CN210561624U - 一种光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光纤光栅传感器，该光纤光栅传感器包括：第一固定座、第二固定座、弹性件以及光纤光栅，第二固定座与第一固定座相间隔设置；弹性件与第一固定座和第二固定座连接，且位于第一固定座和第二固定座之间；以及光纤光栅穿设第一固定座和第二固定座且与弹性件连接，光纤光栅用于检测弹性件的形变。通过使用弹性件连接第一固定座和第二固定座连接，使得弹性件位于第一固定座和第二固定座之间，并由光纤光栅穿设第一固定座和第二固定座与弹性件连接。通过光纤光栅直接检测弹性件的形变进而间接测得路面形变的情况，上述结构精简稳定，能够抗电磁干扰，从而能够提升对柔性路面监测的准确率。

Description

一种光纤光栅传感器

技术领域

本申请涉及监测技术领域，特别涉及一种光纤光栅传感器。

背景技术

公路能够承担货运和客运任务等，具有方便、快捷等优点，是各地区之间沟通的纽带。

近年来柔性路面(例如沥青路面等)得到广泛运用，由于公路的长度很长，横跨需要横跨不同的地区，路面所处环境也异常复杂，例如需要抵御各种恶劣的自然环境，承受行驶车辆的碾压等。为了实现更好地建设和维护公路，因此，对于公路的路面结构性能的监测显得尤为重要。一些传统的路面监测可以是通过电磁类传感器、电阻类或者电容类的传感器，但是上述传感器存在体积大、对电磁的抗干扰性能差、容易受环境影响等，造成其工作性能不稳定，容易导致无法得到监测结果或者监测结果不准确等。

实用新型内容

本申请提供一种光纤光栅传感器，以解决在柔性路面监测中的传感器抗电磁干扰性能差，监测结果不准确的技术问题。

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，包括：

第一固定座；

第二固定座，与第一固定座相间隔设置；

弹性件，与第一固定座和第二固定座连接，且位于第一固定座和第二固定座之间；以及

光纤光栅，穿设第一固定座和第二固定座，且与弹性件连接，光纤光栅用于检测弹性件的形变。

本申请的有益效果是：通过使用弹性件连接第一固定座和第二固定座连接，使得弹性件位于第一固定座和第二固定座之间，并由光纤光栅穿设第一固定座和第二固定座与弹性件连接，柔性路面发生形变的力传递到弹性件，弹性件再将力传递到该光纤光栅上，光纤光栅用于检测弹性件的形变。通过光纤光栅检测弹性件的形变进而间接测得路面形变的情况，上述结构精简稳定，能够抗电磁干扰，从而能够提升对柔性路面监测的准确率。

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是本申请光纤光栅传感器一实施例的结构示意图；

图2是本申请光纤光栅传感器一实施例的分解结构示意图；

图3是本申请光纤光栅传感器一实施例的应变片的结构示意图；

图4是本申请光纤光栅传感器一实施例的应变片的另一结构示意图；

图5是本申请光纤光栅传感器一实施例的应变片和光纤光栅结合的结构示意图；

图6是本申请光纤光栅传感器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。

柔性(例如沥青等)路面监测可以是将传感器半插入到路面或者仅仅将传感器贴设公路表面，从而当路面发生形变或者受到压力时，可以将形变产生的应力传递给传感器，但是上述监测方式并无法测得完整的路面内部的形变产生的应力，因而检测不到路面内部材料因外界环境(例如温度或者压力等)所造成的影响，容易造成公路监测数据不完全，最终导致监测结果不准确，并且将传感器漏在外面容易受到损坏，而且公路本身长度很长，上述方式不利于实现长距离组网。

因此，本申请提供多种光纤光栅传感器100实施例，该光纤光栅传感器100是埋入式监测传感器，也即是将光纤光栅传感器100埋入沥青材料中进行沥青路面的监测。

请参阅图1和图2，本申请实施例提供一种光纤光栅传感器100，该光纤光栅传感器100包括：第一固定座10、第二固定座20、弹性件30以及光纤光栅40。

第二固定座20与第一固定座10相间隔设置。间隔距离可以是200mm-210mm，例如200mm、201mm、205mm或者210mm等。弹性件30与第一固定座10和第二固定座20连接，连接方式可以是螺纹配合、卡接或者焊接等，具体在此不作限定。弹性件30可以是橡胶棒或者弹簧等具有弹性的物体。第一固定座10和第二固定座20可以是金属或者金属合金等具有硬度的刚性材料制成。弹性件30位于第一固定座10和第二固定座20之间，也即弹性件30固定连接第一固定座10和第二固定座20，从而使得弹性件30形成稳定的悬空结构。

光纤光栅40穿设第一固定座10和第二固定座20。例如，第一固定座10设有通孔11，第二固定座20的设有通孔21，光纤光栅40穿设通孔11与弹性件30连接然后再从通孔21中穿设，光纤光栅40与弹性件30的连接方式可以是粘接或者焊接等。光纤光栅40可以是贴设在弹性件30的表面，或者容置在弹性件30的中心，只要是能够接收来自弹性件30的应力即可，具体在此不作限定。光纤光栅40是一种通过一定方法(例如掩膜技术等)使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅。

在本申请的实施例中，将具有光栅区41的光纤统称为光纤光栅40。如图1所示，在光纤上具有一个光栅区41，因此统称这根光纤为光纤光栅40，该光栅区41可以是FBG(FiberBragg Grating，光纤布拉格光栅)光栅等。光纤光栅40用于检测弹性件30的形变。在具体的检测过程中，只有光栅区41才可感受弹性件30的形变，也即，当光栅区41受到应变时，通过该光栅区41的光的中心波长会发生变化，由于中心波长的改变和应变成线性相关，所以将该变化波长的光学信号发送至解调分析仪(图未示出)，由解调分析仪计算中心波长的改变量即可得到相应的应变量，从而可以得到沥青材料的变形情况。为了使得光纤光栅40能够均衡地感受到应力变化，光栅区41位于弹性件30的二分之一位置处，且该光栅区41与弹性件30抵接。

可以理解，第一固定座10、第二固定座20和弹性件30在未受到任何力的影响时，第一固定座10、第二固定座20和弹性件30之间处于平衡状态，而弹性件30也是处于稳定的悬空状态，因此光纤光栅40固定连接在弹性件30上也是稳定的悬空状态。当第一固定座10或者第二固定座20或者第一固定座10和第二固定座20受力时，平衡状态被打破，该力会传递到位于第一固定座10和第二固定座20之间弹性件30上，由于光纤光栅40中的光栅区41与弹性件30抵接，因而可以直接测得位于光纤光栅40的中心波长的变化，由于中心波长变化量与应变量成线性相关，而应变量又和沥青材料的形变量成线性相关，因此可以通过测得中心波长来测得位于路面的沥青材料对的形变数据。

通过使用弹性件30连接第一固定座10和第二固定座20连接，使得弹性件30位于第一固定座10和第二固定座20之间，并由光纤光栅40穿设第一固定座10和第二固定座20，且光纤光栅40与弹性件30连接，柔性路面发生形变的力传递到弹性件30，弹性件30再将力传递到该光纤光栅40上，光纤光栅40用于检测弹性件30的形变。通过光纤光栅40检测弹性件30的形变进而间接测得路面形变的情况，上述结构精简稳定，能够抗电磁干扰，从而能够提升对柔性路面监测的准确率。

可选地，参阅图2，光纤光栅传感器100还可包括一片应变片50。此时在该光纤光栅传感器100中只有一根光纤光栅40。应变片50与弹性件30外周面连接，例如，应变片50与弹性件30可通过激光焊接等工艺焊接在一起。光纤光栅40与应变片50连接，连接方式可以是粘接等。

可以理解，光纤光栅传感器100埋入沥青路面内，当有车辆行驶或者温度上升导致沥青材料内部产生形变，形变会导致第一固定座10和第二固定座20之间的距离发生变化，该变化会传递至弹性件30使得弹性件30发生形变，弹性件30将形变产生的力传递至应变片50，光纤光栅40中的光栅区41设置在应变片50上，进而可以测得光纤光栅40的中心波长变化，进而可以得到弹性件30的形变量，由于沥青材料的弯曲形变和弹性件30的形变成线性相关，因此可以准确测出沥青材料的形变状况。

由于光纤光栅40直接与弹性件30连接，当第一固定座10和第二固定座20因为沥青材料的形变而出现大距离变化时，容易出现第一固定座10和第二固定座20相背运动，进而导致位于弹性件30上的光纤光栅40被扯断。而通过在弹性件30上设置应变片50，再将光纤光栅40与应变片50连接，从而可以降低光纤光栅40直接与弹性件30连接而被第一固定座10和第二固定座20扯断的风险，进而可以提升了光纤光栅传感器100的结构稳定性。

可选地，参阅图3和图5，应变片50背离弹性件30的表面可设有凹槽51。凹槽51可以是矩形状，其中凹槽51的长度可以是9mm-11mm，例如9mm、10mm、10.1mm或者11mm等。凹槽51的宽度可以是0.15mm-0.3mm，例如0.15mm、0.2mm、0.25mm或者0.3mm等。凹槽51用于收容光纤光栅40的一部分。该部分光纤光栅40上或者凹槽51可相应设有点胶区(图未示出)，该点胶区可放置胶水，例如环氧树脂等。也即，光纤光栅40的光栅区41位于凹槽51内，且该光栅区41通过胶水粘接在凹槽51内。其中，固定粘接好的状态可如图5所示，从侧面看，该光栅区41可部分容置在凹槽51内，另一部分露出凹槽51。因此只要应变片50受力发生形变，例如凹槽51两相对内壁可以是相向挤压光栅区41等，不论应变片50以何种方式形变，光纤光栅40中的光栅区41都可检测到应变片50的形变影响。通过上述方式，可以更加准确地检测到弹性件30的形变，进而可以测得准确的沥青材料形变数据。

可选地，参阅图4，应变片50沿弹性件30的轴线方向可设有通孔52，光纤光栅40穿设通孔52连接在应变片上，具体地，光纤光栅40中的光栅区41位于通孔52内，在通孔52的开口处或者内部可设置点胶区(图未示出)，点胶区可放置胶水，例如环氧树脂等。也即，光纤光栅40的光栅区41通过粘接固定在通孔52内。通过上述方式，可以使得光纤光栅40的光栅区41处于悬空状态，进而可以增加光纤光栅40的光栅区41的灵敏度，进而可以有效提升检测的准确度。

在一些实施例中，参阅图6，光纤光栅传感器100还可包括多片应变片50，例如2片、3片或者4片等。多片应变片50与弹性件30外周面连接以将弹性件30包围，例如多片应变片50与弹性件30通过焊接固定。多片应变片50之间可以不直接接触，避免相互之间形成干扰。其中，光纤光栅40为多根，例如2根、3根或者4根等。每一应变片50连接一根光纤光栅40，图6中为了更好地显示出效果，并没有画出所有的光纤光栅40，而是示例性地画出两条光纤光栅40和四个应变片50，在具体的应用场景中，每一应变片50上都粘接有光纤光栅40。

可以理解，在每一应变片50上粘接有一根光纤光栅40，即每一应变片50上设有相应的光栅区41进行检测。在弹性件30的周向都设置应变片50并通过对应的光纤光栅40进行检测，只要弹性件30沿周向中的某一方向的发生形变，相应的光纤光栅40都会发生中心波长变化进而可以实现测得弹性件30多个方向的形变。也即，实现对沥青内部材料的多个方向的形变检测。相应地，在第一固定座10和第二固定座20之间可以是多根光纤光栅40间隔分布设置，但是不在第一固定座10和第二固定座20之间的多根光纤光栅40最终还可以耦合到同一根光纤光栅40上，从而减少了光纤光栅40的使用数量，降低成本。通过上述方式，可以实现对柔性路面内的多个方向上的形变进行检测，可以有效提升光纤光栅传感器100的适用性，通过多个方向上的形变数据对比，可以进一步提升检测的准确率。

可选地，参阅图2和图6，光纤光栅传感器100还可包括连接件60，连接件60可以是圆柱形等，连接件60用于将第一固定座10、第二固定座20与弹性件30连接。也即，连接件60的数量可以是2个，其中一个连接件60一端固定连接弹性件30，另一端固定连接第一固定座10，另一个连接件60一端固定连接弹性件30，另一端固定连接第二固定座20，连接方式可以是焊接或者螺纹配合连接等。连接件60设有穿孔(图未示出)，光纤光栅40穿设穿孔。可以理解，连接件60固定连接在第一通孔11和第二通孔21内，光纤光栅40穿设位于连接件60内的穿孔再由第一通孔11和第二通孔21穿出。

可选地，光纤光栅传感器100还可包括密封端(图未示出)，密封端用于密封光纤光栅40，密封端的数量可以是两个，其中一个密封端套设在光纤光栅40且与第一固定座10背离弹性件30的一侧抵接，另一个密封端套设纤光栅40的另一端且与第二固定座20背离弹性件30的一侧抵接，通过上述方式可以有效减少液体(例如水等)进入光纤光栅40内的概率，提升光纤光栅40的抗腐蚀性，进而对光纤光栅40进行保护。

在一些实施例中，参阅图2和图6，光纤光栅传感器100还可包括套筒70，套筒70可以是轻质金属或者塑料等制成，例如套筒70可以是PVC(Polyvinyl chloride，聚氯乙烯)等。套筒70套设在弹性件30和连接件60上。另外，光纤光栅传感器100还可包括密封胶带(图未示出)，密封胶带位于套筒70与第一固定座10、套筒70与第二固定座20的抵接处。密封胶带用于密封套筒70与第一固定座10、第二固定座20之间存在的缝隙，进一步防止液体(例如水等)或者灰尘等进入套筒70中干扰光纤光栅40。通过上述方式可以对光纤光栅40进行隔绝保护，避免外界杂质(例如液体、沥青或者石块等)进入光纤光栅40内。

可选地，参阅图6，连接件60外周面可设有突起部61，突起部61可以是环状。突起部61可以是橡胶等弹性材质制成。突起部61与套筒70的内周面抵接以形成密封，从而可以进一步降低液体或者灰尘等进入通过侧面进入弹性件30，进一步对光纤光栅40进行隔绝保护。减少外界因素(例如水汽或者灰尘等)对光纤光栅40的检测造成的影响。另一方面，通过突起部61可以使得套筒70与弹性件30，或者套筒70与应变片50之间留有间隙，该间隙可以是0.5mm-3mm，例如0.5mm、1mm、2mm或者3mm等。从而可以降低套筒70受到沥青挤压而压坏光纤光栅40的风险。

继续参阅1，第一固定座10及第二固定座20的外周面设置有支撑杆80。例如，在第一固定座10的相对侧设置两个支撑杆80，在第二固定座20的相对侧设置两个支撑杆80。可以理解，通过设置多个支撑杆80可以使得第一固定座10和第二固定座20埋入沥青中利于和沥青材料进行握裹结合，从而使得整个光纤光栅传感器100的固定更加牢固。

可选地，参阅图1、图2和图6，支撑杆80可在水平方向延伸设置。第一固定座10、第二固定座20以及弹性件40是需要埋入沥青中，如果只设置竖直方向上的支撑杆80，例如在第一固定座10的上下方向设置两根支撑杆80、在第二固定座的上下方向设置两根支撑杆80，则在第一固定座10和第二固定座20收到水平方向上的应力时，则容易出现第一固定座10和第二固定座20翻转的情况。因此支撑杆80为水平方向延伸设置，当然在保证水平延伸的基础上，还可以在竖直方向或者其它方向再进一步设置多根支撑杆80。通过上述方式，可以降低沥青内部材料形变而导致第一固定座10和第二固定座20支撑结构不稳定而出现翻转的概率，从而可以使得埋入沥青中的光纤光栅传感器100形成稳定的支撑，进而可以使得光纤光栅传感器100耐碾压，有利于观测点位置固定，进而可以有效提升检测的精确度。

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)

1.一种光纤光栅传感器，其特征在于，包括：

第一固定座；

第二固定座，与所述第一固定座相间隔设置；

弹性件，与所述第一固定座和所述第二固定座连接，且位于所述第一固定座和所述第二固定座之间；以及

光纤光栅，穿设所述第一固定座和所述第二固定座，且与所述弹性件连接，所述光纤光栅用于检测所述弹性件的形变。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器还包括一片应变片，所述应变片与所述弹性件外周面连接，所述光纤光栅与所述应变片连接。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器还包括多片应变片，所述多片应变片与所述弹性件外周面连接以将所述弹性件包围，其中，所述光纤光栅为多根，每一所述应变片连接一根所述光纤光栅。

4.根据权利要求2或3所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述应变片背离所述弹性件的表面设有凹槽，所述凹槽内用于收容所述光纤光栅的一部分。

5.根据权利要求2或3所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述应变片沿所述弹性件的轴线方向设有通孔，所述光纤光栅穿设所述通孔连接在所述应变片上。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器还包括连接件，所述连接件用于将所述第一固定座、所述第二固定座与所述弹性件连接，所述连接件设有穿孔，所述光纤光栅穿设所述穿孔。

7.根据权利要求6所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器还包括套筒，所述套筒套设在所述弹性件和所述连接件上。

8.根据权利要求7所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述连接件外周面设有突起部，所述突起部与所述套筒的内周面抵接，以使得所述套筒与所述弹性件之间留有间隙。

9.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述第一固定座及所述第二固定座的外周面设置有支撑杆。

10.根据权利要求9所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述支撑杆在水平方向延伸设置。

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