點焊式光纖光柵應變傳感器及其安裝方法
2023-06-29 19:47:06
點焊式光纖光柵應變傳感器及其安裝方法
【專利摘要】本發明公開了一種點焊式光纖光柵應變傳感器，包括光纖光柵應變傳感器、基體，基體為高彈性合金材料，基體包括基板和一體連接在基體左右兩端的兩個調節塊，兩個調節塊按左右位置分別為左調節塊、右調節塊，在兩個調節塊之間的基體中間部位設有基體槽，光纖光柵應變傳感器外側設有封裝層，封裝層的材質為低熔點玻璃粉，封裝層的下半部分與基體槽連接；在右調節塊上橫向設有調節孔，調節孔內穿設有調節螺釘，調節螺釘的左端頂靠在左調節塊的右側面上；基板的周邊設有密封用的膠層。點焊式光纖光柵應變傳感器以其顯著於傳統電阻應變片的優點，實現了長期全面了解鐵塔輸電線路應變的實時狀態的目的。
【專利說明】點焊式光纖光柵應變傳感器及其安裝方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及傳感器領域。
【背景技術】
[0002]隨著人類社會的不斷進步，日常生活對電的依賴越來越強，輸電的通暢是人們正常生活的保證。輸電線路由於自然和人為原因受到損壞對人們的日常生活造成了巨大影響。
[0003]由於氣象條件的變化，外界環境中輸電線路的外荷載也隨之變化，起主要破壞作用的外荷載之一是大風。安裝在野外的輸電線鐵塔，在舞動條件下的平衡狀態是一個動態變化的過程。這些將直接對高壓輸電線路杆塔的基礎、杆塔、檔距產生影響，並進一步引起高壓輸電線路其它元素的變形，甚至倒塔。由於這是一個緩慢的過程，通過對杆塔主材應力變化的監測可以在杆塔破壞前發出預警，以供電力部門採取相應的措施。這樣就可以避免破壞發生或減小破壞所帶來的損失。
[0004]輸電線路在承受外載荷時應力變化主要反映在連接金具上，而杆塔傾斜時應力變化主要發生塔身主材上，所以應在連接金具和塔身主材上監測應力變化。
[0005]對鐵塔舞動條件下的監測，傳統上主要採用電阻應變片。電阻應變片，以價格便宜、技術成熟、反映速度快等特點，在實驗測試中得到了廣泛的應用。存在的問題是，電阻應變片易受電磁幹擾，壽命短，很難適用於長期的監測。
[0006]電阻應變片有多種形式，常用的有絲式和箔式。它是由直徑為0.02?0.05mm的康銅絲或者鎳鉻絲繞成柵狀(或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀)夾在兩層絕緣薄片(基底)中製成，用鍍錫銅線與應變片絲柵連接作為應變片引線，用來連接測量導線。
[0007]電阻應變片的測量原理為:金屬絲的電阻值除了與材料的性質有關之外，還與金屬絲的長度，橫截面積有關。將金屬絲粘貼在構件上，當構件受力變形時，金屬絲的長度和橫截面積也隨著構件一起變化，進而發生電阻變化。
[0008]dR/R=Ks* ε
其中，Ks為材料的靈敏係數，其物理意義是單位應變的電阻變化率，標誌著該類絲材電阻應變片效應顯著與否。ε為測點處應變，為無量綱的量，但習慣上仍給以單位微應變，常用符號μ ε表不。
[0009]由此可知,金屬絲在產生應變效應時,應變ε與電阻變化率dR/R成線性關係，這就是利用金屬應變片來測量構件應變的理論基礎。
[0010]電阻應變片，以價格便宜、技術成熟、反映速度快等特點，在實驗測試中得到了廣泛的應用。存在的問題是，電阻應變片受潮會降低絕緣電阻和粘結強度，嚴重時會使敏感柵鏽蝕；酸鹼及油類侵入甚至會改變基底和粘接劑的物理性能。易受電磁幹擾，壽命短，很難適用於長期的監測。
[0011]光纖傳感器自20世紀70年代問世以來，受到了廣泛關注，特別是近幾年，光纖傳感器的工程應用研究發展迅速。其中，光纖光柵傳感器是用光纖布拉格光柵作為敏感元件的功能型光纖傳感器，可以直接傳感溫度和應變，而應變是表徵工程結構安全的重要指標，光纖型應變傳感器以其應變靈敏度高(I個微應變)，響應速度快，抗電磁幹擾，體積小(125um)，耐腐蝕(主要成分為二氧化矽)，易於安裝，使用壽命長等特點，在工程結構的安全監測中得到了廣泛的應用，而且對工程結構的應變進行長期，實時，動態的檢測有著非常重要的意義。
[0012]現有點焊式光纖光柵應變傳感器，普遍存在兩個問題:一是由於光纖光柵基體厚薄差距較大，焊接存在較大難度並且焊接距離很短；二是使用普通環氧樹脂膠時存在較大蠕變，降低了長期測量的穩定性。
【發明內容】
[0013]本發明的目的在於提供一種點焊式光纖光柵應變傳感器及其安裝方法，提高負應變測量精度，消除蠕變。
[0014]本發明的技術方案是:
點焊式光纖光柵應變傳感器，包括光纖光柵應變傳感器、基體，基體為高彈性合金材料，基體包括基板和一體連接在基體左右兩端的兩個調節塊，兩個調節塊按左右位置分別為左調節塊、右調節塊，在兩個調節塊之間的基體中間部位設有基體槽，光纖光柵應變傳感器外側設有封裝層，封裝層的材質為低熔點玻璃粉，封裝層的下半部分與基體槽連接；在右調節塊上橫向設有調節孔，調節孔內穿設有調節螺釘，調節螺釘的左端頂靠在左調節塊的右側面上；基板的周邊設有密封用的膠層。
[0015]調節螺釘可以為內六角螺釘。
[0016]所述基板為啞鈴型。
[0017]採用所述的點焊式光纖光柵應變傳感器的安裝方法，安裝步驟為:
第一步，將基板的左端底部焊接在待檢測的連接金具或塔身主材的合適位置上，焊接時採用電容儲能式焊接機，
第二步，將光纖光柵應變傳感器放在基體槽內並將光纖光柵應變傳感器連接至光譜儀，
第三步，將調節螺釘從右調節塊上調節孔沿橫向方向穿過，將調節螺釘的左端頂靠在左調節塊的右側面，調節直至產生500pm的波長漂移，即產生500微應變的預拉力，
第四步，將基板的右端焊接固定；
第五步，採用低熔點玻璃粉將光纖光柵應變傳感器與基體槽封裝在一起。
[0018]其中第四步中，將基板的右端焊接固定後，用膠將基板周邊進行粘接。
[0019]點焊式光纖光柵應變傳感器以其顯著於傳統電阻應變片的優點，實現了長期全面了解鐵塔輸電線路應變的實時狀態的目的。通過應變監測系統的實時監測獲取相關數據信息，然後根據這些數據分析評估輸電線路的運行安全狀態，並在達到預定值時報警，對於電網系統的安全運行具有重大現實意義。
[0020]光纖光柵應變傳感器靈敏度高(I個微應變)、響應速度快、抗電磁幹擾、體積小(125um)、耐腐蝕(主要成分為二氧化矽)、易於安裝、使用壽命長，可對工程結構的應變進行長期、實時、動態的檢測。
[0021]I)安裝後調節光柵預應力的方式，提高負應變測量精度； 2)光柵的封裝採用低熔點玻璃粉作為固定材料，消除蠕變。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是圖1的俯視圖；
圖3是本發明未採用膠層固定且未使用調節螺釘時的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]如圖1所示，本發明包括光纖光柵應變傳感器1、基體2，基體2採用高彈性合金材料，基體2包括基板3和一體連接在基板3左右兩端的兩個調節塊，兩個調節塊分別為左調節塊6、右調節塊7，在兩個調節塊之間的基體3中間部位設有基體槽5，光纖光柵應變傳感器I安裝在基體槽5內。光柵應變傳感器I外側有一層封裝層10,封裝層10的材質為低熔點玻璃粉。封裝層10的下半部分與基體槽5連接，從而將光柵應變傳感器I封裝起來。
[0024]在右調節塊7上橫向設有調節孔4，調節孔4內穿設有調節螺釘8，調節螺釘8可以為內六角螺釘，方便調節。調節螺釘8的左端頂靠在左調節塊6的右側面上。
[0025]基板3為左右兩端較寬而中間部分窄的啞鈴型，先將基板3左端焊接在欲檢測的連接金具或塔身主材上，通過調節螺釘8調節預應力後固定基板3的右端，並且通過膠密封。基板3的周邊設有一層密封用的膠層9，膠層9採用704防水膠。
[0026]待安裝完成後，施加激勵通過高速光纖光柵解調儀採集應變數據。
[0027]現有點焊式光纖光柵應變傳感器，普遍存在兩個問題:一是由於光纖光柵基體厚薄差距較大，焊接存在較大難度並且焊接距離很短；二是使用普通環氧樹脂膠時存在較大蠕變，降低了長期測量的穩定性。本發明針對第一個缺點採用了電容儲能式焊接機，此焊接對電源要求較低，且可進行50米的高空焊接，針對第二個缺點採用低熔點玻璃粉作為固定材料，此材料長期蠕變較小，基本消除了長期的不穩定性。
[0028]整體結構採用高彈性合金材料，該材料焊接性能、防腐蝕性能優越。光纖光柵整體粘附於基體小槽內，通過螺栓可以調節光柵的預拉力(由於彈性基體很薄，厚度只有0.2mm,而且很窄，寬度只有4mm，既通過80N的力可以拉伸出500微應變，先通過一根螺栓通過螺紋穿入，焊接時先焊接一端的兩個支腳，將光纖連接至光譜儀，調節螺釘通過頂住另一端面直至產生500pm的波長漂移，即產生500微應變的預拉力)這樣就提高了負向應變的測量精度。當被測件由外力引起拉伸或者壓縮時，帶動傳感基體協同變形，使得應變傳遞到光纖光柵處達到測量效果。
[0029]光纖光柵應變傳感器的安裝步驟為:
第一步，將基板3的左端底部焊接在待檢測的連接金具或塔身主材的合適位置上，焊接時採用電容儲能式焊接機，
第二步，將光纖光柵應變傳感器I放在基體槽5內並將光纖光柵應變傳感器I連接至光譜儀，
第三步，將調節螺釘8從右調節塊7上調節孔4沿橫向方向穿過，將調節螺釘8的左端頂靠在左調節塊6的右側面上，調節直至產生500pm的波長漂移，即產生500微應變的預拉力， 第四步，將基板3的右端焊接固定；將基板3的右端焊接固定後，用膠將基板3周邊進行粘接。
[0030]第五步，採用低熔點玻璃粉將光纖光柵應變傳感器I與基體槽5封裝在一起。
[0031]比對試驗:
同時在光纖光柵應變傳感器I的相鄰位置安裝電阻應變片，並連接電阻應變儀，進行對比試驗。經試驗，可以看出在反覆施加的六次振幅，周期不同的激勵下，光纖光柵應變傳感器與電阻應變片相應時間，相應幅度基本保持一致，由於安裝測點不能完全做到相同，所以會有略微差異。
[0032]對比實驗可知在位置基本相同的電阻應變片和光纖光柵應變傳感器的各項性能基本相同，達到了預期實驗目的，證明了光纖光柵應變傳感器在舞動鐵塔條件下可以代替電阻應變片使用。
[0033]本發明的有益效果:
1、消除了傳統光纖光柵應變傳感器長期蠕變導致的穩定性降低的困擾。
[0034]2、此種結構對應的焊接技術從安裝以及穩定性上對傳統光纖光柵應變傳感器有了很大的改進。
[0035]3、安裝後調節光柵預應力的方式，提高負應變測量精度；增加靈敏度，有助於在高頻的測量中更有優勢。
[0036]4、光柵的封裝採用低熔點玻璃粉作為固定材料，該材料具有較低的熔化溫度和封接溫度、良好的耐熱性和化學穩定性以及高的機械強度，消除蠕變。普通傳感器大多採用環氧樹脂膠封裝，長期使用過程中由於空氣溼度和反覆使用過程中膠會產生比較大的蠕變(由於負應變的測量使用的是先將光柵拉出一定的預應力在標定零點的方式，所以光柵始終處於受力狀態，如果使用普通環氧樹脂膠長期會導致粘接處鬆動即為蠕變，導致失去預應力，)降低傳感器精度，導致零點漂移，必須要反覆清零，不利於長期測試。
【權利要求】
1.點焊式光纖光柵應變傳感器，其特徵在於:包括光纖光柵應變傳感器、基體，基體為聞彈性合金材料，基體包括基板和一體連接在基體左右兩端的兩個調節塊，兩個調節塊按左右位置分別為左調節塊、右調節塊，在兩個調節塊之間的基體中間部位設有基體槽，光纖光柵應變傳感器外側設有封裝層，封裝層的材質為低熔點玻璃粉，封裝層的下半部分與基體槽連接；在右調節塊上橫向設有調節孔，調節孔內穿設有調節螺釘，調節螺釘的左端頂靠在左調節塊的右側面上；基板的周邊設有密封用的膠層。
2.根據權利要求1所述的點焊式光纖光柵應變傳感器，其特徵在於:調節螺釘可以為內六角螺釘。
3.根據權利要求1或2所述的點焊式光纖光柵應變傳感器，其特徵在於:所述基板為啞鈴型。
4.採用權利要求1~3任一條所述的點焊式光纖光柵應變傳感器的安裝方法，其特徵在於:安裝步驟為: 第一步，將基板的左端底部焊接在待檢測的連接金具或塔身主材的合適位置上，焊接時採用電容儲能式焊接機， 第二步，將光纖光柵應變傳感器放在基體槽內並將光纖光柵應變傳感器連接至光譜儀， 第三步，將調節螺釘從右調節塊上調節孔沿橫向方向穿過，將調節螺釘的左端頂靠在左調節塊的右側面，調節直至產生500pm的波長漂移，即產生500微應變的預拉力， 第四步，將基板的右端焊接固定； 第五步，採用低熔點玻璃粉將光纖光柵應變傳感器與基體槽封裝在一起。
5.根據權利要求4所述的點焊式光纖光柵應變傳感器的安裝方法，其特徵在於:其中第四步中，將基板的右端焊接固定後，用膠將基板周邊進行粘接。
【文檔編號】G01B11/16GK104048615SQ201410304341
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月30日 優先權日:2014年6月30日
【發明者】馬東方, 耿進鋒, 蔡紅生, 張留斌 申請人:國家電網公司, 國網河南省電力公司電力科學研究院