自补偿的光纤光栅应变传感器还有2个保护盖（7），所述保护盖（7）为与框架（6）外缘形状相同的方形、圆形或多边形的金属薄板、2个保护盖（7）通过螺栓分别安装在框架（6）上下两侧面，并在连接缝隙处涂抹封胶密封构成密闭的空腔。