一種高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應變傳感器的製作方法

2023-10-06 08:23:59

本發明屬於光纖傳感技術領域，涉及一種高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應變傳感器。

背景技術：

光纖光柵傳感器作為一種新型光纖無源器件，以其全光傳輸、抗電磁幹擾、耐腐蝕、高電絕緣性、低傳輸損耗、測量範圍寬、便於復用成網、可微型化等優點，得到世界範圍內的廣泛關注，成為傳感領域內發展最快的技術之一，在土木工程、航空航天、石油化工、電力、醫療、船舶工業等領域取得廣泛應用。

應變測量是監測結構安全狀況的重要手段，不同應用場合和不同材料結構所需的應變解析度和應變量程存在區別。目前，絕大多數光纖光柵應變傳感器沒有採用增敏結構，其應變量程一般為±1500με，應變靈敏度1.2pm/με，主要用於應變較大場合，如橋梁、隧道、鐵塔、管道等。然而，在微小應變測量場合，其應變靈敏度過低，應變量程過大。

目前，已有研究人員提出過一些增敏結構，如專利201220154883.8和201220207094.6，其主要通過控制安裝塊之間的距離大於固定光纖光柵兩端粘接劑之間的距離來提高應變靈敏度，但是該方法只能得到某一個特定的應變靈敏度和對應的應變量程，而無法滿足不同的應用場合。由此，專利201521078307.x和201611066853.0對此做了進一步的改進，分別提出了一種靈敏度可調的光纖光柵應變傳感器的封裝結構。前者主要是通過改變蓋板在安裝底座上的位置來調整光纖光柵受應變作用的長度，從而改變光纖光柵的應變靈敏度和應變量程。後者主要是通過在兩組轉動臂上設置多組光纖牽引孔，每組光纖牽引孔對應一种放大比例，來增大光纖光柵的應變靈敏度和應變量程。但是這兩種封裝結構帶來的光纖光柵應變靈敏度的增加量主要取決於傳感器安裝距離與光纖光柵固定間距之比，在對傳感器封裝尺寸有嚴格限制的場合，其靈敏度的增加量有限，並不能滿足所用場合的高靈敏度要求。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術存在的缺陷，本發明的目的在於提供一種高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應變傳感器，該傳感器結構設計合理，能夠進行溫度補償，調節應變靈敏度和量程。

本發明是通過以下技術方案來實現：

本發明公開的一種高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應變傳感器，包括應變測量光纖光柵、溫度補償光纖光柵、轉動機構及伸縮機構；應變測量光纖光柵設置於轉動機構頂端，溫度補償光纖光柵穿設於伸縮機構內，應變測量光纖光柵與溫度補償光纖光柵平行設置；

轉動機構包括交叉設置的轉動杆ⅰ和轉動杆ⅱ，伸縮機構包括伸縮杆ⅰ和伸縮杆ⅱ，轉動杆ⅰ底端與伸縮杆ⅰ端部鉸接，轉動杆ⅱ底端與伸縮杆ⅱ端部鉸接；

在伸縮機構外還套設有用於調節伸縮杆ⅰ和伸縮杆ⅱ之間的距離的調節套筒。

所述轉動杆ⅰ和轉動杆ⅱ均呈z型，包括桿身、上臂及下臂，轉動杆ⅰ的桿身和上、下臂均為實心結構，轉動杆ⅱ的桿身及上臂為中空結構，下臂為實心結構，轉動杆ⅰ的桿身能夠插入轉動杆ⅱ的桿身的中空結構內；轉動杆ⅰ、轉動杆ⅱ的下臂的底端固定於待測結構的表面。

轉動杆ⅰ和轉動杆ⅱ的下臂上均開設鉸接孔，伸縮杆ⅰ和伸縮杆ⅱ的端部各設有一個鉸接銷；轉動杆ⅰ和伸縮杆ⅰ通過轉動杆ⅰ的鉸接孔和伸縮杆ⅰ上的鉸接銷相鉸接，轉動杆ⅱ和伸縮杆ⅱ通過轉動杆ⅱ上的鉸接孔和伸縮杆ⅱ上的鉸接銷相鉸接。

轉動杆ⅰ和轉動杆ⅱ的上臂頂部開設半圓形槽，應變測量光纖光柵粘結於半圓形槽內。

設轉動杆ⅰ下臂底端與轉動杆ⅱ下臂底端之間的距離為l1，應變測量光纖光柵在轉動杆ⅰ與轉動杆的上臂頂部半圓形槽中固定點之間的距離為l2，則有l1＞l2；

設轉動杆ⅰ、轉動杆ⅱ的下臂底端距離鉸接孔的距離為h1，轉動杆ⅰ、轉動杆ⅱ的上臂頂端距離鉸接孔的距離為h2，則有h1＜h2；

當待測結構的應變為ε時，應變測量光纖光柵的應變為應變測量光纖光柵的應變靈敏度提高到原來的倍。

在轉動杆ⅰ、轉動杆ⅱ的桿身上的均設置若干三角形銷孔，通過設置與所述三角形銷孔配合的三角形銷將轉動杆ⅰ和轉動杆ⅱ位置固定。

伸縮杆ⅰ和伸縮杆ⅱ為中空杆體，且杆體內壁開設半圓形槽，溫度補償光柵穿過中空杆體且粘結於半圓形槽內。

伸縮杆ⅰ、伸縮杆ⅱ和調節套筒之間通過螺紋旋接，伸縮杆ⅰ上的左旋螺紋與調節套筒上的左旋螺紋孔相旋接，伸縮杆ⅱ上的右旋螺紋與調節套筒上的右旋螺紋孔相旋接；在伸縮杆ⅰ和伸縮杆ⅱ上還設有用於固定調節套筒的緊固螺母。

轉動杆ⅰ、轉動杆ⅱ、伸縮杆ⅰ和伸縮杆ⅱ均採用殷鋼製成。

與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：

本發明公開的高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應變傳感器，包括相互鉸接的轉動機構和伸縮機構，轉動機構包括兩個交叉設置的轉動杆，伸縮機構亦由兩個伸縮杆組成，將應變測量光纖光柵設置在兩個轉動杆頂端，將溫度補償光纖光柵穿設在伸縮機構內，在伸縮機構外還套設有調節套筒，能夠通過調節套筒來調節兩個伸縮杆之間的距離，實現傳感器應變測量光纖光柵應變靈敏度的調節。本發明利用轉動機構和伸縮機構的長度變化來實現雙級放大，該傳感器在對封裝尺寸有嚴格限制的場合，依然能提供很高的應變靈敏度，且可以調節應變靈敏度和量程。同時，該傳感器可以進行溫度補償，剔除溫度對應變測量的影響。

進一步地，兩個轉動杆下臂底端之間的距離l1大於應變測量光纖光柵固定點之間的距離l2，兩個轉動杆下臂底端距鉸接孔的距離h1小於兩個轉動杆上臂頂端距鉸接孔的距離h2，可根據傳感器的應用場合及應變靈敏度要求事先計算確定得出l1、l2、h1、h2的值，且l1、l2還可通過轉動機構和伸縮機構及調節套筒進行進一步的調節，實現應變測量光纖光柵的應變靈敏度的雙級放大，將應變靈敏度提高到原來的倍。

進一步地，為了能夠準確的測量出物體的負應變，會對應變測量光纖光柵進行預拉伸，在轉動杆ⅰ、轉動杆ii的桿身上分別設有若干三角形銷孔(進一步優選地，設置三組三角形銷孔)，當對應變測量光纖光柵進行預拉伸後，將三角形銷插入到轉動杆ⅰ、轉動杆ⅱ上的三角形銷孔中來防止應變測量光纖光柵的預拉伸釋放。當轉動杆ⅰ、轉動杆ⅱ的底端固定於待測結構表面後，拔出三角形銷，傳感器進入正常工作狀態。三角形銷孔能夠與調節套筒和伸縮杆ⅰ、伸縮杆ⅱ相配合共同實現應變測量光纖光柵應變靈敏度的進一步調節，不同的距離l1對應不同位置的三角形銷孔。

附圖說明

圖1為高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應變傳感器的立體結構示意圖；

圖2為高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應變傳感器的結構主視圖；

圖3為轉動機構的轉動杆ⅰ和轉動杆ⅱ的結構示意圖；

圖4為伸縮機構的伸縮杆ⅰ和伸縮杆ⅱ的結構示意圖；

圖5為三角形銷結構示意圖。

其中，1、應變測量光纖光柵；2、溫度補償光纖光柵；3、尾纖；4、轉動杆ⅰ；5、轉動杆ⅱ；6、伸縮杆ⅰ；7、伸縮杆ⅱ；8、緊固螺母ⅰ；9、緊固螺母ⅱ；10、調節套筒；11、三角形銷；12、轉動杆ⅰ和轉動杆ⅱ上的半圓形槽；13、轉動杆ⅰ和轉動杆ⅱ上的鉸接孔；14、伸縮杆i和伸縮杆ⅱ上的半圓形槽；15、伸縮杆ⅰ和伸縮杆ⅱ上的鉸接銷；16、伸縮杆ⅰ上的左旋螺紋；17、伸縮杆ⅱ上的右旋螺紋；18、伸縮杆ⅰ和伸縮杆ⅱ上的軸線中心深孔；19、調節套筒上的左旋螺紋孔；20、調節套筒上的右旋螺紋孔；21、轉動杆ⅰ、轉動杆ⅱ的底端；22、轉動杆ⅰ和轉動杆ⅱ的頂端；23、轉動杆ⅰ和轉動杆ⅱ的三角形銷孔。

具體實施方式

下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。

參見圖1和圖2，本發明公開的一種高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應變傳感器，包括應變測量光纖光柵1、溫度補償光纖光柵2、尾纖3；還包括轉動機構和伸縮機構，應變測量光纖光柵1設置於轉動機構頂端，溫度補償光纖光柵2穿設於伸縮機構內，應變測量光纖光柵1與溫度補償光纖光柵2平行設置；溫度補償光纖光柵2能夠實時監測環境溫度，在後續測量數據處理中可剔除環境溫度對應變測量光纖光柵1測量結果的影響。

轉動機構包括交叉設置的轉動杆ⅰ4和轉動杆ⅱ5，伸縮機構包括伸縮杆ⅰ6和伸縮杆ⅱ7，轉動杆ⅰ4底端與伸縮杆ⅰ6端部鉸接，轉動杆ⅱ5底端與伸縮杆ⅱ7端部鉸接；在伸縮機構外還套設有用於調節伸縮杆ⅰ6和伸縮杆ⅱ7之間的距離的調節套筒10。

參見圖3，轉動杆ⅰ4和轉動杆ⅱ5均呈z型，包括桿身、上臂及下臂，轉動杆ⅰ4的桿身和上、下臂均為實心結構，轉動杆ⅱ5的桿身及上臂為中空結構，下臂為實心結構，轉動杆ⅰ4的桿身能夠插入轉動杆ⅱ5桿身的中空結構內；轉動杆ⅰ4、轉動杆ⅱ5的下臂的底端21固定於待測結構的表面，優選地，採用膠粘、螺釘固定或者焊接方式固定於待測結構表面；

參見圖3和圖4，轉動杆ⅰ4和轉動杆ⅱ5的下臂上均開設鉸接孔13，伸縮杆ⅰ6和伸縮杆ⅱ7的端部各設有一個鉸接銷15；轉動杆ⅰ4和伸縮杆ⅰ6通過轉動杆ⅰ4的鉸接孔13和伸縮杆ⅰ6上的鉸接銷15相鉸接，轉動杆ⅱ5和伸縮杆ⅱ7通過轉動杆ⅱ5上的鉸接孔13和伸縮杆ⅱ7上的鉸接銷15相鉸接。

在轉動杆ⅰ4、轉動杆ⅱ5的桿身上的均設置若干三角形銷孔23，通過設置與所述三角形銷孔23配合的三角形銷11將轉動杆ⅰ4和轉動杆ⅱ5位置固定。三角形銷11的結構參見圖5，為了測量物體的負應變，會對應變測量光纖光柵進行預拉伸，優選地，本實施例的轉動杆ⅰ4、轉動杆ⅱ5上分別設有三組三角形銷孔，當對應變測量光纖光柵進行預拉伸後，將三角形銷11插入到轉動杆ⅰ、轉動杆ⅱ上的三角形銷孔23中來防止應變測量光纖光柵的預拉伸釋放。當轉動杆ⅰ4、轉動杆ⅱ5的底端固定於待測結構表面後，拔出三角形銷11，傳感器進入正常工作狀態。

參見圖4，伸縮杆ⅰ6和伸縮杆ⅱ7為中空杆體，杆體中心為軸線中心深孔18，溫度補償光纖光柵2穿過伸縮杆ⅰ6、伸縮杆ⅱ7的軸線中心深孔18，伸縮杆ⅰ和伸縮杆ⅱ上開設半圓形槽14，溫度補償光纖光柵2通過膠粘或低溫玻璃焊料粘結於伸縮杆i和伸縮杆ⅱ上的半圓形槽14內。應變測量光纖光柵1通過膠粘或低溫玻璃焊料粘結於轉動杆ⅰ和轉動杆ⅱ上的半圓形槽12內。

參見圖2，伸縮杆ⅰ6、伸縮杆ⅱ7和調節套筒10之間通過螺紋旋接，伸縮杆ⅰ6上的左旋螺紋16與調節套筒10上的左旋螺紋孔19相旋接，伸縮杆ⅱ7上的右旋螺紋17與調節套筒10上的右旋螺紋孔20相旋接；在伸縮杆ⅰ6和伸縮杆ⅱ7上還分別設有一個用於固定調節套筒10的緊固螺母，緊固螺母ⅰ8、緊固螺母ⅱ9上的螺紋分別為左旋和右旋，分別與伸縮杆ⅰ6、伸縮杆ⅱ7相旋合固定調節套筒10的左右兩端。

參見圖2，設轉動杆ⅰ4下臂底端與轉動杆ⅱ5下臂底端之間的距離為l1，應變測量光纖光柵1在轉動杆ⅰ4、轉動杆5的上臂頂部半圓形槽中固定點之間的距離為l2，則有l1＞l2；

設轉動杆ⅰ4、轉動杆ⅱ5的下臂底端距離鉸接孔13的距離為h1，轉動杆ⅰ4、轉動杆ⅱ5的上臂頂端距離鉸接孔13的距離為h2，則有h1＜h2；

當待測結構的應變為ε時，應變測量光纖光柵1的應變為應變測量光纖光柵1的應變靈敏度提高到原來的倍。

可通過旋轉調節套筒10來調節伸縮杆ⅰ6、伸縮杆ⅱ7的鉸接銷15之間的距離，即轉動杆ⅰ4、轉動杆ⅱ5固定於待測結構表面的兩個底端21之間的距離l1，實現應變測量光纖光柵1應變靈敏度的調節。

所述的轉動杆ⅰ4、轉動杆ⅱ5、伸縮杆ⅰ6、伸縮杆ⅱ7、調節套筒10材料均為膨脹係數極低、彈性模量較大的殷鋼。

本發明的具體測量過程如下：

首先，光纖光柵是利用光纖材料的光敏性(外界入射光子和纖芯內鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化)，在纖芯內形成空間相位光柵，其作用實質上是在纖芯內形成一個窄帶的(透射或反射)濾波或反射鏡。其反射波中心波長滿足布拉格條件：

λb＝2neffλ

式中：neff為纖芯等效折射率，λ為光柵周期。

由此可見，反射波中心波長λb，與纖芯等效折射率neff和光柵周期λ有關。

光纖光柵傳感器基本原理為：當光纖光柵周圍的溫度、應力或應變改變時，將引起纖芯等效折射率neff和光柵周期λ的變化，從而使光纖光柵的反射波中心波長λb發生漂移δλb，通過測量反射波中心波長λb的漂移情況，即可獲得待測物理量的變化情況，即

式中：kt為光纖光柵溫度傳感靈敏度係數，kε為光纖光柵應變傳感靈敏度係數。

根據上述基本原理，本發明的應變測量光纖光柵的反射波中心波長λb會隨著溫度δt和應變δε的改變而發生漂移；由於不受應變作用，溫度補償光纖光柵的反射波中心波長λb僅隨著溫度δt的改變而發生漂移，其公式如下：

其中，和可通過光纖光柵解調儀測得；作為一種規格參數，對於每一根光纖光柵來說是定值；均可通過實驗測得。所以，根據以上兩式，可解出δt和δε，從而實現溫度補償，剔除溫度對應變測量的影響。與此同時，也對溫度進行了測量。

其次，當被測結構的應變為ε時，轉動杆ⅰ、轉動杆ⅱ固定於待測結構表面的兩個底端之間的距離的變化量δl1＝εl1。由槓桿原理可知，當δl1數值相對於轉動杆ⅰ、轉動杆ⅱ的結構尺寸足夠小時，由此可得，即實現了應變測量光纖光柵的應變靈敏度的雙級放大，將應變測量光纖光柵的應變靈敏度提高到原來的倍。

上述實施例僅為本發明的一種優選實施方式。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，凡是通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案採取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。