CN208206048U - 一种基于法布里-珀罗原理的应变测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于法布里‑珀罗原理的应变测量装置，该装置包括：外壳，其内部形成有容纳腔，且能够在受到外部应变时沿着外壳轴向进行伸缩；弹性薄片，其沿着所述外壳的轴向设置在所述容纳腔内，至少一面为反光面，并且能够在所述外壳伸缩时发生弹性形变；夹具，其嵌入于所述外壳上且能够分别夹持住所述弹性薄片的两端；光纤，其以所述弹性薄片的反光面的中间位置为基准点伸入到所述容纳腔内；以及应变测量部，其能够检测出待测物在受到外部应变时对应的应变量。本实用新型具有长度短且精度高的优点。

Description

一种基于法布里-珀罗原理的应变测量装置

技术领域

本实用新型涉及紧密测量设备领域，具体涉及一种基于法布里-珀罗原理的应变测量装置。

背景技术

EFPI传感器多用于测量压强、应变或者温度等参数，但是都是基于最简单的结构形式和机理。如以应变为例，都是利用一定监测长度L的应变计，当应变是ε时，应变计两个限位片之间的间距变化量是ΔL＝εL，内部EFPI干涉腔长的变化量Δd＝ΔL＝εL，因此Δd除以监测长度L，得到的就是应变ε；如果有温度变化，可以通过串联布拉格光栅(FBG)进行温度补偿，测出应变和温度。但是上述技术尚存在精度和传感器的长度成正比，如果传感器太短，则应变乘以监测长度后干涉腔长的改变量太小，分辨率低的缺点。

因此可见，测量装置的长度与精度问题限制了测量装置的使用范围。

发明内容

鉴于已有技术存在测量装置长度与精度不能同时兼顾的缺陷，本实用新型的目的是要提供一种新型的基于法布里-珀罗原理的应变测量装置，该装置具有长度短且精度高的优点。

为了实现上述目的，本实用新型的方案是：

一种基于法布里-珀罗原理的应变测量装置，其特征在于，包括：

外壳，其内部形成有容纳腔，且能够在受到外部应变时沿着外壳轴向进行伸缩；

弹性薄片，其沿着所述外壳的轴向设置在所述容纳腔内，至少一面为反光面，并且能够在所述外壳伸缩时发生弹性形变；

夹具，其嵌入于所述外壳上且能够分别夹持住所述弹性薄片的两端；

光纤，其以所述弹性薄片的反光面的中间位置为基准点伸入到所述容纳腔内；

以及应变测量部，其能够检测出待测物在受到外部应变时对应的应变量。

优选地，所述应变测量部至少包括：EFPI光纤传感器以及布拉格光栅FBG光纤温度传感器，两者均设置在所述光纤位于所述容纳腔内的部分的端部。

优选地，所述外壳包括：第一外壳以及第二外壳，所述第二外壳插接并伸入到所述第一外壳内且相互构成有所述容纳腔。

优选地，所述第一外壳与所述第二外壳之间的插接部分通过密封件密封。

优选地，第一外壳以及第二外壳的外表面沿径向还分别成型有用以固定或嵌入到待测物体的限位装置；所述应变测量装置若为埋入式应变计，则限位装置为用以固定或嵌入到待测物体的限位圆片；所述应变测量装置若为非埋入式应变计，则限位装置为用以固定到待测物体的限位卡具。

优选地，所述夹具与所述弹性薄片的两端为铰接或者刚性连接。

优选地，所述光纤套设在光纤保护壳内。

本实用新型的基于法布里-珀罗与压杆原理的应变测量装置的基本原理是利用薄片在失稳以后的工况下，压缩量与中间位置挠度之间的关系来放大应变，从而达到高精度的监测；同时通过利用压杆原理，将很小的轴线位移变成很大的法向位移，通常情况下，放大倍数可以达到6倍以上，因而可以极大地缩短整个测量装置的总长度并且确保测量精度。

相对于现有技术，本实用新型具有以下优点：

本实用新型所述的测量装置的工作温度可以在-40-80℃之间，可测量结构在静力和动力作用下的应变和环境温度；且本实用新型不会受任何电磁信号的干扰，在温差很大时，亦可以通过FBG读取的温度进行温度补偿。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型所述的应变测量装置的原理示意图；

图2是本实用新型所述的应变测量装置以混凝土应变传感器为载体形式对应的结构示意图；

图3是图1工况中，中点法向最大挠度y_max与轴向压杆位移x之间的关系曲线图；

图4是图1工况中，中点法向最大挠度y_max对x的导数与轴向位移x之间的关系曲线图；

图5是两端为铰接时，本实用新型所述的应变测量装置的应变测量装置的示意图；

图中：1-光纤，2-限位装置，21、22-限位圆片，3-弹性薄片，4-铰接点，11-光纤保护壳，12-夹具，13-伸缩缝，14-密封件，15-第一外壳，16-第二外壳。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。同时本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实用新型提供了一种基于法布里-珀罗与压杆原理的应变测量装置，如图1、图2所示，以混凝土应变计为例(同样适用于其他应变计，原理完全相同，只是封装外壳和外部固定方式不同)：

具体的，本例对应的应变测量装置，其包括外壳，弹性薄3，夹具12，光纤1、应变测量部,其包括即非本征法布里-珀罗干涉(EFPI)光纤传感器和布拉格光栅(FBG)光纤温度传感器，EFPI光纤传感器以及FBG光纤温度传感器均设置在所述光纤1位于所述容纳腔内的部分的端部。

其中，外壳的内部形成有容纳腔，且能够在受到外部应变时沿着外壳轴向进行伸缩；在一种可选的实施方式中，所述外壳内部形成有密封的形状为长方体形的容纳腔，并在受到外部应变时能够在轴向(图2中左右方向)上伸缩；在一种可选的实施方式中，所述外壳包括：第一外壳15以及第二外壳16，所述第二外壳16插接并伸入到所述第一外壳15内且相互构成有所述容纳腔。在一种可选的实施方式中，所述第一外壳15与第二外壳16的在插接时还留有伸缩缝13，外壳被压缩时，伸缩缝13的宽度变窄，外壳被拉伸时，伸缩缝13的宽度变宽；在一种可选的实施方式中，所述第一外壳15与所述第二外壳16之间的插接部分通过密封件14密封，以保证外壳的密封性；在一种可选的实施方式中，所述第一外壳15以及第二外壳16的外表面沿径向还形成有限位装置2，即有限位圆片21、22，当然限位圆片21、22也可以是其他的固定装置，根据需要固定的物体特性而定，目的是用来确定监测应变区域的长度；若应用载体为一般混凝土应变计则其为是圆片形，若为钢筋应变计则其为夹具型。弹性薄片3沿着所述外壳的轴向设置在所述容纳腔内。

在一种可选的实施方式中，弹性薄片13可以是金属材料，也可以是非金属材料，但是对着光纤1的端部的一面为反光面，并且能够在所述外壳伸缩时发生弹性形变即所述弹性薄片3受所述外壳轴向的挤压力而发生失稳，进而使得中点处的挠度发生变化；设置反光面是为了起到法布里-珀罗光纤传感器中反射镜的作用，在一种可选的实施方式中，反光面可以是抛光处理的表面或者涂覆反光涂层；

夹具12嵌入于所述外壳上且能够分别夹持住所述弹性薄片3的两端；在一种可选的实施方式中，所述夹具12分别位于所述第一外壳15与第二外壳16中，在一种可选的实施方式中，所述夹具12与所述弹性薄片3之间为刚性连接，也即弹性薄片3的两端伸入到夹具12内并受夹具12夹紧固定，也就是两端固定连接，如图1和图2所示；当然也可以为铰接，如图5所示的铰接点4。

光纤1以所述弹性薄片3的反光面的中间位置为基准点伸入到所述容纳腔内；在一种可选的实施方式中，所述光纤1套设在光纤保护壳11内起到保护光纤1的作用；在一种可选的实施方式中，所述光纤保护壳11与限位圆片设为一体结构，形成一个带圆环的圆柱体；另外还可以设置密封圈使光纤保护壳11与外壳之间的间隙密封，防止水和杂质进入密封腔内。

基于所述应变测量装置的应变测量方法，包括以下步骤:

对弹性薄片3沿所述弹性薄片的板面方向施加待检测的应变；

通过EFPI光纤传感器测量弹性薄片中间位置的挠度，可以通过串联FBG光纤温度传感器测量温度，实现温度补偿；

根据测量得到的温度和挠度得到待检测的应变量。

如图1所示，本实施例的基于法布里-珀罗与压杆原理的应变测量装置的基本原理是利用薄片在失稳以后的工况下，压缩量与中间位置(优选为中点位置)挠度之间的关系来放大应变，从而达到高精度的监测；具体的通过夹具12夹住弹性薄片13后，对弹性薄片13的中点有一个背离光纤反向的扰动，这样，在挤压弹性薄片13的过程中，干涉腔长会越来越大。当然，干涉腔长越来越小也可以，但是要适当的调节好初始腔长。这里以弹性薄片13失稳方向背离光纤为例，也就是弹性薄片13的中点向下运动。

应变发生改变时，其嵌入混凝土的两个限位圆片21、22之间的距离发生变化，从而带动左右两个夹具12的间距发生变化，也就是弹性薄片13会被拉伸或者压缩，这样，弹性薄片13中点的挠度会变化，也就是干涉腔长发生了变化，通过测出干涉腔长的变化程度，来反映外部的应变。

应变测量部检测出待测物在受到外部应变时对应的应变量的检测放大原理为：如图3和图4所示，轴向为x，重点的挠度方向(也就是光纤所在的方向)为y，弹性薄片3的长度为l，宽度为w，厚度为t，弹性模量为E，则抗弯刚度为EI＝Ewt³/12。因为t很小，所以弹性薄片3的抗弯刚度也很小。因此失稳的荷载为P_cr也很小，其中μ与边界条件有关，两端铰接，μ＝1，两端刚接，μ＝0.5。

通过失稳以后的压杆的方法来进行测量，是本实用新型的核心设计思想之一，也就是弹性薄片3失稳以后，压杆位移x和中点最大挠度y之间的关系即应变方向移动了x，随之腔长改变量y相比于x放大一些倍数，也就是增大了灵敏度。同时因为固定两端不同的约束方式，其相应的放大的倍数也是不同的，比如铰接、刚接，都是不同的放大倍数的。通过理论分析，在图1的工况下，可以得到中点法向最大挠度y_max与失稳后的轴向压杆位移x之间的关系曲线图如图3所示；中点法向最大挠度y_max对x的导数与轴向位移x之间的关系曲线图如图4所示。从图3中可以看出，按照轴向压缩量从0.3mm到0.4mm的过程中，法向的中点挠度变化量，也就是干涉腔长的变化量达到了0.76mm，也就是对轴向位移或应变的放大倍数达到了7.6倍。通过压杆原理，可以使很小的轴线位移变成很大的法向位移，通常情况下，放大倍数可以达到6倍以上，因而可以极大地缩短整个测量装置的总长度并且确保测量精度。同时通过结构设计，上述实施例的测量装置的工作温度可以在较大温度范围之间，可测量结构在静力和动力作用下的应变和环境温度。不会受任何电磁信号的干扰，可以通过串联布拉格光栅(FBG)实现温度补偿。

综上所述，上述实施例提出一种全新的高精度高灵敏度的应变计的新型结构，能够高精度的测出-40-80℃下结构或者材料的应变和温度。其光学上使用的是EFPI最简单的形式，即一根光纤垂直于一个起到反射镜作用的反光面，可以是全反射，也可以是非全反射，方便制作，重点在于传感器的结构形式和密封装置。同时可以放大应变的影响，在保证分辨率和精度不变的情况下，可以使传感器更短。常见的EFPI应变传感器一般都是8cm以上，使用本实用新型放大应变的结构，可以在使传感器的长度在2cm左右，而且精度比10cm的普通EFPI应变传感器的精度还高；具体实现形式可以在EFPI的光纤的端部附近串联一个布拉格光栅(FBG)，这样在一个光谱上同时读出温度和应变，方便易行，具有时效性，而且两者不存在耦合关系，是独立的参数。另可以通过机械设计，对上述传感器进行组合，使得该传感器可以测量平面上的三个应变σ_x、σ_y和τ_xy，或者测量空间的六个主应变σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz和τ_zx，而且温度补偿也容易标定。根据本实用新型放大应变方法设计制作的传感器，具有精度高、抗干扰能力强和耐久性强等优点，具有广泛的应用前景，特别适用于高精度测量结构或材料静力和动力作用下的温度和应变。通过特殊的保护装置(即上述外壳将传感器结果分成两节且中间具有伸缩缝)，即便传感器部分的混凝土等材料发生开裂，传感器仍然不会损坏，还是可以读出平均应变。FBG温度自补偿的应变计是通过断面的设计进行温度补偿，一般来说，1℃的温度变化对光谱的影响量约等于8个微应变产生的变化；但是通过这种基于压杆失稳的结构，如果需要极高的精度，进行温度补偿时，1℃的温度变化对光谱的影响量相等于不到1个微应变产生的变化，使得温度对应变产生的影响大大减小。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于法布里-珀罗原理的应变测量装置，其特征在于，包括：

外壳，其内部形成有容纳腔，且能够在受到外部应变时沿着外壳轴向进行伸缩；

弹性薄片，其沿着所述外壳的轴向设置在所述容纳腔内，至少一面为反光面，并且能够在所述外壳伸缩时发生弹性形变；

夹具，其嵌入于所述外壳上且能够分别夹持住所述弹性薄片的两端；

光纤，其以所述弹性薄片的反光面的中间位置为基准点伸入到所述容纳腔内；

以及应变测量部，其能够检测出待测物在受到外部应变时对应的应变量。

2.根据权利要求1所述的应变测量装置，其特征在于，所述应变测量部至少包括：EFPI光纤传感器以及FBG光纤温度传感器，两者均设置在所述光纤位于所述容纳腔内的部分的端部。

3.根据权利要求1所述的应变测量装置，其特征在于，所述外壳包括：第一外壳以及第二外壳，所述第二外壳插接并伸入到所述第一外壳内且相互构成有所述容纳腔。

4.根据权利要求3所述的应变测量装置，其特征在于，所述第一外壳与所述第二外壳之间的插接部分通过密封件密封。

5.根据权利要求1所述的应变测量装置，其特征在于，所述

第一外壳以及第二外壳的外表面沿径向还分别成型有用以固定或嵌入到待测物体的限位装置。

6.根据权利要求5所述的应变测量装置，其特征在于，

所述应变测量装置若为埋入式应变计，则限位装置为用以固定或嵌入到待测物体的限位圆片。

7.根据权利要求5所述的应变测量装置，其特征在于，

所述应变测量装置若为非埋入式应变计，则限位装置为用以固定到待测物体的限位卡具。

8.根据权利要求1所述的应变测量装置，其特征在于，

所述夹具与所述弹性薄片的两端为铰接或者刚性连接。