CN219301533U - 一种efpi应变传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种EFPI应变传感器，包括依次设置的EFPI敏感结构、角度调节结构、光纤准直器和传输光纤，EFPI敏感结构设置在待测结构表面形成EFPI腔并感知待测结构的应变变化后输出光信号，角度调节结构设置在EFPI敏感结构和光纤准直器之间进行光路转折，光纤准直器将光信号准直后输出至角度调节结构，光纤准直器接收角度调节结构输出的光信号并传输至传输光纤。本实用新型使传统一体化连接的光纤EFPI应变传感器敏感结构和传输光纤在空间上实现分离并具备角度偏折能力，进而使敏感结构和传输光纤在空间上具备二维、三维布局的可能性，本实用新型可根据具体安装工况设计、调节光路，满足传感器和光纤在空间上的角度匹配，降低狭窄空间传感器安装布线限制。

Description

一种EFPI应变传感器

技术领域

本实用新型涉及测量测试技术领域，具体涉及一种EFPI应变传感器。

背景技术

应变测量是结构状态感知与评估的重要环节，被广泛应用于车辆、飞行器、管道等众多装置状态评估中，对装置设计、运行监测具有重要意义。

目前，普遍应用的应变传感器包括电阻应变片、光纤光栅应变传感器、光纤EFPI应变传感器等。其中，电阻应变片根据电阻丝变形时阻值变化进行应变监测，单个测点需要两根电导线进行信号测量。光纤光栅应变传感器利用光栅反射波长漂移进行测量，可以在单根光纤上复用多个测点。光纤EFPI应变传感器采用干涉测量机理，由光纤端面及配合反射面构成EFPI腔，通过光纤反射光信号测量EFPI腔长变化得到应变信息。在上述传感器中，均需依靠电导线或光纤等导线进行信号传输，传感器与导线一体化连接。

在特殊应用工况下，如发动机转子、叶片或管道监测中，往往空间十分狭窄，不支持大曲率半径布线，给传感器导线走线带来了严峻考验。

因此，需要一种可应用在狭窄空间的传感器。

发明内容

本实用新型是为了解决狭窄空间传感器使用的问题，提供一种EFPI应变传感器，通过通过引入空间光路和角度调节器，采用空间光路调节，使传感器与光纤在空间上实现分离，且可根据具体安装工况设计、调节光路，满足传感器和光纤在空间上的角度匹配，有效降低狭窄空间传感器安装布线限制。

本实用新型提供一种EFPI应变传感器，包括依次设置的EFPI敏感结构、角度调节结构、光纤准直器和传输光纤，EFPI敏感结构设置在待测结构表面形成EFPI腔并感知待测结构的应变变化后输出光信号，角度调节结构设置在EFPI敏感结构和光纤准直器之间进行光路转折，光纤准直器和传输光纤连接，光纤准直器将光信号准直后输出至角度调节结构，光纤准直器接收角度调节结构输出的光信号并传输至传输光纤。

本实用新型所述的一种EFPI应变传感器，作为优选方式，EFPI敏感结构与角度调节结构、光纤准直器相邻的一侧由光学透明材料构成，EFPI敏感结构与待测结构的表面垂直，EFPI腔的腔长随待测结构的应变而改变。

本实用新型所述的一种EFPI应变传感器，作为优选方式，还包括与传输光纤电连接的解调装置，解调装置通过传输光纤向光纤准直器输出光信号，解调装置接收光纤准直器输出的光信号并根据光信号特征参数进行EFPI腔长辨识后结合EFPI敏感结构的安装参数得到待测结构表面应变。

本实用新型所述的一种EFPI应变传感器，作为优选方式，EFPI敏感结构包括沿同一方向相邻放置的第一长方体块和第二长方体块，第一长方体块包括第一长方体块左侧表面和第一长方体块右侧表面，第二长方体块包括第二长方体块左侧表面和第二长方体块右侧表面，第一长方体块左侧表面、第一长方体块右侧表面、第二长方体块左侧表面、第二长方体块右侧表面均与第一长方体块的下表面和第二长方体块的下表面垂直，第一长方体块左侧表面和第二长方体块右侧表面均进行粗糙化处理，第一长方体块右侧表面和第二长方体块左侧表面均研磨光滑组成一组干涉界面并形成EFPI腔。

本实用新型所述的一种EFPI应变传感器，作为优选方式，EFPI敏感结构与待测结构体表面的固定方式为以下任意一种：粘接或焊接或螺接。

本实用新型所述的一种EFPI应变传感器，作为优选方式，EFPI敏感结构为以下任意一种：石英、蓝宝石和SiC。

本实用新型所述的一种EFPI应变传感器，作为优选方式，角度调节结构包括设置在待测结构表面的安装面和与安装面相连的反射面。

本实用新型所述的一种EFPI应变传感器，作为优选方式，安装面与反射面的夹角为45°。

本实用新型所述的一种EFPI应变传感器，作为优选方式，反射面为金属或进行过镀金处理。

本实用新型所述的一种EFPI应变传感器，作为优选方式，传输光纤为尾纤或光纤跳线。

一种EFPI应变传感器包括：光纤准直器，用于实现准直光路；EFPI结构，用于感知待测结构应变变化；角度调节器：用于匹配光纤准直器与EFPI结构间空间位置；解调终端，用于发出光信号，并根据返回光信号进行信号处理。

EFPI结构与光纤准直器相邻的一侧应由光学透明材料构成，可以为但不限于石英、蓝宝石、SiC。

EFPI结构具有一组干涉界面构成EFPI腔，该界面具有良好的光学洁净度，且与其安装位置的待测结构体表面垂直。

EFPI结构通过粘接、焊接、螺接等方式安装于待测结构体表面，其干涉界面距离(即EFPI腔长)随结构应变改变而发生变化。

光纤准直器通过尾纤或光纤跳线与解调终端连接，可以将解调终端通过光纤输出的光信号转换为准直平行光束，也可以收集光信号，通过尾纤或光纤跳线传输至解调终端。

角度调节器，可以将入射准直光束角度进行改变，包括但不限于通过45度金属反射面使垂直入射光束改变为平行入射。

解调终端，可以根据EFPI结构反射返回的光信号特征参数进行EFPI腔长辨识，包括但不限于采用宽带光源，通过反射光信号光谱，进行傅立叶变换得到干涉光谱周期信息，进而得到EFPI腔长。

解调终端，通过对EFPI腔长测量，配合EFPI结构安装参数，可以得到待测结构表面应变。

本实用新型公开了一种基于准直光路的非本征法布里-珀罗干涉(EFPI)应变传感器，该传感器通过引入空间准直光路，使传统一体化连接的光纤EFPI应变传感器敏感结构和传输光纤在空间上实现分离。同时，通过引入角度调节器，使空间准直光路具备角度偏折能力，进而使敏感结构和传输光纤在空间上具备二维、三维布局的可能性。该传感器可根据具体安装工况设计、调节光路，满足传感器和光纤在空间上的角度匹配，有效降低狭窄空间传感器安装布线限制。

本实用新型通过引入空间光路和角度调节器，使传感器敏感结构与传输光纤在空间上实现分离，且支持不同角度组合，有效拓展了传感器安装应用范围。

本实用新型具有以下优点：

本实用新型通过引入空间光路设计，使传感器敏感结构与传输光纤在空间上进行分离，进而可以有效扩展传感器的安装使用条件，支持狭窄空间、特殊工况应变测量需求。

附图说明

图1为一种EFPI应变传感器实施例1～2结构示意图；

图2为一种EFPI应变传感器输出的典型干涉光谱图；

图3为一种EFPI应变传感器由图2所示干涉光谱进行傅里叶变换得到的光谱频率分布；

图4为一种EFPI应变传感器的长方体块粘贴式安装应变传递模型图；

图5为一种EFPI应变传感器的实施例3结构示意图。

附图标记：

1、EFPI结构；11、第一长方体块；111、第一长方体块左侧表面；112、第一长方体块右侧表面；12、第二长方体块；121、第二长方体块左侧表面；122、第二长方体块右侧表面；2、角度调节器；21、安装面；22、反射面；3、光纤准直器；4、传输光纤；5、解调装置。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1所示，一种EFPI应变传感器，包括依次设置的EFPI敏感结构1、角度调节结构2、光纤准直器3、传输光纤4和与传输光纤4电连接的解调装置5，EFPI敏感结构1设置在待测结构表面形成EFPI腔并感知待测结构的应变变化后输出光信号，角度调节结构2设置在EFPI敏感结构1和光纤准直器3之间进行光路转折，光纤准直器3和传输光纤4连接，光纤准直器3将光信号准直后输出至角度调节结构2，光纤准直器3接收角度调节结构2输出的光信号并传输至传输光纤4；

EFPI敏感结构1与角度调节结构2、光纤准直器3相邻的一侧由光学透明材料构成，EFPI敏感结构1与待测结构的表面垂直，EFPI腔的腔长随待测结构的应变而改变；

EFPI敏感结构1包括沿同一方向相邻放置的第一长方体块11和第二长方体块12，第一长方体块11包括第一长方体块左侧表面111和第一长方体块右侧表面112，第二长方体块12包括第二长方体块左侧表面121和第二长方体块右侧表面122，第一长方体块左侧表面111、第一长方体块右侧表面112、第二长方体块左侧表面121、第二长方体块右侧表面122均与第一长方体块11的下表面和第二长方体块12的下表面垂直，第一长方体块左侧表面111和第二长方体块右侧表面122均进行粗糙化处理，第一长方体块右侧表面112和第二长方体块左侧表面121均研磨光滑组成一组干涉界面并形成EFPI腔；

EFPI敏感结构1与待测结构体表面的固定方式为以下任意一种：粘接或焊接或螺接；

EFPI敏感结构1为以下任意一种：石英、蓝宝石和SiC；

角度调节结构2包括设置在待测结构表面的安装面21和与安装面21相连的反射面22；

安装面21与反射面22的夹角为45°；

反射面22为金属或进行过镀金处理；

传输光纤4为尾纤或光纤跳线；

解调装置5通过传输光纤4向光纤准直器3输出光信号，解调装置5接收光纤准直器3输出的光信号并根据光信号特征参数进行EFPI腔长辨识后结合EFPI敏感结构1的安装参数得到待测结构表面应变。

实施例2

一种EFPI应变传感器，在本实施例中，EFPI应变传感器如图1所示，包含EFPI结构1，角度调节器2、光纤准直器3、传输光纤4和解调装置5。其中，EFPI结构1由长方体石英块11、长方体石英块12构成的，石英块11左侧表面A、右侧表面B、石英块左侧表面C、右侧表面D均与下表面垂直，其中表面A、D已进行粗糙化处理，表面B、C研磨光滑，构成一组干涉界面形成EFPI腔。角度调节器2是45度等腰三角形块，长边所在平面镀银处理，形成反射界面。

EFPI结构1、角度调节器2通过胶粘，安装于待测金属板表面。光纤准直器3通过支架固定在角度调节器2正上方，其传输光纤4与解调装置5连接。解调装置5输出1530-1580nm宽带光信号，经传输光纤4、光纤准直器3后以平行光束形式射出至角度调节器2反射面，偏折90度后入射至EFPI结构1。EFPI结构1的四个反射面A、B、C、D均会产生反射光信号，经过角度调节器2偏折、光纤准直器收集后，进入解调装置5。

实施例3：

一种EFPI应变传感器，如图5所示，包含EFPI结构1，角度调节器2、光纤准直器3、传输光纤4和解调装置5。EFPI结构1、光纤准直器3、传输光纤4解调装置5均与实施例1相同，仅角度调节器2为等边三角形石英块，其中与EFPI结构1相邻界面通过镀金处理形成反射面。EFPI结构1、角度调节器2通过胶粘，安装于待测金属板5表面。光纤准直器3位于EFPI结构1上方，其光轴与EFPI结构1上表面呈60度。待测金属由解调装置5发出光信号经传输光纤4、光纤准直器3后，入射至角度调节器2反射界面，转换为与EFPI结构1反射面垂直的准直光束，并入射至EFPI结构1。根据光路可逆原理，EFPI结构1反射光信号经角度调节器2转换后，入射至光纤准直器3，而后进入解调装置5。解调装置5信号处理过程与实施例1相同，本例不再赘述。

实施例1～3的解调方法为：

由于表面A、D已经过粗糙化处理，仅B、C表面反射光信号能够形成干涉。对于低反射率表面，其干涉可按双光束干涉处理，解调装置5得到的EFPI应变传感器的典型反射光谱由公式(1)表述，如图2所示。

I(v)＝C₀+C₁cos(4πdv) (1)

其中，C₀、C₁均为常数项，υ为波数，其与波长λ的关系为υ＝1/λ，d为EFPI腔腔长。在滤除直流量后，上式可写作：

I(v)＝∫P(f)exp(i2πfv)df (2)

其中，P为干涉光谱对应的频率谱分布，f为频率，由公式(3)可知，f＝2d。滤除直流量后，通过对上述光谱进行傅立叶变换，即可以得到光谱能量随EFPI腔长分布情况，如图3所示。根据图中峰值所在横坐标，即可得到对应EFPI腔长。

另一方面，由于EFPI结构1中长方体石英块11、12均通过胶接与待测金属板5胶粘连接，其应变传递模型如图4所示，可以由公式(3)给出。

其中，Δd为EFPI腔长变化量，L_in和L_out分别为EFPI结构1安装后的内边界距离和外边界距离。将EFPI腔长变化带入公式(3)，即可得到对应的应变信息，实现应变测量。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种EFPI应变传感器，其特征在于：包括依次设置的EFPI敏感结构(1)、角度调节结构(2)、光纤准直器(3)和传输光纤(4)，所述EFPI敏感结构(1)设置在待测结构表面形成EFPI腔并感知所述待测结构的应变变化后输出光信号，所述角度调节结构(2)设置在所述EFPI敏感结构(1)和所述光纤准直器(3)之间进行光路转折，所述光纤准直器(3)和所述传输光纤(4)连接，所述光纤准直器(3)将光信号准直后输出至所述角度调节结构(2)，所述光纤准直器(3)接收所述角度调节结构(2)输出的光信号并传输至所述传输光纤(4)。

2.根据权利要求1所述的一种EFPI应变传感器，其特征在于：所述EFPI敏感结构(1)与所述角度调节结构(2)、所述光纤准直器(3)相邻的一侧由光学透明材料构成，所述EFPI敏感结构(1)与所述待测结构的表面垂直，所述EFPI腔的腔长随所述待测结构的应变而改变。

3.根据权利要求1所述的一种EFPI应变传感器，其特征在于：还包括与所述传输光纤(4)电连接的解调装置(5)，所述解调装置(5)通过所述传输光纤(4)向所述光纤准直器(3)输出光信号，所述解调装置(5)接收所述光纤准直器(3)输出的光信号并根据光信号特征参数进行EFPI腔长辨识后结合所述EFPI敏感结构(1)的安装参数得到所述待测结构表面应变。

4.根据权利要求1所述的一种EFPI应变传感器，其特征在于：所述EFPI敏感结构(1)包括沿同一方向相邻放置的第一长方体块(11)和第二长方体块(12)，所述第一长方体块(11)包括第一长方体块左侧表面(111)和第一长方体块右侧表面(112)，所述第二长方体块(12)包括第二长方体块左侧表面(121)和第二长方体块右侧表面(122)，所述第一长方体块左侧表面(111)、所述第一长方体块右侧表面(112)、所述第二长方体块左侧表面(121)、所述第二长方体块右侧表面(122)均与所述第一长方体块(11)的下表面和所述第二长方体块(12)的下表面垂直，所述第一长方体块左侧表面(111)和所述第二长方体块右侧表面(122)均进行粗糙化处理，所述第一长方体块右侧表面(112)和所述第二长方体块左侧表面(121)均研磨光滑组成一组干涉界面并形成EFPI腔。

5.根据权利要求1所述的一种EFPI应变传感器，其特征在于：所述EFPI敏感结构(1)与待测结构体表面的固定方式为以下任意一种：粘接或焊接或螺接。

6.根据权利要求1所述的一种EFPI应变传感器，其特征在于：所述EFPI敏感结构(1)为以下任意一种：石英、蓝宝石和SiC。

7.根据权利要求1所述的一种EFPI应变传感器，其特征在于：所述角度调节结构(2)包括设置在所述待测结构表面的安装面(21)和与所述安装面(21)相连的反射面(22)。

8.根据权利要求7所述的一种EFPI应变传感器，其特征在于：所述安装面(21)与所述反射面(22)的夹角为45°。

9.根据权利要求7所述的一种EFPI应变传感器，其特征在于：所述反射面(22)的材质为金属或进行过镀金处理。

10.根据权利要求1所述的一种EFPI应变传感器，其特征在于：所述传输光纤(4)为尾纤或光纤跳线。

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