CN208313235U - 一种带温度自动补偿的光纤应变传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带温度自动补偿的光纤应变传感器，该传感器包括光纤光栅、长条形滑块和盖板，光纤光栅上加工有应变测量光栅和温度补偿光栅，滑块的底部设有固定座，滑块上设有条状直凹槽，条状直凹槽中设有表面粗糙的锚固槽，2个滑块为一对，盖板覆盖在滑块上，2个滑块分别位于盖板的两端，盖板和滑块上分别设有用于固定连接盖板和滑块的条状固定通孔和螺孔，光纤光栅铺设于条状直凹槽内，应变测量光栅位于滑块之间，温度补偿光栅位于任一长条形滑块的光锚固槽的中间。本实用新型可以实现应变传感器的温度自补偿功能，且应变灵敏度及温度灵敏度都得到了不同程度的提高，测量精度高，工程实用性好。

Description

一种带温度自动补偿的光纤应变传感器

技术领域

本实用新型涉及建筑、桥梁、隧道及道路等土木工程检(监)测技术领域，具体说是一种带温度自动补偿的光纤应变传感器。

背景技术

检(监)测技术作为桥梁工程领域的重要组成部分,历来是国内外学者关注的热点。近年来，随着传感、计算机、信息处理等技术发展，工程结构的检(监) 测技术也得到了长足的发展。从上世纪90年代以来，结构健康监测技术作为提高大型土木结构安全性能、使用性能以及防灾减灾能力的一种重要技术，已引起了世界范围的广泛关注。该技术在欧美一些发达国家研究较广，且在实际工程中得到广泛应用。目前，我国的结构健康监测技术尚处于研究和试用阶段。其中，传感技术是结构健康监测系统的硬件核心，目前用于土木工程结构健康监测的传感器大多是电阻应变片、正弦式传感器等，此类技术测量长期稳定性低、耐久性差、受干扰影响大，适合机械等小型均质结构的检测，不能满足大型土木工程结构的健康监测需求。

中国专利文献CN106482659A公开了一种高精度长标距应变传感器，该光纤传感具有稳定性好、测量精度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、体积小、对环境使用性强等优点，在土木工程、航空航天、石油化工、电力、医疗、船舶工业等领域取得广泛应用。而在实际工程应用中，由于光栅对应变和温度都比较敏感，这就给实际测量带来了温度和应变交叉敏感问题，因此消除温度的影响是应变精确测量的基础。目前常用的温度补偿方法大多采用在结构上多安装1个温度传感器作为参照，基于温度传感器的测量值对应变传感器进行温度补偿，而由于实际桥梁结构通常规模很大，不同位置存在温度场的分布，这样的温度补偿精度低，误差大，不利于推广应用。虽然有些光纤光栅传感器在只有一个光纤光栅的情况下实现温度自补偿，但是传感器本身结构复杂，测量精度差，补偿效果有待商榷。本申请正是在中国专利文献CN106482659A的产品上的进一步的改进。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种带温度自动补偿的光纤应变传感器。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种带温度自动补偿的光纤应变传感器，该传感器包括光纤光栅、长条形滑块和盖板，其特征在于，所述光纤光栅上加工有应变测量光栅和温度补偿光栅，所述滑块的底部设有固定座，所述滑块上设有条状直凹槽，所述条状直凹槽中设有表面粗糙的锚固槽，2个所述滑块为一对，所述盖板覆盖在所述滑块上，2个所述滑块分别位于所述盖板的两端，所述盖板和滑块上分别设有用于固定连接所述盖板和滑块的条状固定通孔和螺孔，所述光纤光栅铺设于条状直凹槽内，所述应变测量光栅位于所述滑块之间，所述温度补偿光栅位于任一所述长条形滑块的光锚固槽的中间。

本实用新型进一步的设计方案中，上述应变测量光栅和温度补偿光栅的中心波长不相同。

本实用新型进一步的设计方案中，固定于所述锚固槽中的光纤为剥除了保护层或涂覆层的光纤。

本实用新型进一步的设计方案中，上述盖板的两侧还设有覆盖所述滑块侧边的侧挡板，所述侧挡板和所述滑块侧边分别设有相配合的导轨和滑槽，使所述滑块可以在所述盖板上滑动。

本实用新型进一步的设计方案中，该传感器还包括保护底板，所述保护底板安装固定在所述滑块之间的所述盖板的底面。

本实用新型进一步的设计方案中，位于所述锚固槽外的所述光纤光栅套设有保护软管。保护软管可为塑料管、四氟管、毛细钢管等，其作用是对光纤或光栅进行保护，保护软管可有效隔绝光、水、气等对光栅的影响。

本实用新型进一步的设计方案中，还包括安装底座，所述安装底座有2个，可通过螺栓分别与2个所述滑块的固定座底部固定连接。

上述长条形滑块、盖板、保护底板和安装底座为金属件、合金件、塑料件或其他材质件。考虑到耐用性以及轻便性，上述长条形滑块、盖板、保护底板和安装底座为合金航空铝材料制成，以合金航空铝最佳。

本实用新型具有以下突出的有益效果：

与普通光纤光栅应变传感器及温度补偿方法相比，本实用新型能够实现温度自补偿，且应变与温度灵敏系数较高。本实用新型的稳定性、耐久性以及传感器本身的牢固程度高，安装与拆卸方便，可以对传感器进行重复利用，可用于工程结构的检测和长期监测，适合在工程上推广应用。

附图说明

图1为本实用新型实施例中光纤光栅安装示意图；

图2为本实用新型实施例中带温度自动补偿的光纤应变传感器的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中长条形滑块主视图；

图4为本实用新型实施例中长条形滑块左视图；

图5为本实用新型实施例中盖板主视图；

图6为本实用新型实施例中盖板左视图；

图7为本实用新型的传感器与裸光栅的温度系数对照试验结果图。

图中，1-光纤光栅，2-长条形滑块，3-盖板，4-应变测量光栅，5-固定座， 6-锚固槽，7-条状固定通孔，8-螺孔，9-侧挡板，10-导轨，11-滑槽，12-安装底座，13-条状直凹槽，14-温度补偿光栅。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明:

参见图1～图6，本实用新型中的带温度自动补偿的光纤应变传感器，该传感器包括光纤光栅1、长条形滑块2和盖板3、保护底板、安装底座12，长条形滑块2、盖板3、保护底板和安装底座12为合金航空铝材料制成。所述光纤光栅 1上加工有应变测量光栅4和温度补偿光栅14，应变测量光栅4和温度补偿光栅 14的中心波长不相同。所述滑块2的底部设有固定座5，所述滑块2上设有条状直凹槽13，所述条状直凹槽13中设有表面粗糙的锚固槽6，2个所述滑块2为一对，所述盖板3覆盖在所述滑块2上，2个所述滑块2分别位于所述盖板3的两端，所述盖板3和滑块2上分别设有用于固定连接所述盖板3和滑块2的条状固定通孔7和螺孔8，所述光纤光栅1铺设于条状直凹槽13内，所述应变测量光栅4位于所述滑块2之间，所述温度补偿光栅14位于任一所述长条形滑块2 的光锚固槽6的中间。所述锚固槽6中的光纤为剥除了保护层或涂覆层的光纤。所述盖板3的两侧还设有覆盖所述滑块2侧边的侧挡板9，所述侧挡板9和所述滑块2侧边分别设有相配合的导轨10和滑槽11，使所述滑块2可以在所述盖板 3上滑动。所述保护底板安装固定在所述滑块2之间的所述盖板3的底面。位于所述锚固槽6外的所述光纤光栅1套设有保护软管。所述安装底座12有2个，可通过螺栓分别与2个所述滑块2的固定座5底部固定连接。

带温度自动补偿的光纤应变传感器的制作步骤为：

步骤1、将两个滑块2保持同一水平面对称置于制作台上，调整好标距，然后在垂直方向对其固定。

步骤2、将光纤光栅1处于锚固槽6的位置进行一段涂覆层的剥除，然后以应变测量光栅4为中心标记好锚固距离，选取一定长度细的塑料软管作保护软管，将保护软管套在光纤上，使光纤光栅1的应变测量光栅4段位于保护软管的中间位置，然后将保护软管两端放置于两个滑块2端部的条状直凹槽13内，应变测量光栅4段放在两个滑块2中间，温度补偿光栅14位于任一滑块2的中间，剥除了涂覆层的光纤置于锚固槽6内，并对光纤施加一定预张拉，然后开始向锚固槽6内进行涂胶，将光纤固定于锚固槽6内。

步骤3、待步骤2中的胶固化后，分别在两个滑块2外端的光纤套设光缆保护管，光缆保护管放在滑块2外端的凹槽中，然后用胶将光缆保护管固定于凹槽内。

步骤4、待步骤3中胶固化后，把盖板3的导轨10与滑块2侧边的凹槽对应，将盖板3滑进滑块2，然后用螺栓将滑块2及盖板3固定。

步骤5、将底板用螺栓或胶固定于滑块2之间的盖板3的底部，以保护光纤光栅1。

在进行测量时，把传感器两个滑块2的固定座5与安装底座12用螺栓固定，将安装底座12固定在需要测量的结构上，然后将连接盖板3与任一一个滑块2 的螺栓松开，使滑块2可以在导轨10内自由滑动。这样盖板3不会对应变传感器的测量产生阻碍或影响。

测量结束后，松掉固定座5与安装底座12的螺栓即可取下应变传感器，方便的拆卸方式可提高传感器的重复利用性。若是长期监测，则不用拆除传感器。

本实用新型的传感器可以实现温补自补偿功能，且温度与应变系数较高，应变灵敏性还可通过改变滑块2中光纤锚固长度实现。参见附图1，本实用新型的传感器的温度自补偿方法及理论计算如下：

设传感器的标距为L，滑块2中光纤锚固长度为L₁，滑块2的弹性模量为E₁，横截面积为A₁；光纤悬空段长度L₂，光纤弹性模量为E₂，横截面积为A₂，光纤保护软管弹性模量为E₃，横截面积为A₃。对于本实用新型的带温度自补偿的高精度传感器，假定标距区域感应到的应变为ε

相同均匀材料ε处处相同，则中间光纤光栅1L₂区段的应变为：

本实用新型的高精度光纤传感器：

因为ε相同，所以ΔL′＝ΔL

根据材料力学：ΔL′＝2ΔL′₁+ΔL′₂或者ΔL′＝2ΔL′₁+ΔL′₃

为滑块2伸长量，为光纤L₂区段伸长量，为细管伸长量。

因为ΔL′₂＝ΔL′₃，则或者本实用新型细管选取弹模较低的塑料管，则E₁A₁>>E₂A₂(E₃A₃)，即ΔL′₁<<ΔL′₂，近似认为ΔL′＝ΔL′₂。因此，在传感器受力的情况下，可近似认为应变全部集中在L₂段，而由于应变测量光栅4锚固在滑块2中间，则基本不受应变作用，其波长变化值完全受温度影响。

则实际应用中，可通过公式来实现温度自补偿功能。

式中，ε为测点应变值，λ测为应变测量光栅4测量的波长值(nm)，λ0为应变测量光栅4在T0温度下的波长值(nm)，λT测为光栅5测量的波长值(nm)，λT0为光栅5在T0温度下的波长值(nm)，KεT为应变测量光栅4的温度系数， KT为光栅5的温度系数，Kε为应变测量光栅4的应变系数。

为了验证本实用新型温度补偿方法的科学性以及实用性，在实验室对温度补偿光栅14的温度系数进行标定工作，实验选取1个裸光栅及3个本实用新型的传感器进行对比，结果如图7所示。实验结果表明，图上看出，普通传感器每升高5℃，波长升高50个pm，裸光栅的温度系数为0.1℃/pm，本实用新型传感器的温度补偿光栅14的温度灵敏度系数为0.35℃/pm左右，远大于裸光栅，且线性度良好，因此在实际应用中具有更高的精度，以及更小的测量误差。

以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种带温度自动补偿的光纤应变传感器，该传感器包括光纤光栅（1）、长条形滑块（2）和盖板（3），其特征在于，所述光纤光栅（1）上加工有应变测量光栅（4）和温度补偿光栅（14），所述滑块（2）的底部设有固定座（5），所述滑块（2）上设有条状直凹槽（13），所述条状直凹槽（13）中设有表面粗糙的锚固槽（6），2个所述滑块（2）为一对，所述盖板（3）覆盖在所述滑块（2）上，2个所述滑块（2）分别位于所述盖板（3）的两端，所述盖板（3）和滑块（2）上分别设有用于固定连接所述盖板（3）和滑块（2）的条状固定通孔（7）和螺孔（8），所述光纤光栅（1）铺设于条状直凹槽（13）内，所述应变测量光栅（4）位于所述滑块（2）之间，所述温度补偿光栅（14）位于任一所述长条形滑块（2）的光锚固槽（6）的中间。

2.根据权利要求1所述的带温度自动补偿的光纤应变传感器，其特征在于，所述应变测量光栅（4）和温度补偿光栅（14）的中心波长不相同。

3.根据权利要求1所述的带温度自动补偿的光纤应变传感器，其特征在于，固定于所述锚固槽（6）中的光纤为剥除了保护层或涂覆层的光纤。

4.根据权利要求1所述的带温度自动补偿的光纤应变传感器，其特征在于，所述盖板（3）的两侧还设有覆盖所述滑块（2）侧边的侧挡板（9），所述侧挡板（9）和所述滑块（2）侧边分别设有相配合的导轨（10）和滑槽（11），使所述滑块（2）可以在所述盖板（3）上滑动。

5.根据权利要求1-4任一所述的带温度自动补偿的光纤应变传感器，其特征在于，该传感器还包括保护底板，所述保护底板安装固定在所述滑块（2）之间的所述盖板（3）的底面。

6.根据权利要求1-4任一所述的带温度自动补偿的光纤应变传感器，其特征在于，位于所述锚固槽（6）外的所述光纤光栅（1）套设有保护软管。

7.根据权利要求6所述的带温度自动补偿的光纤应变传感器，其特征在于，还包括安装底座（12），所述安装底座（12）有2个，可通过螺栓分别与2个所述滑块（2）的固定座（5）底部固定连接。