CN210108985U - 一种光纤裂纹传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光纤裂纹传感器，该光纤裂纹传感器包括第一基体和第二基体，第一基体上设置有至少两个相对的供光纤穿过的第一穿孔，以及设置在两个第一穿孔之间以容置光纤的第一凹槽，第一凹槽内容置的光纤部分作为应变光栅以侦测裂纹；第二基体包括主体部和从主体部延伸出去的分支部，分支部上设置第二凹槽以容置光纤的部分，第二凹槽内容置的光纤部分作为温度补偿光栅。通过使用光纤光栅作为裂纹测量的传感器，并且通过温度补偿光栅抵消温度对应变光栅的影响，降低了温度对裂纹监测数据的影响，从而提升了对裂纹监测的精度。

Description

一种光纤裂纹传感器

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，特别涉及一种光纤裂纹传感器。

背景技术

裂纹在隧道中是比较常见的现象，而且形式多样，例如温度裂纹、施工缝裂纹、沉降缝收缩裂纹等。裂缝沿隧道全长分段出现，中间较密。裂缝宽度大小不一，一般在0.5mm以下。

本申请的发明人在长期的研发中发现，对于过于狭小的裂纹，传统的传感器，例如激光位移计或者振弦式位移计等测量精度不高，导致监测数据不准确，因而无法满足监测要求。

实用新型内容

本申请提供一种光纤裂纹传感器，以解决现有技术中传感器测量精度不高的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是提供一种光纤裂纹传感器，包括：

第一基体，其中，所述第一基体上设置有至少两个相对的供光纤穿过的第一穿孔，以及设置在所述两个第一穿孔之间以容置所述光纤的第一凹槽，所述第一凹槽内容置的光纤部分作为应变光栅以侦测裂纹；以及

第二基体，其中，所述第二基体包括主体部和从所述主体部延伸出去的分支部，所述分支部上设置第二凹槽以容置所述光纤的部分，所述第二凹槽内容置的光纤部分作为温度补偿光栅。

本申请的有益效果是：在第一基体上设置有至少两个相对的第一穿孔和在两个第一穿孔之间的第一凹槽，穿过第一穿孔置于第一凹槽内的光纤作为应变光栅以侦测裂纹，在第二基体的从主体部延伸出去的分支部上设置第二凹槽，第二凹槽内容置的光纤部分作为温度补偿光栅，使用光纤光栅作为裂纹测量的传感器，并且通过温度补偿光栅抵消温度对应变光栅的影响，降低了温度对裂纹监测数据的影响，从而提升了对裂纹监测的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，其中：

图1是本申请光纤裂纹传感器一实施例的结构示意图；

图2是本申请光纤裂纹传感器一实施例的部分分解结构示意图；

图3是本申请光纤裂纹传感器部分结构一实施例的结构示意图；

图4是本申请光纤裂纹传感器的第一基体一实施例的结构示意图；

图5是本申请光纤裂纹传感器的第一基体和第二基体组合一实施例的结构示意图；

图6是本申请光纤裂纹传感器部分结构另一实施的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，均属于本申请保护的范围。

需要说明，若本申请实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

请参阅图1和图2，本申请实施例提供一种光纤裂纹传感器100，该光纤裂纹传感器100包括第一基体10、第二基体20、第一限位环30、第二限位环31、第三限位环32、第一连接座40、第二连接座41、套筒50和安装座60。

一并参阅图3、图4和图5，第一基体10可以是不锈钢或者金属合金等材料。第一基体10上设置有至少两个相对的供光纤(图未示出)穿过的第一穿孔122，第一基体10上位于两个第一穿孔122之间还设置有容置光纤的第一凹槽124。第一凹槽124内容置的光纤部分作为应变光栅以侦测裂纹。可以理解，裂纹产生时会引起接触面的应变，从而使得应力作用在光纤光栅上，通过测量光纤光栅的中心波长可测量应变值进而得到裂纹的数据，此时，第一凹槽124内测得既有应变引起的变化值，还有温度引起的变化值。第二基体20也可以是不锈钢或者金属合金等材料。第一基体10和第二基体20可以经过淬火处理，进而提升第一基体10和第二基体20的硬度和强度。其中，第二基体20包括主体部22和从主体部22延伸出去的分支部24。分支部24上设置第二凹槽242以容置光纤的部分，第二凹槽242内容置的光纤部分作为温度补偿光栅。光纤穿过其中一个第一穿孔122至第一凹槽124内，再由另一个相对的第一穿孔122穿出至第二凹槽242内，最终两个凹槽内的光纤还需要引出外接其它仪器(图未示出)，例如解调仪或者光纤传感分析仪等。位于第一凹槽124和第二凹槽242中的光纤可进一步通过粘接剂粘接固定，例如使用环氧树脂等填充在第一凹槽124和第二凹槽242的光纤，具体粘接剂的型号在此不作限定，只要能粘住并不损害光纤即可。可以理解，由于光纤光栅的中心波长对温度和应变同时敏感，在测量裂纹时无法对温度与应变加以区分，通过在第二凹槽242内引入温度补偿光栅，进而可以消除温度对第一凹槽124内的应变光栅的影响，使得第一凹槽124内测量得到的裂纹应变值更准确。

通过在第一基体10上设置有至少两个相对的第一穿孔122和在两个第一穿孔122之间的第一凹槽124，穿过第一穿孔122置于第一凹槽124内的光纤作为应变光栅以侦测裂纹，在第二基体20的从主体部22延伸出去的分支部24上设置第二凹槽242，第二凹槽242内容置的光纤部分作为温度补偿光栅，使用光纤光栅作为裂纹测量的传感器，并且通过温度补偿光栅抵消温度对应变光栅的影响，降低了温度对裂纹监测数据的影响，从而提升了对裂纹监测的精度。

在一些实施例中，参阅图2，第一基体10与第二基体20为一体成型，例如使用注塑工艺直接制成一个整体的第一基体10和第二基体20使得光纤裂纹传感器100的结构更加牢固。当然，第一基体10与第二基体20之间也可以是焊接连接。

可选地，参阅图6，第一基体10设有第一固定件11，第二基体20设置有第二固定件21，第一固定件11和第二固定件21配合以使得第一基体10和第二基体20可拆卸连接。例如，第一固定件11是含有外螺纹的突起结构，第二固定件21是含有内螺纹的盲孔，第一固定件11和第二固定件21通过螺纹配合实现第一基体10和第二基体20可拆卸连接。当然两者也可以反过来设置，也即，在第一基体10上设置含有内螺纹的盲孔，在第二基体20上设置含有外螺纹的凸起结构，两者螺纹配合实现可拆卸连接。此外，第一基体10和第二基体20之间还可以是卡扣连接等，具体在此不作限定。通过上述方式使得第一基体10和第二基体20之间的固定方式更加灵活，从而有利于后期的维护管理。

可选地，继续参阅图2和图5，光纤裂纹传感器100还可包括第一限位环30，第一限位环30设置在第二基体20上，例如第一限位环30可以通过焊接或者过盈配合套设在第二基体20上，当然第一限位环30也可和第二基体20一体成型制成。其中，第一限位环30与分支部24之间留有第一限位孔35。例如，分支部24的上表面可为一平面且不与第一限位环30的内壁抵接，从而形成了第一限位孔35。第一限位孔35位于第二凹槽242与第一凹槽124之间，且第一限位孔35与第一穿孔122至少部分对齐以供光纤穿过，可以理解，从第一凹槽124引出的光纤可以穿过第一限位孔35至第二凹槽242中，从而可以减少光纤弯折受损的概率。

可选地，参阅图3和图4，第一基体10还可包括第一支撑部12和第二支撑部14，第一支撑部12和第二支撑部14对称设置。第一支撑部12设置至少两个相对的第一穿孔122，第一支撑部12朝向第二支撑部14的一侧设有第一凹槽124，也即应变光栅是位于第一基体10的内壁，从而可以避免外界部件直接压到光栅带来的损坏。第一支撑部12与应变光栅直接接触的壁保持齐平使得光纤光栅固定时不会弯曲。当然，也可以在第二支撑部14朝向第一支撑部12的一侧设置至少两个相对的第二穿孔142和位于两个第二穿孔142之间的第二凹槽144。可以理解，当第一支撑部12的第一穿孔122或者第一凹槽124损坏时，结合第一基体10和第二基体20之间的可拆卸连接，可使用第二支撑部14代替第一支撑部12，从而节省后期的维修成本。第二基体20的主体部22连接第一支撑部12和第二支撑部14，例如可以是焊接或者使用固定件(图未示出)连接或者一体成型等，具体在此不作限定。结合图5，分支部24朝背离第一支撑部12的方向伸出，分支部24的伸出部分与主体部22相间隔，也即，分支部24与主体部22是悬空的，从而确保温度补偿光栅不受任何应变影响，只测量温度的变化值。第二凹槽242与第一限位孔35至少部分连通，也即从第一限位孔35引出的光纤可至第二凹槽242内，并且不发生弯曲。通过设置第一支撑部12和第二支撑部14可以增强第一基体10的刚性，减少位于第一支撑部12中的光纤光栅受损的几率。

在一些实施例中，参阅图2和图3，光纤裂纹传感器100还可包括第一连接座40和第二连接座41，第一连接座40与第一基体10连接，第二连接座41与第二基体20连接，连接方式可以是焊接或者使用固定件(图未示出)或者一体成型等，具体在此不作限定。第一连接座40、第一基体10、第二基体20和第二连接座41的中心轴在同一轴线上，可以理解，第一连接座40、第一基体10、第二基体20和第二连接座41位于同一直线上，从而使得减少整条光纤的弯折度，降低光纤的损耗，进而提升对裂纹检测的准确度。

可选地，参阅图3，第一连接座40的轴线方向设有第一通孔(图未示出)，第一连接座40垂直第一连接座40的轴线方向设有第二通孔402。第一通孔与第二通孔402连通供光纤穿过。第二连接座41的轴线方向设有第三通孔412，第二连接座41垂直第二连接座41的轴线方向设有第四通孔414，第三通孔412与第四通孔414连通供光纤穿过，可以理解，从第一凹槽124背离第二基体20穿出的光纤光栅穿至第二通孔402最后由第一通孔引出连接到外接设备(图未示出)，例如传感分析仪等，从第二凹槽242穿出的光纤光栅穿至第四通孔414最后由第三通孔412引出连接到外接设备(图未示出)。上述方式可以将应变光栅和温度补偿光栅监测到的变化连接至外接设备进行进一步的分析，避免光纤光栅挤压受损，从而得到准确的测量结果。

在一些实施例中，参阅图2和图3，光纤裂纹传感器100还可包括第二限位环31和第三限位环32，第二限位环31套设在第一连接座40上，第三限位环32套设在第二连接座41上，第一限位环30、第二限位环31和第三限位环32位于同一轴线上且大小相等，从而确保整个光纤裂纹传感器100的部件都在同一直线上，避免光纤发生多次弯折，并且确保后期对光纤裂纹传感器100的密封不出现突起。

可选地，继续参阅图1和图2，光纤裂纹传感器100还可包括套筒50，套筒50套设在第一限位环30、第二限位环31和第三限位环32上。也即，通过套筒50的内壁与第一限位环30、第二限位环31和第三限位环32的外壁抵接形成密封，避免套筒50密封时与第一基体10和第二基体20接触，进而避免外界物体(例如石块等)与其中的光纤接触，对光纤传感器100密封保护的同时减少了套筒50密封对监测的影响。其中，第一限位环30、第二限位环31和第三限位环32分别设有第三凹槽(图未示出)，第三凹槽用于容置弹性密封件，例如塑胶或者橡胶等，弹性密封件与套筒50的内壁抵接以形成密封，从而可以进一步降低液体或者灰尘等进入光纤中对监测造成的影响。通过上述方式可以对第一基体10和第二基体20内的光纤光栅进行很好的保护，减少其它外界因素(例如液体湿度或者灰尘或者石块等)对监测带来的影响，进而提升光纤裂纹传感器100的监测精度。

可选地，继续参阅图1和图2，光纤裂纹传感器100还可包括安装座60，安装座60分别与第一连接座40和第二连接座41连接。也即，通过两端设置安装座60实现固定安装，安装座60的侧壁还可设有多个穿孔602，安装座60与第一连接座40和第二连接座41的连接方式可以是先穿设到安装座60上，然后再使用例如顶丝或者螺栓等紧固件穿设穿孔602实现进一步的固定。安装座60与套筒50之间存在缝隙，从而避免套筒50与安装座60固定死导致无法对裂纹进行准确的监测。安装座60两对侧设有固定孔604，固定孔604用于与膨胀螺钉等紧固件(图未示出)配合以固定光纤裂纹传感器100于出现裂纹的地方。上述方式光纤裂纹传感器100的安装结构简单，可以很方便的将光纤裂纹传感器100固定在所需要监测的地方，提升了固定安装的效率。

下面对光纤裂纹传感器100的监测过程进行描述，光纤裂纹传感器100通过安装座60横跨在已经出现的微小裂纹平面上(例如水泥表面)，光纤裂纹传感器100与裂纹相垂直，容置有应变光栅的第一基体10受力容易发生形变，当裂纹向两边扩展，第一基体10上的应变光栅的波长会发生变化，而温度补偿光栅悬空置于第二基体20上，所以受到外力时波长不会发生变化，由于两个光栅都是通过粘接固定在相同材质的基体上，以及两个光栅的封装工艺相同，通过下面公式计算得到应变值：

ρ＝[(λ_1后-λ_1前)-(λ_2后-λ_2前)]×α

其中，ρ为应变值，α为应变系数，λ_1后为应变光栅变化后的波长值，λ_1前为应变光栅初始波长值，λ_2后为温度补偿光栅变化后的波长值，λ_2前为温度补偿光栅初始波长值，上述波长值都可由光纤传感分析仪等设备读出，通过上述方式可以得到相应的裂纹引起的应变值。

在一些实施例中，光纤裂纹传感器100的标距L可为200毫米，应变量ε范围为±2500微应变，封装材料的弹性模量为200Gpa，由公式：

ΔL＝L×ε

可以得到光纤裂纹传感器100的伸长量ΔL为±0.5毫米，也即光纤裂纹传感器100测量范围为±0.5毫米，由于光纤传感分析仪的波长精度为1pm(1pm对应光纤裂纹传感器100是0.8微应变)，因此通过公式计算可知光纤裂纹传感器100的测量精度为±0.00016毫米。可见通过使用上述光纤裂纹传感器100对裂纹进行监测，有效提升了测量的精确度。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光纤裂纹传感器，其特征在于，包括：

第一基体，其中，所述第一基体上设置有至少两个相对的供光纤穿过的第一穿孔，以及设置在所述两个第一穿孔之间以容置所述光纤的第一凹槽，所述第一凹槽内容置的光纤部分作为应变光栅以侦测裂纹；以及

第二基体，其中，所述第二基体包括主体部和从所述主体部延伸出去的分支部，所述分支部上设置第二凹槽以容置所述光纤的部分，所述第二凹槽内容置的光纤部分作为温度补偿光栅。

2.根据权利要求1所述的光纤裂纹传感器，其特征在于，所述传感器还包括第一限位环，所述第一限位环设置在所述第二基体上，其中，所述第一限位环与所述分支部之间留有第一限位孔，所述第一限位孔位于所述第二凹槽与所述第一凹槽之间，且所述第一限位孔与所述第一穿孔至少部分对齐以供所述光纤穿过。

3.根据权利要求1所述的光纤裂纹传感器，其特征在于，所述第一基体设有第一固定件，所述第二基体设置有第二固定件，所述第一固定件和所述第二固定件配合以使得所述第一基体和所述第二基体可拆卸连接。

4.根据权利要求1所述的光纤裂纹传感器，其特征在于，所述第一基体与所述第二基体为一体成型或焊接连接。

5.根据权利要求2所述的光纤裂纹传感器，其特征在于，所述第一基体包括第一支撑部和第二支撑部，所述第一支撑部和所述第二支撑部对称设置，所述第一支撑部设置至少两个相对的所述第一穿孔，所述第一支撑部朝向所述第二支撑部的一侧设有所述第一凹槽，所述主体部连接所述第一支撑部和所述第二支撑部，所述分支部朝背离所述第一支撑部的方向伸出，所述分支部的伸出部分与所述主体部相间隔，所述第二凹槽与所述第一限位孔至少部分连通。

6.根据权利要求5所述的光纤裂纹传感器，其特征在于，所述传感器还包括第一连接座和第二连接座，所述第一连接座与所述第一基体连接，所述第二连接座与所述第二基体连接，所述第一连接座、所述第一基体、第二基体和所述第二连接座的中心轴在同一轴线上。

7.根据权利要求6所述的光纤裂纹传感器，其特征在于，所述第一连接座的轴线方向设有第一通孔，所述第一连接座垂直所述第一连接座的轴线方向设有第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔连通供所述光纤穿过，所述第二连接座的轴线方向设有第三通孔，所述第二连接座垂直所述第二连接座的轴线方向设有第四通孔，所述第三通孔与所述第四通孔连通供所述光纤穿过。

8.根据权利要求6所述的光纤裂纹传感器，其特征在于，所述传感器还包括第二限位环和第三限位环，所述第二限位环套设在所述第一连接座上，所述第三限位环套设在所述第二连接座上，所述第一限位环、所述第二限位环和所述第三限位环位于同一轴线上且大小相等。

9.根据权利要求8所述的光纤裂纹传感器，其特征在于，所述传感器还包括套筒，所述套筒套设在所述第一限位环、所述第二限位环和所述第三限位环上，其中，所述第一限位环、所述第二限位环和所述第三限位环分别设有第三凹槽，所述第三凹槽用于容置弹性密封件，所述弹性密封件与所述套筒的内壁抵接以形成密封。

10.根据权利要求9所述的光纤裂纹传感器，其特征在于，所述传感器还包括安装座，所述安装座分别与所述第一连接座和第二连接座连接，所述安装座与所述套筒之间存在缝隙，所述安装座两对侧设有固定孔，所述固定孔用于与紧固件配合以固定所述传感器。

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