CN206192288U - 一种光纤光栅应变器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种光纤光栅应变传感器，包括：基片；两个补偿臂，对称设置在所述基片的两侧，所述补偿臂的上端接近所述基片中心的一侧设置光纤固定点，所述补偿臂的下端远离所述光纤固定点的一侧与所述基片固定；以及光纤光栅，通过光纤固定点设置在两个所述补偿臂上。本实用新型通过设置补偿臂的膨胀方向与基片的膨胀方向相反，使基片和补偿臂的膨胀量和膨胀方向的不同，补偿了光纤光栅的膨胀量，排除了温度交叉干扰。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤技术领域，更具体地，涉及消除温度影响的光纤光栅应变器。
背景技术
光纤布拉格光栅是一种非常有实用价值的光学传感器，具有体积小、抗电磁干扰等优点。由于光纤光栅具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，已经在桥梁、隧道、建筑等大型复杂结构变形监测和石化、供电设施温度监测等方面得到越来越广泛的应用。
目前，光纤布拉格光栅在实际传感测量中，存在应变和温度交叉敏感问题，应变和温度的变化均会使其布拉格波长发生变化。这就导致了光纤光栅应变传感器在测量应变时，会引入温度干扰。当前大量研究工作是利用双光栅或者其他结构，同时测量温度和应变，再对应变量进行温度补偿。这些方法大多使用多个光栅或者系统结构复杂。因此，制作结构简单、排除温度干扰的光纤光栅应变传感器是目前应变传感领域的一个热点问题。
实用新型内容
本实用新型提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的光纤光栅应变器。
根据本实用新型的一个方面，提供一种光纤光栅应变传感器，包括：
基片；
两个补偿臂，对称设置在所述基片的两侧，所述补偿臂的上端接 近所述基片中心的一侧设置光纤固定点，所述补偿臂的下端远离所述光纤固定点的一侧与所述基片固定；以及
光纤光栅，通过光纤固定点设置在两个所述补偿臂上；
所述补偿臂和基片的关系为：
a1L1+afLf-2a2L2＝0
其中，a1为基片的线膨胀系数、a2为补偿臂的线膨胀系数、af为光纤光栅的线膨胀系数、L1为基片的有效长度、L2为补偿臂的有效长度、Lf为两个光纤固定点的距离。
本申请通过设置补偿臂的膨胀方向与基片的膨胀方向相反，使本光纤光栅应变器在环境温度变化时，通过基片和补偿臂的膨胀量和膨胀方向的不同，补偿了光纤光栅的膨胀量，实现了温度自补偿，排除了温度交叉干扰。
附图说明
图1为现有技术中光纤光栅应变传感器的结构示意图；
图2为根据本实用新型实施例的光纤光栅应变传感器的俯视图；
图3为根据本实用新型实施例的光纤光栅应变传感器的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
图1示出了现有技术中光纤光栅应变传感器的结构示意图。如图所示，该装置仅包括基片101，基片101沿应变方向设置放置光纤光栅103的V形槽102。由于光纤光栅103是直接和基片接触，在实际传感测量中，存在应变和温度交叉敏感问题，应变和温度的变化均会使其布拉格波长发生变化，导致光纤光栅应变传感器在测量应变时引入温 度干扰。
图2示出了本实用新型公开的一个光纤光栅应变传感器的俯视图，如图所示，该装置包括基片201、两个补偿臂202以及光纤光栅203，补偿臂202对称设置在基片201的两侧，补偿臂202的上端沿应变传感方向设置V形槽204且在接近所述基片中心的一侧设置光纤固定点，所述补偿臂的下端远离所述光纤固定点205的一侧与所述基片固定，光纤光栅，通过光纤固定点设置在两个V形槽204中。本装置在收到温度感应时，由于基片会向两边延伸，而两个补偿臂朝基片相向延伸，因此达到了自适应补偿温度的作用。
通过设置补偿臂的膨胀方向与基片的膨胀方向相反，使本光纤光栅应变器在环境温度变化时，通过基片和补偿臂的膨胀量和膨胀方向的不同，补偿了光纤光栅的膨胀量，实现了温度自补偿，排除了温度交叉干扰。
在一个实施例中，两个补偿臂202可以在基片201长度的1/3、2/3处，也可以设置在基片201长度的1/4、3/4处。
图3示出了本实用新型的侧视图。如图可知，所述补偿臂包括基础块2021和延伸块2022，基础块2021与所述基片固定连接；延伸块2022一体成型地设置在所述基础块上端，所述延伸块的上表面沿应变传感方向设置V形槽。
在一个实施例中，基础块的横截面为正方形，且该正方形的一条中线与应变传感方向一致；所述补偿臂的横截面为长方形，该长方形的宽与基础块的横截面的边长一致。
在一个实施例中，限定两个所述补偿臂的远离基片中心的一端的距离为所述基片的有效长度L1，所述延伸块沿应变传感方向的长度与所述基础块沿应变传感方向的长度之差为所述补偿臂的有效长度L2，两个光纤固定点之间的距离为Lf，a1为基片的线膨胀系数，a2为补偿臂的线膨胀系数，af为光纤光栅的线膨胀系数，则基片与补偿臂需满足以 下公式，则可实现温度自补偿的应变测量：
a1L1+afLf-2a2L2＝0。
本申请人公开了上述公式的推导过程：
首先光纤光栅的中心波长λB符合布拉格公式：
λB＝2neffΛ
其中，neff为光纤光栅等效折射率，Λ为光栅周期。
进一步的，当光纤光栅应变传感器仅受温度影响时，光纤光栅本身受温度影响，中心波长发生漂移，漂移量为：
其中，ΔT为温度变化量，βT为温度响应系数。
进一步的，基片向外膨胀了ΔL1，补偿臂向内膨胀了ΔL2，因此，基片和补偿臂总膨胀量ΔL0计算公式为：
ΔL0＝ΔL1-ΔL2＝a1ΔTL1-2a2ΔTL2
进一步的，基片和补偿臂总膨胀量ΔL0，使额外的应变量 作用于光纤光栅上，此时光纤光栅受到温度引起基片和补偿臂膨胀带来的额外应变引起的中心波长变化量为：
其中，βε为应变响应系数；此时由温度引起的光纤光栅中心波长变化总量为：
进一步的，欲使光纤光栅应变传感器与温度无关，需满足公式ΔλB＝0，则：
a1L1+afLf-2a2L2＝0
其中，定义为光纤光栅的线膨胀系数。因此实现了消除温度对应变测量的交叉干扰。
在一个实施例中，所述基片和补偿臂均为金属材料。这样设计的目的在于，金属可以很好的传递应变，并且，由于本实用新型的应变传感器应用的场合大多是焊接在金属的悬臂梁上或其他金属结构上，采用金属制成的应变传感器能够更好地进行焊接。
在一个实施例中，所述补偿臂的线膨胀系数大于所述基片的线膨胀系数，由于补偿臂产生的膨胀是向内膨胀，而基片是向外膨胀，当温度升高时，基片和基础块都在向外膨胀，此时延伸块向内膨的量胀必须大于基片向内膨胀的量，才能补偿光纤的膨胀量。
在一个实施例中，所述基片中部对称设置两个矩形通孔，这样设置的好处在于，一方面能够增大基片膨胀的敏感度，另一方面采用矩形设计能够保证基片膨胀均匀，更利于消除温度对应变测量的干扰。
在一个实施例中，所述补偿臂的材料为不锈钢。
在一个实施例中，所述基片的材料为殷钢。
由于不锈钢的线膨胀系数远大于殷钢的线膨胀系数，基片的膨胀系数越低，基片和光纤的总膨胀量就越低，补偿臂的设计膨胀量也就越小，本应变传感器的总体积也就越小。
在一个实施例中，采用紫外氩离子激光及相位掩模板法在光纤纤芯上刻写光纤布拉格光栅，光纤光栅的中心波长为1550nm，光纤涂覆层剥除长度为13.0mm，光纤光栅的线膨胀系数为af＝12.0×10-6/℃。
选用殷钢作为基片的材料，殷钢的线膨胀系数a1＝1.8×10-6/℃，补偿臂选取不锈钢，不锈钢的线膨胀系数a2＝16×10-6/℃，因此由上述公式可得，L1为20.7mm，L2为3.85mm。当光纤光栅应变传感器仅受温度作用下，该结构设计尺寸满足a1L1+afLf-2a2L2＝0，能够达到温度抵消补偿效果，实现温度自补偿的应变测量。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，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和原则之内，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 (8)
1.一种光纤光栅应变传感器，其特征在于，包括：
基片；
两个补偿臂，对称设置在所述基片的两侧，所述补偿臂的上端接近所述基片中心的一侧设置光纤固定点，所述补偿臂的下端远离所述光纤固定点的一侧与所述基片固定；以及
光纤光栅，通过光纤固定点设置在两个所述补偿臂上；
所述补偿臂和基片的关系为：
a1L1+afLf-2a2L2＝0
其中，a1为基片的线膨胀系数、a2为补偿臂的线膨胀系数、af为光纤光栅的线膨胀系数、L1为基片的有效长度、L2为补偿臂的有效长度、Lf为两个光纤固定点的距离。
2.如权利要求1所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述补偿臂包括：
基础块，与所述基片固定连接；以及
延伸块，一体成型地设置在所述基础块上端，所述延伸块的上表面沿应变传感方向设置V形槽，所述光纤固定点设置在所述V形槽中；
其中，所述延伸块沿应变传感方向的长度与所述基础块沿应变传感方向的长度之差为所述补偿臂的有效长度。
3.如权利要求2所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，两个所述基础块的距离为所述基片的有效长度。
4.如权利要求1-3任意一项所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述基片和补偿臂均为金属材料。
5.如权利要求4所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述补偿臂的线膨胀系数大于所述基片的线膨胀系数。
6.如权利要求5所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述基片中部对称设置两个矩形通孔。
7.如权利要求6所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述补偿臂的材料为不锈钢。
8.如权利要求7所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述基片的材料为殷钢。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN106524937A (zh) * | 2016-11-17 | 2017-03-22 | 北京邮电大学 | 一种光纤光栅应变器 |
| CN108844655A (zh) * | 2018-04-20 | 2018-11-20 | 武汉中航传感技术有限责任公司 | 一种光纤光栅温湿度传感器 |
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| CN106524937B (zh) * | 2016-11-17 | 2019-09-20 | 北京邮电大学 | 一种光纤光栅应变器 |
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