CN209181734U - 应用于应变计上的基底及相应的应变计 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种应用于应变计上的基底及相应的应变计，其中，所述的基底由两段刚度不同的第一基底段和第二基底段构成，所述的第一基底段和第二基底段上分别设有用于安装传感部件的走线槽。采用该种结构的应用于应变计上的基底及相应的应变计装于待测部位上时，利用两段基底段刚度不同的特性，分别进行温度测量和应变测量，在测量时可同时测量到应变与温度，测量时具有较好的灵敏度，且具有温度补偿性，受到外界温度的影响较小，适用范围广泛，且结构简单，成本较低。

Description

应用于应变计上的基底及相应的应变计

技术领域

本实用新型涉及检测领域，尤其涉及运用传感器进行检测的技术领域，具体涉及一种应用于应变计上的基底及相应的应变计。

背景技术

近年来，光纤光栅作为一种新型传感元件得到了迅速发展，被广泛应用于各种条件下的传感测量，尤其是在土木工程、轨道交通、石油化工等领域的使用已经成为热点。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过特殊工艺将入射光相干场图样写入纤芯，使沿纤芯轴向的折射率产生周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅。当一束宽谱光经过光纤光栅时，在折射率的分界面会产生反射与透射，满足布拉格条件的波长(λ＝2×n×L/N) 将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。

光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅电力测温传感器通过内部敏感元件――光纤光栅所反射的光信号中心波长移动量来检测温度值，无源、绝缘、本质安全，不受电磁干扰及雷击损伤，测温精度及分辨率不受光源波动及传输线路弯曲损耗的影响，可进行远程传输。

应变，属于材料力学，是一种常规的技术参数，可以表征机械部件上结构的变化程度。应变测量，可以为构件提供各种材料的力学性能指标，在多种情况下都有重要意义。

应变通常有两种来源，热应变与弹性应变，实际产生的应变为两者的累加。在结构力学中，弹性应变由结构内部应力产生，热应变由结构的温度变化产生，两者表征的物理意义不一样，需要分开检测。

现有常规应变传感器，安装在构件上之后，并不能区分出热应变与弹性应变，需要单独的温度计进行温度补偿，扣除温度的影响。这种方式存在下面的问题：1)对于细小的应变，分辨力不够，检测不出来；2)温度计与应变计分离安装，温度补偿不够精确。

针对现有光纤应变测量存在的问题，需要设计一种能够提高应变测量灵敏度和温度准确性的一体式应变计。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服至少一个上述现有技术的缺点，提供了一种结构简单、实用性好的应用于应变计上的基底及相应的应变计。

为了实现上述目的或其他目的，本实用新型的应用于应变计上的基底及相应的应变计如下：

该应用于应变计上的基底，其主要特点是，所述的基底由第一基底段和第二基底段共同相连构成，其中，所述的第一基底段的刚度远大于所述的第二基底段的刚度，所述的第一基底段和第二基底段上分别设有用于安装传感部件的走线槽，所述的走线槽贯穿所述的第一基底段和第二基底段。

较佳地，由构造所述的第一基底段与所述的第二基底段所选的材料的不同，使得二者的刚度不同；其中，构造所述的第一基底段所选的材料的刚度远大于构造所述的第二基底段所选的材料的刚度。

较佳地，所述的基底为由材料相同的第一基底段与第二基底段构成的一体化结构，由所述的第一基底段与所述的第二基底段的形状不同，使得二者的刚度不同。

更佳地，所述的第二基底段上设有使所述的第二基底段上的局部段较易受外力影响产生变形的宽槽。

较佳地，所述的传感部件中安装于所述的走线槽中位于所述的第一基底段上的部分用于实现温度的测量，所述的传感部件安装于所述的走线槽中位于所述的第二基底段上的部分用于实现应变的测量。

较佳地，所述的第一基底段和第二基底段之间设有用于固定所述的安装传感部件的固定点。

该具有上述基底的应变计，其主要特点是，所述的应变计包括传感部件，所述的传感部件为光纤，所述的光纤绷直设于所述的走线槽中；

所述的光纤中安装于所述的走线槽中位于所述的第一基底段上的部分刻有用于实现温度的测量的第一光纤光栅，所述的光纤中安装于所述的走线槽中位于所述的第二基底段上的部分刻有用于实现应变的测量的第二光纤光栅。

较佳地，所述的应变计通过对称设置在所述的基底两端的传感器安装孔固定于待测部位上。

更佳地，所述的应变计与所述的待测部位的连接可通过焊接或胶粘的方式进行连接。

较佳地，所述的光纤通过金属化光栅激光焊接的方式或通过光栅胶粘的方式安装在所述的基底上；

当采用所述的光栅胶粘的方式进行安装时，采用高度强、低变形的应变胶进行胶粘。

较佳地，所述的应变计还包括覆盖于所述的基底与光纤的应变保护胶垫。

该具有上述基底的应变计，其主要特点是，所述的应变计包括传感部件，所述的传感部件为感应电阻模块，所述的感应电阻模块设于所述的走线槽中；

所述的感应电阻模块中安装于所述的走线槽中位于所述的第一基底段上的部分为用于实现温度的测量的第一感应电阻，所述的感应电阻模块中安装于所述的走线槽中位于所述的第二基底段上的部分为用于实现应变的测量的第二感应电阻。

采用本实用新型的应用于应变计上的基底及相应的应变计，在测量时可同时测量到应变与温度，测量时具有较好的灵敏度，且具有温度补偿性，受到外界温度的影响较小，适用范围广泛，且结构简单，成本较低。

附图说明

图1为光纤光栅的原理图。

图2为本实用新型一实施例中的应用于应变计上的基底的结构示意图。

附图标记

1 第一基底段

2 第二基底段

3 走线槽

4 宽槽

5 传感器安装孔

6 光纤固定点

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述。

该应用于应变计上的基底，其中，所述的基底由第一基底段1和第二基底段2共同相连构成，其中，所述的第一基底段1的刚度远大于所述的第二基底段2的刚度，所述的第一基底段1和第二基底段2上分别设有用于安装传感部件的走线槽3，所述的走线槽3贯穿所述的第一基底段1和第二基底段2。

可由构造所述的第一基底段1与所述的第二基底段2所选的材料的不同，使得二者的刚度不同；其中，构造所述的第一基底段1所选的材料的刚度远大于构造所述的第二基底段2 所选的材料的刚度。在上述实施例中，所述的基底为由材料相同的第一基底段1与第二基底段2构成的一体化结构，由所述的第一基底段1与所述的第二基底段2的形状不同，使得二者的刚度不同。

在上述实施例中，所述的第二基底段2上设有使所述的第二基底段2上的局部段较易受外力影响产生变形的宽槽4。

在上述实施例中，所述的传感部件中安装于所述的走线槽3中位于所述的第一基底段1 上的部分用于实现温度的测量，所述的传感部件安装于所述的走线槽3中位于所述的第二基底段2上的部分用于实现应变的测量。

在上述实施例中，所述的第一基底段1和第二基底段2之间设有用于固定所述的安装传感部件的固定点，即所述的第一基底段1位于该固定点的左侧，所述的第二基底段2位于该固定点的右侧。

一种具有上述实施例中的基底的应变计，所述的应变计还包括传感部件，所述的传感部件为光纤，所述的光纤绷直设于所述的走线槽3中，此时，所述的用于固定所述的安装传感部件的固定点为光纤固定点6，即当光纤固定于走线槽3中时，除了光纤的两端被固定于应变计的两端外(光纤的两端可通过分别设置于应变计两端的光纤固定点6固定)，还通过位于中间的光纤固定点6将光纤的中段固定于第一基底段1和第二基底段2之间，这样当光纤的其中一段受到对应的第一基底段1或者第二基底段2的影响被拉伸时，光纤的另一段不会受到影响；

所述的光纤中安装于所述的走线槽3中位于所述的第一基底段1上的部分刻有用于实现温度的测量的第一光纤光栅，所述的光纤中安装于所述的走线槽3中位于所述的第二基底段 2上的部分刻有用于实现应变的测量的第二光纤光栅。

所述的应变计通过对称设置在所述的基底两端的传感器安装孔5固定于待测部位上。

所述的应变计与所述的待测部位的连接可通过焊接或胶粘的方式进行连接。

所述的光纤通过金属化光栅激光焊接的方式或通过光栅胶粘的方式安装在所述的基底上；

当采用所述的光栅胶粘的方式进行安装时，采用高度强、低变形的应变胶进行胶粘。

所述的应变计还包括覆盖于所述的基底与光纤的应变保护胶垫。

下面结合图1、2进一步的对该实施例中的应变计进行说明，图1为光纤光栅的原理图，图中绘制了折射率周期性变变化的特征，其中：

(1)光程差S＝n×L×2，n为周期内等效折射率，L为周期的长度；

(2)当波长满足条件：波长＝S/N时，多路出射光形成相长干涉；N为自然数；

(3)当光纤光栅受热或者应力时，主要产生两种效应：光热效应(折射率改变)和弹光效应(长度变化)，两种效应联合作业，导致波长的变化。

本实施例中的应变计正是应用了光纤的上述特性制作出的。

该实施例中的应变计运用了光纤光栅作为传感部件，可用于应变和/或温度的检测，同时，对应变测量起到增加灵敏度和消除温度影响的作用，是一种双光纤光栅(在同一光纤上刻有两种光栅的光纤)同时测量温度和应变的结构。该应变计采用了一体化封装，封装之后，通过第一光纤光栅主要受温度影响自由膨胀，进行温度测量和补充，第二光纤光栅进行弹性应变的测量，当光纤安装于图2中的基底中时，第一光纤光栅和第二光纤光栅分别预拉一定的距离，大约为2至3nm，具体数值按实际情况进行调整，用于保证基底收缩的时候光栅处于紧绷状态。在上述实施例中，在基底的传感器安装孔5位置可通过焊接或者胶粘的方式固定在待测部位上，当待测部位发生形变时，带动第一光纤光栅和第二光纤光栅发生形变，第一光纤光栅产生的形变由第一基底段1带动，第二光纤光栅产生的形变由第二基底段2带动，第一光纤光栅的两端分别固定于第一基底段1的两端上(由位于左侧的光纤固定点6和位于中间的光纤固定点6进行分别固定)，第二光纤光栅的两端分别固定于第二基底段2的两端上 (由位于右侧的光纤固定点6和位于中间的光纤固定点6进行分别固定)，即光纤通过三个光纤固定点6在基底上被分为了2段(第一光纤光栅和第二光纤光栅)。由于第一基底段1的刚度远大于所述的第二基底段2的刚度，大约为第二基底段2的一个量级以上(大约为几十倍到几百倍)，假设第一光纤光栅的长度为L1、刚度为G1，第二光纤光栅的长度为L2、刚度为G2，当待测部位发生形变时，第一基底段1和第二基底段2分别带动第一光纤光栅和第二光纤光栅发生形变，光纤的总形变＝L1/G1+L2/G2，在该实施例中，通过将所述的第一基底段 1与所述的第二基底段2设置不同的形状，使得二者的刚度不同，在所述的第二基底段2上设有使所述的第二基底段2上的局部段较易受外力影响产生变形的宽槽4，如图2所示，第二基底段2上设有2个宽槽4，宽槽4的位置部分的结构明显细于其他部分的结构，其刚度相对而言也小很多，在该实施例中通过调节宽槽4的尺寸来改变第二基底段2的刚度(在其他实施例中也可以通过其他方式使得第一基底段1和第二基底段2的刚度不同)。因为G1远大于G2，因此，由待测部位引起的基底的形变主要集中在第二光纤光栅上，而第一光纤光栅由于刚度的而关系，其形变主要是受温度影响产生的自由收缩，第二基底段2部分的增敏(提高测量敏感度)系数为(L1+L2)/L2。

通过该实施例中的结构设计可得到以下技术效果：

(1)第二光纤光栅部分增敏效果可以达到3倍以上，即灵敏度3pm/uε以上；

(2)第一光纤光栅部分测温为基底材料本体热膨胀系数，为13pm/u℃；

(3)温度补偿后，应变精度在±3uε，测温精度在0.1℃以内

该实施例中的应变计具有如下特点：

(1)在光纤光栅元件中，含有多个折射率周期，n为每个折射率周期的等效折射率；

(2)光纤光栅沿光纤槽走线，可以避免光纤裸露导致光纤损伤，影响强度；

(3)光纤安装在基底上时，可以选择金属化光栅激光焊接或普通光栅胶粘，胶水选择高强度、低变形的应变胶；

(4)通过调整第一光纤光栅与第二光纤光栅长度，可以改变增敏系数；调整宽槽4部位的形状，可以改变第二基底段2的刚度。

安装时，在安装孔使用激光焊接或者胶粘的方式安装，保证传感器与待测部位刚性连接；光纤不得外露，避免损伤；可以使用应变保护胶垫覆盖，保证传感器与待测部位的温度一致同时起到保护光传感器的作用。

上述应变计不仅可以单独测应变，也可以同时测量温度和应变。

在其他实施例中，所述的应变计包括传感部件，所述的传感部件也可以为感应电阻模块，所述的感应电阻模块设于所述的走线槽3中；

所述的感应电阻模块中安装于所述的走线槽3中位于所述的第一基底段1上的部分为用于实现温度的测量的第一感应电阻，所述的感应电阻模块中安装于所述的走线槽3中位于所述的第二基底段2上的部分为用于实现应变的测量的第二感应电阻。

采用本实用新型的应用于应变计上的基底及相应的应变计，在测量时可同时测量到应变与温度，测量时具有较好的灵敏度，且具有温度补偿性，受到外界温度的影响较小，适用范围广泛，且结构简单，成本较低。

在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (12)

1.一种应用于应变计上的基底，其特征在于，所述的基底由第一基底段和第二基底段共同相连构成，其中，所述的第一基底段的刚度远大于所述的第二基底段的刚度，所述的第一基底段和第二基底段上分别设有用于安装传感部件的走线槽，所述的走线槽贯穿所述的第一基底段和第二基底段。

2.根据权利要求1所述的应用于应变计上的基底，其特征在于，构造所述的第一基底段所选的材料的刚度远大于构造所述的第二基底段所选的材料的刚度。

3.根据权利要求1所述的应用于应变计上的基底，其特征在于，所述的基底为由材料相同的第一基底段与第二基底段构成的一体化结构，由所述的第一基底段与所述的第二基底段的形状不同，使得二者的刚度不同。

4.根据权利要求3所述的应用于应变计上的基底，其特征在于，所述的第二基底段上设有使所述的第二基底段上的局部段较易受外力影响产生变形的宽槽。

5.根据权利要求1所述的应用于应变计上的基底，其特征在于，所述的传感部件中安装于所述的走线槽中位于所述的第一基底段上的部分用于实现温度的测量，所述的传感部件安装于所述的走线槽中位于所述的第二基底段上的部分用于实现应变的测量。

6.根据权利要求1所述的应用于应变计上的基底，其特征在于，所述的第一基底段和第二基底段之间设有用于固定所述的安装传感部件的固定点。

7.一种具有权利要求1～6中任一项的基底的应变计，其特征在于，所述的应变计包括传感部件，所述的传感部件为光纤，所述的光纤绷直设于所述的走线槽中；

所述的光纤中安装于所述的走线槽中位于所述的第一基底段上的部分刻有用于实现温度的测量的第一光纤光栅，所述的光纤中安装于所述的走线槽中位于所述的第二基底段上的部分刻有用于实现应变的测量的第二光纤光栅。

8.根据权利要求7所述的应变计，其特征在于，所述的应变计通过对称设置在所述的基底两端的传感器安装孔固定于待测部位上。

9.根据权利要求8所述的应变计，其特征在于，所述的应变计与所述的待测部位的连接可通过焊接或胶粘的方式进行连接。

10.根据权利要求7所述的应变计，其特征在于，所述的光纤通过金属化光栅激光焊接的方式或通过光栅胶粘的方式安装在所述的基底上；

当采用所述的光栅胶粘的方式进行安装时，采用高度强、低变形的应变胶进行胶粘。

11.根据权利要求7所述的应变计，其特征在于，所述的应变计还包括覆盖于所述的基底与光纤的应变保护胶垫。

12.一种具有权利要求1～6中任一项的基底的应变计，其特征在于，所述的应变计包括传感部件，所述的传感部件为感应电阻模块，所述的感应电阻模块设于所述的走线槽中；

所述的感应电阻模块中安装于所述的走线槽中位于所述的第一基底段上的部分为用于实现温度的测量的第一感应电阻，所述的感应电阻模块中安装于所述的走线槽中位于所述的第二基底段上的部分为用于实现应变的测量的第二感应电阻。