CN205373656U - 一种灵敏度可调的光纤光栅应变传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种灵敏度可调的光纤光栅应变传感器，属于光纤传感技术领域。本实用新型包括应变测试光纤光栅、温度补偿光纤光栅、细弹性基体、粗弹性基体、安装底座、尾纤、盖板、滑槽、固定螺丝、底座安装孔和螺帽，应变测试光纤光栅内置于细弹性基体，温度补偿光纤光栅内置于粗弹性基体，盖板通过固定螺丝将弹性基体固定于安装底座，盖板可以在安装底座的滑槽内进行移动。本实用新型的有益效果为：改变盖板在滑槽中的位置来调节光纤光栅固定间距，从而改变了传感器的应变灵敏度，获得最佳的应变灵敏度和应变量程，满足不同测试量程的应用场合。该传感器适用于土木工程的结构应变检测。

Description

一种灵敏度可调的光纤光栅应变传感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感领域，主要涉及一种灵敏度可调的光纤光栅应变传感器。

背景技术

光纤光栅是20世纪90年代以来在国际上新兴的一种基础性光纤无源器件。光纤光栅对应变、温度都敏感，是制备传感器的优良器件，且具有抗电磁干扰、体积小、重量轻、寿命长、复用性好和组网能力强等优点。因此，光纤光栅传感器广泛应用于桥梁、隧道、大坝、边坡和矿井等工程领域中。

在结构安全监测行业中，不同应用场合和不同材质结构所需的应变分辨率和应变量程存在区别，比如混凝土结构的弹性形变小于钢结构的弹性形变。目前，绝大部分光纤光栅应变传感器没有采用增敏结构，其应变量程一般为±1500με，应变灵敏度为1.2pm/με，在桥梁、大坝等结构的安全监测中，该量程的指标能够满足其测试要求。但在桥梁定期检测中，桥梁的最大应变值一般为200με～300με，导致绝大部分传感器应变量程过大，但应变灵敏度偏低

目前，研究人员提出了一些增敏结构，如专利201220154883.8和专利201220207094，其主要途径是通过减小光纤光栅固定点的间距，从而降低了光栅固定间距与传感器标距之比。但该方法只能得到某一个特定的应变灵敏度和对应的应变量程，即只能适用于某一个特定领域的应变测试，而无法满足不同的应用场合。

光纤光栅应变传感器的温度补偿技术主要采取的两种方式，一是结构的自补偿技术，如专利200810079639.8和专利200810104456.7，通过结构体的热胀冷缩特性来补偿光纤光栅由热效应引起的波长漂移。但自补偿技术要求精密的封装技术，无疑增加了传感器的生产成本，且当温度快速变化时(如，早晨和傍晚的温度变化较快)，空气温度和结构体的温度存在差异，导致传感器的补偿误差较大；二是通过光纤光栅温度传感器对应变传感器进行补偿，该方法简单方便，广泛应用于结构体的安全监测项目中。但它与前者存在相同的问题，即当温度快速变化时，温度传感器的温度和结构体的温度存在差异，导致传感器的补偿误差较大，且额外增加了传感器的数量和成本。因此，目前光纤光栅应变传感器的温度补偿还无法满足温度变化较快的场合。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术中存在的问题，而提供一种灵敏度可调的光纤光栅应变传感器，该传感器可以调节应变灵敏度和量程，从而满足不同测试量程的应用场合。同时，该技术可以进行应变传感器的温度实时补偿，减少温度快速变化引起的补偿误差。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的。这种灵敏度可调的光纤光栅应变传感器，包括应变测试光纤光栅、温度补偿光纤光栅、细弹性基体、粗弹性基体、安装底座、尾纤、盖板、盖板固定螺丝、底座安装孔和螺帽，所述的应变测试光纤光栅通过胶粘或低温玻璃焊料粘接于细弹性基体；温度补偿光纤光栅通过胶粘或低温玻璃焊料粘接于粗弹性基体；安装底座采用胶粘、螺丝固定或焊接方式固定于待测结构表面，其固定位置为底座安装孔，通过螺帽将盖板和细弹性基体或粗弹性基体固定于安装底座；安装底座有两道平行的滑槽，滑槽底部宽度大于上部宽度，使得盖板固定螺丝能够在滑槽内自由移动，通过改变盖板的位置调整弹性基体的固定间距。

所述滑槽标有刻度，能够读取盖板固定位置的坐标。

本实用新型的有益效果为：通过调节光纤光栅弹性基体的固定间距来调整传感器灵敏度的光纤光栅应变传感器，可根据不同的应用场合来调整传感器的灵敏度，得到最佳的应变测量范围和应变分辨率。在应变测试光纤光栅的相似位置安装温度补偿光纤光栅来对传感器进行温度实时补偿，减小了温度快速变化而引起的补偿误差。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的剖面图；

附图标记说明：1、应变测试光纤光栅；2、温度补偿光纤光栅；3、细弹性基体；4、粗弹性基体；5、安装底座；6、尾纤；7、盖板；8、滑槽；9、盖板固定螺丝；10、底座安装孔；11、螺帽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明：

如图1-2所示，这种灵敏度可调的光纤光栅应变传感器，包括应变测试光纤光栅1、温度补偿光纤光栅2、细弹性基体3、粗弹性基体4、安装底座5、尾纤6、盖板7、盖板固定螺丝9、底座安装孔10和螺帽11，所述的应变测试光纤光栅1通过胶粘或低温玻璃焊料粘接于细弹性基体3；温度补偿光纤光栅2通过胶粘或低温玻璃焊料粘接于粗弹性基体4；安装底座5采用胶粘、螺丝固定或焊接方式固定于待测结构表面，其固定位置为底座安装孔10，通过螺帽11将盖板7和细弹性基体3或粗弹性基体4固定于安装底座5；安装底座5有两道平行的滑槽8，滑槽8底部宽度大于上部宽度，使得盖板固定螺丝9能够在滑槽8内自由移动，通过改变盖板7的位置调整弹性基体的固定间距。所述滑槽8标有刻度，能够读取盖板7固定位置的坐标。

弹性基体的弹性模量远小于不锈钢，安装底座和盖板采用不锈钢之类的高弹性模量的金属材质。应变测试光纤光栅采用光纤胶水或低温玻璃焊料粘接于细弹性基体，温度补偿光纤光栅以同样粘接方式固定于粗弹性基体。安装底座配有移动滑槽，盖板可以在移动滑槽上进行移动，并通过螺丝将弹性基体固定于安装底座，因此，通过改变盖板的位置可以调整弹性基体的固定间距。

传感器底座通过胶粘、膨胀螺丝或焊接等方式固定于待测结构表面，两个底座固定点的间距即为传感器的标距(L)。当待测结构产生变形时，安装底座将会产生相变形量(ΔL)，而安装底座的模量远大于弹性基体，安装底座形变可以忽略不计，形变主要集中在弹性基体上(ΔL)。因此，

对于传感器而言，其应变为

其中，ΔL＝ΔL₁+ΔL₂，ΔL₁为细弹性基体的形变量，ΔL₂为粗弹性基体的形变量。

而弹性基体的形变量为

ΔL₁＝ε₁×L₁(2)

ΔL₂＝ε₂×L₂(3)

其中，ε₁、ε₂分别为细、粗弹性基体的应变值，L₁、L₂分别为细、粗弹性基体的固定长度。

由于细、粗弹性基体的弹性模量一致，所受的拉伸/压缩力也一致，所以细弹性基体和粗弹性基体所受的应力相同，即

${\mathrm{\ϵ}}_1\×A_1=\frac{F}{E}={\mathrm{\ϵ}}_2\×A_2---\left(4\right)$

其中，F为弹性基体所有的作用力，E为弹性基体的弹性模量。

因此，

${\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1\×A_1}{A_2}---\left(5\right)$

因此，増敏系数K为

其中，0≤L1≤1/2L；0≤L2≤1/2L；A1≤A2；

当L1＝L2＝1/2L，A1＝A2时，传感器的増敏系数K＝1，即无増敏效果；

当L1＝L2＝1/4L，A1＝1/3A2时，传感器的増敏系数K＝3，即传感器应变灵敏度增至原先值的3倍。

因此，可以通过改变盖板的固定位置(调整L1和L2的长度)来调节传感器的应变灵敏度。

应变测试光纤光栅和温度补偿光纤光栅的波长会随着温度改变而发生漂移，其波长公式为

λ₁＝K_ε1×ε+K_T1×ΔT(8)

λ₂＝K_ε2×ε+K_T2×ΔT(9)

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}T\\ \mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}\end{array}\right]=\frac{1}{B}\left[\begin{array}{cc}{K}_{\mathrm{\ϵ}2}& -K_{\mathrm{\ϵ}1}\\ -K_{T2}& K_{T1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_2\end{array}\right].---\left(10\right)$

其中，λ₁和λ₂分别为应变测试光纤光栅和温度补偿光纤光栅的波长值；K_ε1和K_ε2分别为应变测试光纤光栅和温度补偿光纤光栅的应变系数；K_T1和K_T2分别为应变测试光纤光栅和温度补偿光纤光栅的温度系数；ε为传感器的应变值，ΔT为传感器的温度变化值，B＝K_T1K_ε2-K_T2K_ε1

通过标定可以得到系数K_ε1、K_T1、K_ε2和K_T2，因此，可以根据两个传感器的波长值反推出传感器的应变和温度。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种灵敏度可调的光纤光栅应变传感器，其特征在于：包括应变测试光纤光栅(1)、温度补偿光纤光栅(2)、细弹性基体(3)、粗弹性基体(4)、安装底座(5)、尾纤(6)、盖板(7)、盖板固定螺丝(9)、底座安装孔(10)和螺帽(11)，所述的应变测试光纤光栅(1)通过胶粘或低温玻璃焊料粘接于细弹性基体(3)；温度补偿光纤光栅(2)通过胶粘或低温玻璃焊料粘接于粗弹性基体(4)；安装底座(5)采用胶粘、螺丝固定或焊接方式固定于待测结构表面，其固定位置为底座安装孔(10)，通过螺帽(11)将盖板(7)和细弹性基体(3)或粗弹性基体(4)固定于安装底座(5)；安装底座(5)有两道平行的滑槽(8)，滑槽(8)底部宽度大于上部宽度，使得盖板固定螺丝(9)能够在滑槽(8)内自由移动，通过改变盖板(7)的位置调整弹性基体的固定间距。

2.根据权利要求1所述的灵敏度可调的光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述滑槽(8)标有刻度，能够读取盖板(7)固定位置的坐标。