CN209945269U - 一种大量程光纤光栅应变传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大量程光纤光栅应变传感器，包括宽带光源、3dB耦合器、传输光纤、大量程光纤光栅传感头以及光谱仪；所述的光纤光栅传感头由光纤布拉格光栅、弹簧、一片金属片以及两个金属台构成；当大应变产生时，拉伸弹簧使弹簧发生形变，从而使得传递到金属片上的应变量成比例减小，光纤布拉格光栅随金属片的应变拉伸而拉伸，光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而使光栅的中心波长发生漂移，通过对光线布拉格光栅的中心波长漂移量的检测来获得金属片受到的应变量的大小，从而得出原应变的大小，实现应变的大量程测量；本实用新型大量程光纤光栅应变传感器具有可实现应变的大量程测量的优点。

Description

一种大量程光纤光栅应变传感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种大量程光纤光栅应变传感器。

背景技术

光纤光栅是通过强激光照射使其纤芯内的纵向折射率呈周期性变化，从而形成的衍射光栅。其基本原理是将光纤特定位置制成折射率周期分布的光栅区，于是特定波长的光波在这个区域内将被反射。光纤光栅不仅具有高灵敏度、抗电磁干扰、插入损耗低、体积小、质量轻、化学稳定、本质防爆、耐腐蚀、无源等特点，还具有对波长绝对编码的特点，克服了强度调制传感器必须采取措施以补偿光源输出功率波动、光纤连接和耦合器的损耗而影响测量结果的弱点。

弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形，在机械设备中被广泛用作弹性元件。具有控制机构运动或零件的位置、缓冲吸振、存储能量、测量力的大小等功能。根据承受载荷的不同弹簧分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等。根据弹簧形状的不同分为螺旋弹簧、蝶形弹簧、环形弹簧、盘簧、板弹簧等。弹簧的材料主要有碳素弹簧钢、合金弹簧钢、硅青铜、锡青铜等非铁金属和非金属弹伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等。根据弹簧形状的不同分为螺旋弹簧、蝶形弹簧、环形弹簧、盘簧、板弹簧等。弹簧的材料主要有碳素弹簧钢、合金弹簧钢、硅青铜、锡青铜等非铁金属和非金属弹属具有导电导热性能好、减摩耐磨、耐潮湿、耐腐蚀等特殊性能，但强度低于弹簧钢丝。非金属弹簧材料主要有橡胶、塑料、软木及空气等。

目前，地质灾害所造成的经济损失对很多发展中国家的发展造成了很大威胁，由于地质灾害的影响，不仅造成了人们生活水平的下降，还造成了环境污染与破坏，对社会的可持续发展造成了很大的不利影响。由此可见对地质灾害的监测工作刻不容缓，而遥感技术凭借着时效性好、宏观性强的优势，成为当前对地质灾害进行调查、监测与防治的主要方式。但是，遥感技术只能实现大范围地面信息的获取，形成整体地面面貌，却无法对地质灾害强度的具体数值进行监测，而光纤光栅传感器因其独有的优势，可以通过镶嵌在山体、地表内部实现结构内部应力监测，从而克服遥感技术在地质灾害监测方面的不足。

但是，现有的光纤光栅应变传感器由单个光纤光栅构成，而光纤光栅所能承受的最大应变量极小，因此无法满足地质灾害监测中的大量程应变测量。针对上述问题，我们提出了一种大量程光纤光栅应变传感器，其利用弹簧可以通过自身形变来成比例减小所传递应变量的特性，实现应变的大量程测量。该传感器具有可成比例减小所传递应变量的优点，可以满足大量程应变测量的需要。

实用新型内容

本实用新型的目的是：针对现有技术存在的无法对应变进行大量程测量的不足，提供了一种大量程光纤光栅应变传感器，该传感器具有可实现应变的大量程测量的优点。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：

一种大量程光纤光栅应变传感器，包括宽带光源、3dB耦合器、传输光纤、大量程光纤光栅传感头以及光谱仪。

所述的3dB耦合器包含三个端口，其中一侧的两个端口中的一个与宽带光源相连，另一个与光谱仪输入端相连；另一侧的端口通过传输光纤与大量程光纤光栅传感头相连。

所述的光纤光栅传感头由光纤布拉格光栅、弹簧、一片金属片以及两个金属台构成，其中光纤布拉格光栅粘在金属片上，金属片的一侧与弹簧相连，另一侧固定在金属台上；弹簧的另一侧固定在另一个金属台上。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型利用大量程光纤光栅传感头，当大应变产生时，拉伸弹簧使弹簧发生形变，从而使得传递到金属片上的应变量成比例减小，光纤布拉格光栅随金属片的应变拉伸而拉伸，光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而使光栅的中心波长发生漂移。通过对光线布拉格光栅的中心波长漂移量的检测来获得金属片受到的应变量的大小，从而得出原应变量，实现应变的大量程测量。

本实用新型在制作大量程光纤光栅传感头时，利用弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形的特性，使用弹簧作为弹性元件，实现了控制金属片拉伸形变量的功能，从而成比例减小了传递到金属片上的应变量。

附图说明

图1为一种大量程光纤光栅应变传感器的结构示意图。

图2为大量程光纤光栅传感头的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，一种大量程光纤光栅应变传感器，包括宽带光源1、3dB耦合器2、传输光纤3、大量程光纤光栅传感头4以及光谱仪5。上述的3dB耦合器2包含三个端口，其中第一端口201与宽带光源1相连，第二端口202通过传输光纤3与大量程光纤光栅传感头4相连，第三端口203与光谱仪5相连。光谱仪5构成信号解调部分。

如图2所示，大量程光纤光栅传感头包括第一金属台1、金属片2、光纤布拉格光栅3、弹簧4以及第二金属台5。其中光纤布拉格光栅3粘在金属片2上，金属片2的一侧与弹簧4相连，另一侧固定在第一金属台1上；弹簧的另一侧固定在第二金属台5上。

本实用新型的工作方式为：

宽带光源1发出的光入射到3dB耦合器2中，光通过3dB耦合器2，经过传输光纤3到达大量程光纤光栅传感头4，一部分宽带光源发出的光经大量程光纤光栅传感头4后发生反射，并通过3dB耦合器2耦合到光谱仪5中。当大应变产生时，拉伸弹簧使弹簧发生形变，从而使得传递到金属片上的应变量成比例减小，光纤布拉格光栅随金属片的应变拉伸而拉伸，光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而使光栅的中心波长发生漂移，漂移量可以表示为：

Δλ_B为中心波长漂移量，λ_B为中心波长，p₁₁与p₁₂为光弹常数，υ为泊松比，Δε为传递到金属片上的应变量应变量，(1)式中，令：

K_ε为光纤光栅应变传感灵敏度系数，由(2)式可得：

Δλ_B＝K_ε·Δε，(3)

从(3)式可以看出波长漂移量与应变量成线性关系。由于应变产生，拉伸弹簧使弹簧发生形变，从而使得传递到金属片上的应变量成比例减小，因此原应变量与传递到金属片上的应变量的关系可以表示为：

Δε_原＝k·Δε，(4)

Δε_原为原应变量，k为弹簧的弹性系数，由(4)式可以得出原应变量，从而实现应变的大量程测量。

该装置能够实现一种大量程光纤光栅应变传感器的应变矢量测量的关键技术有：

1、光栅的光栅间隔能够受应变的影响发生线性变化。将光栅区用作传感区，当大应变产生时，拉伸弹簧使弹簧发生形变，从而使得传递到金属片上的应变量成比例减小，光纤布拉格光栅随金属片的应变拉伸而拉伸，光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而使光栅的中心波长发生漂移。通过对光线布拉格光栅的中心波长漂移量的检测来获得金属片受到的应变量的大小，从而得出原应变量，实现应变的大量程测量。

2、光纤光栅传感头的结构。由光纤布拉格光栅、弹簧、一片金属片以及两个金属台构成的大量程光纤光栅传感头是应变矢量传感的基础。其中光纤布拉格光栅粘在金属片上，金属片的一侧与弹簧相连，另一侧固定在金属台上；弹簧的另一侧固定在另一个金属台上。利用弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形的特性，使用弹簧作为弹性元件，实现了控制金属片形变的功能，从而成比例减小了传递到金属片上的应变量。

本实用新型的一个具体案例中，宽带光源的输出光中心波长为1550nm；传输光纤为常规单模光纤，长度为1km；大量程光纤光栅传感头中的光纤布拉格光栅的中心波长为1532.7nm；金属片的长、宽、高分别为24mm、12mm、1.5mm；固定金属片的金属台的长、宽、高分别为12mm、6mm、4.5mm；固定弹簧的金属台的长、宽、高分别为12mm、6mm、12mm；弹簧的原始长度为8mm。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。

Claims (1)

1.一种大量程光纤光栅应变传感器，其特征在于包括宽带光源、3dB耦合器、传输光纤、大量程光纤光栅传感头以及光谱仪；所述的3dB耦合器包含三个端口，其中一侧的两个端口中的一个与宽带光源相连，另一个与光谱仪输入端相连；另一侧的端口通过传输光纤与大量程光纤光栅传感头相连；所述的光纤光栅传感头由光纤布拉格光栅、弹簧、一片金属片以及两个金属台构成，其中光纤布拉格光栅粘在金属片上，金属片的一侧与弹簧相连，另一侧固定在金属台上，弹簧的另一侧固定在另一个金属台上。

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