光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器的製作方法

2023-06-03 10:12:21 4

專利名稱：光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種工程結構應變和溫度測量裝置，尤其是對土木工程結構在長期 使用過程中的溫度和應變狀態同時監測的傳感器。
背景技術：
目前，基於電阻原理或者振動原理的傳感器安裝於工程結構上，可測量結構的溫度 和應變反應。但是此類傳感器在工程應用中尚有一定的局限性，如容易受到電磁幹擾而 產生信號失真、長期使用過程中會產生漂移和徐變現象、導線複雜等。也有一部分基於 光學原理的應變或者溫度傳感器可用於結構的應變、溫度測量，但是都只是對單一物理 量的測量，不能滿足結構監測傳感器集成化的要求。
為了開發性能更為優良的傳感器用於結構的狀態監測，選用基於光纖光柵原理的傳 感器是有效的途徑之一。光纖布拉格光柵傳感(Fiber Bragg Grating, FBG)是一種新
型的傳感原理，它以光波為信號載體，並採用波長調製，不受光強的影響，信號穩定， 在土木工程結構的各種場合都具有良好的傳感性能。利用光纖光柵原理製作的應變和溫 度傳感器能有效的測量結構的溫度和應變，且製作出的傳感器具有體積小、測量精度高、 抗電磁幹^fc、耐腐蝕、可靠性和穩定性好、耐久性好等優點。

實用新型內容
技術問題本實用新型的目的是提供一種光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，它 能對工程結構的應變、溫度進行準確的測量；同時，傳感器安裝於結構後，能達到對應 變和溫度的同時測量。
技術方案本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是
本實用新型的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，該傳感器包括光纖光柵應變傳 感器、光纖光柵溫度傳感器、第一不鏽鋼管、第一環氧樹脂；其中光纖光柵應變傳感器 和光纖光柵溫度傳感器布置在第一不鏽鋼管管腔中，所述第一環氧樹脂填充在第一不鏽 鋼管的管腔中；光纖光柵應變傳感器的第一尾纖和第二尾纖分別穿過第一不鏽鋼管的兩 端；所述光纖光柵溫度傳感器包括第二裸光纖光柵、第三環氧樹脂、第四環氧樹脂、金 屬管、導熱液體；其中金屬管的兩端分別用第三環氧樹脂、第四環氧樹脂封閉，金屬管 的管腔中封閉有導熱液體;第二裸光纖光柵的一端穿過第三環氧樹脂伸入金屬管內的導 熱液體處於管腔中，與第四環氧樹脂內表面不接觸，第二裸光纖光柵另一端處於金屬管 的管腔外形成第三尾纖，第三尾纖穿過第一不鏽鋼管的一端與穿過第一不鏽鋼管同一端 的第一尾纖焊接連接。
本實用新型的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，所述光纖光柵應變傳感器由第 一裸光纖光柵、第二環氧樹脂、第二不鏽鋼管組成；第一裸光纖光柵布置在第二不鏽鋼 管中，所述第二環氧樹脂填充在第二不鏽鋼管中，第一裸光纖光柵的一端從第二不鏽鋼 管的一端穿出並在管腔外形成第一尾纖，第一裸光纖光柵的另一端從第二不鏽鋼管的另 一端穿出並在管腔外形成第二尾纖；
本實用新型的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，第一不鏽鋼管是帶凹槽的矩形 不鏽鋼片。
本實用新型的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，所述金屬管的材質為鋁。 本實用新型的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，第一不鏽鋼管的橫截面是圓型 或者矩形。
有益效果利用金屬管封裝的光纖光柵溫度傳感器的溫度測量值對第二不鏽鋼管封 裝的光纖光柵應變傳感器進行補償，達到同時測量結構應變和溫度變化的效果，具有精 度高、傳感器集成度高、對結構影響小、抗電磁幹擾能力強、長期穩定性好等優點。另 外，本實用新型將封裝了光纖光柵的第二不鏽鋼管和金屬管封裝在第一不鏽鋼管中，結 構簡單，製作安裝方便。


圖1是本實用新型的結構縱剖面構造示意圖2是圖1中A-A方向的剖面構造圖3是光纖光柵應變傳感器14的結構縱剖面構造示意圖4是光纖光柵溫度傳感器15的結構縱剖面構造示意圖。
圖中有第一尾纖l;第一不鏽鋼管2;第一環氧樹脂3; 二尾纖4;第三尾纖5; 第二不鏽鋼管6;第二環氧樹脂7;第一裸光纖光柵8;第三環氧樹脂9;金屬管10; 第四環氧樹脂ll;第二裸光纖光柵12，導熱液體13。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型的技術方案進行詳細說明
如圖1 圖4所示，本實用新型的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器包括第一尾 纖l;第一不鏽鋼管2;第一環氧樹脂3;第二尾纖4;第三尾纖5;第二不鏽鋼管6; 第二環氧樹脂7;第一裸光纖光柵8;第三環氧樹脂9;金屬管10;第四環氧樹脂ll; 第二裸光纖光柵12，導熱液體13;其中將第二不鏽鋼管6採用酒精洗淨烘乾後固定於 實驗臺座，第一裸光纖光柵8的光柵段去除塗敷層並用脫脂棉球蘸酒精擦淨後穿過第二
不鏽鋼管6，分別在兩端形成第一尾纖1和第二尾纖4，調整實驗臺座使第一裸光纖光 柵8具有一定的預拉應變並保持平直且位於第二不鏽鋼管6的中心，在第二不鏽鋼管6 中灌入第二環氧樹脂7，加熱使第二環氧樹脂7凝固；將金屬管10採用酒精洗淨烘乾 後固定於實驗臺座，利用第四環氧樹脂11將金屬管10右端封閉，加熱使第四環氧樹脂 ll凝固，在金屬管10中灌滿導熱液體13，第二裸光纖光柵12的光柵段去除塗敷層並 用脫脂棉球蘸酒精擦淨後剪除右端尾纖，並將第二裸光纖光柵12從左端穿入金屬管10 並使光纖右端與第四環氧樹脂11內表面有一定距離，第二裸光纖光柵12的另一端在金 屬管10的管腔外形成第三尾纖5，調整實驗臺座使第二裸光纖光柵12位於金屬管中心， 利用第三環氧樹脂9將金屬管10左端封閉，加熱使第三環氧樹脂9凝固；將第二不鏽 鋼管6封裝的第一光纖光柵8和金屬管10封裝的第二光纖光柵12並排放置於第一不鏽 鋼管2中心，在第一不鏽鋼管2中灌入第一環氧樹脂3，加熱使第一環氧樹脂3凝固； 將第一尾纖1和第三尾纖5在第一不鏽鋼管2的外部焊接連接。
第二不鏽鋼管6和金屬管10的內徑略大於第一裸光纖光柵8的直徑、璧厚儘量小， 第一不鏽鋼管2的內徑比第二不鏽鋼管6和金屬管10的外徑之和略大，第一不鏽鋼管 2的壁厚可以根據結構測試的實際需要進行調整，第一不鏽鋼管2也可換成帶凹槽的矩 形不鏽鋼片。金屬管10的材質可為鋁或其他金屬材料；第一不鏽鋼管2的橫截面也可 做成圓型或者矩形。
第一不鏽鋼管2作為傳感器的外部結構，它主要起保護內部結構和將工程結構的應 變和溫度傳遞給內部結構的作用；第二不鏽鋼管6封裝的第一裸光纖光柵8構成應變傳 感器14，金屬管10封裝的第二裸光纖光柵12構成不受應變影響的溫度傳感器15，它 們是傳感器的主體。當結構同時產生應變和溫度變化時，第一不鏽鋼管2通過第一環氧 樹脂3將應變和溫度同時傳遞給第二不鏽鋼管6和金屬管10。金屬管10內部的第二裸光纖光柵12與金屬管10內壁分離，可以自由伸縮，不會由於金屬管10的應變而產生 工作波長漂移，而溫度則會通過導熱液體13傳播至第二裸光纖光柵12而引起其工作波 長的漂移，從而通過金屬管10封裝的第二裸光纖光柵12作為溫度傳感器14隻能測得 結構的溫度變化。第二不鏽鋼管6內部的第一裸光纖光柵8通過第二環氧樹脂7的傳遞 作用同時感受結構的應變和溫度變化，引起第一裸光纖光柵8工作波長漂移而作為應變 傳感器15。利用溫度傳感器14的溫度測量值對應變傳感器15的波長漂移進行補償， 從而得到結構的應變。
權利要求1、一種光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，其特徵在於該傳感器包括光纖光柵應變傳感器(14)、光纖光柵溫度傳感器(15)、第一不鏽鋼管(2)、第一環氧樹脂(3)；其中光纖光柵應變傳感器(14)和光纖光柵溫度傳感器(15)布置在第一不鏽鋼管(2)管腔中，所述第一環氧樹脂(3)填充在第一不鏽鋼管(2)的管腔中；光纖光柵應變傳感器(14)的第一尾纖(1)和第二尾纖(4)分別穿過第一不鏽鋼管(2)的兩端；所述光纖光柵溫度傳感器(15)包括第二裸光纖光柵(12)、第三環氧樹脂(9)、第四環氧樹脂(11)、金屬管(10)、導熱液體(13)；其中金屬管(10)的兩端分別用第三環氧樹脂(9)、第四環氧樹脂(11)封閉，金屬管(10)的管腔中封閉有導熱液體(13)；第二裸光纖光柵(12)的一端穿過第三環氧樹脂(9)伸入金屬管(10)內的導熱液體(13)處於管腔中，與第四環氧樹脂(11)內表面不接觸，第二裸光纖光柵(12)另一端處於金屬管(10)的管腔外形成第三尾纖(5)，第三尾纖(5)穿過第一不鏽鋼管(2)的一端與穿過第一不鏽鋼管(2)同一端的第一尾纖(1)焊接連接。
2、 根據權利要求1所述的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，其特徵在於所 述光纖光柵應變傳感器(14)由第一裸光纖光柵(8)、第二環氧樹脂(7)、第二不鏽鋼 管(6)組成；第一裸光纖光柵(8)布置在第二不鏽鋼管(6)中，所述第二環氧樹脂(7)填充在第二不鏽鋼管(6)中，第一裸光纖光柵(8)的一端從第二不鏽鋼管(6) 的一端穿出並在管腔外形成第一尾纖(1)，第一裸光纖光柵(8)的另一端從第二不鏽 鋼管(6)的另一端穿出並在管腔外形成第二尾纖(4);
3、 根據權利要求1所述的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，其特徵在於第 一不鏽鋼管(2)是帶凹槽的矩形不鏽鋼片。
4、 根據權利要求1所述的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，其特徵在於所述金屬管(10)的材質為鋁。
5、 根據權利要求1所述的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，其特徵在於第一不鏽鋼管(2)的橫截面是圓型或者矩形。
專利摘要本實用新型提供一種光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，它是利用第二不鏽鋼管封裝裸光纖光柵形成光纖光柵應變傳感器，利用金屬管封裝裸光纖光柵形成不受應變影響的光纖光柵溫度傳感器，並採用環氧樹脂將光纖光柵應變傳感器和溫度傳感器並排封裝在第一不鏽鋼管中。當傳感器安裝於工程結構上時，在結構發生應變和溫度變化時，第一不鏽鋼管產生變形並通過環氧樹脂將結構的溫度和應變傳遞給內部的光纖光柵應變傳感器和不受應變影響的光纖光柵溫度傳感器，利用溫度傳感器對應變傳感器的測量值進行補償，達到對結構應變和溫度的同時測量。
文檔編號G01B11/16GK201382778SQ20092004068
公開日2010年1月13日 申請日期2009年4月22日 優先權日2009年4月22日
發明者丁幼亮, 周廣東, 李愛群 申請人:東南大學