一種基於光纖光柵的超大應變傳感器的製造方法

2023-05-25 04:08:31

一種基於光纖光柵的超大應變傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於光纖光柵的超大應變傳感器，通過在基底(11)上設計雙彈性結構，使內側的彈性結構剛度大於外側的彈性結構剛度，將一根帶有預應力的光纖光柵(8)固定在內、外側彈性結構之間，保證在應變的作用下，內側彈性結構(3)與外側彈性結構(2)受到相同的拉伸或壓縮力，由於兩者的剛度的不同，因此內側彈性結構(3)的拉伸長度小於外側彈性結構(2)的拉伸長度，即使內側彈性結構(3)的應變量小於外側彈性結構(2)的應變量，從而實現了超大應變的測量。對比現有技術，本發明具有工藝簡單，結構穩定，測量準確，可以提供超大應變量(±3000με及以上)的測量等優點。
【專利說明】一種基於光纖光柵的超大應變傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超大應變傳感器，特別涉及一種基於光纖光柵的超大應變傳感器，屬於光纖傳感器【技術領域】。
【背景技術】
[0002]光纖光柵傳感器是目前光纖傳感領域研究的熱點之一，在航空、航天、化學醫藥、材料工業、水利電力、船舶、煤礦、土木工程等各個領域都有廣泛的應用。
[0003]光纖傳感技術是70年代中期發展起來的一門新技術。它是伴隨著光纖及光通信技術的發展而逐步形成的。光纖光柵傳感器是在光纖光柵的基礎上發展起來的一種波長調製型光學傳感器，包含對被測目標的探測和傳輸兩種功能。它以光纖為傳輸介質，當光纖光柵所在環境參數發生變化時，光波的傳輸特性會隨之改變，利用光纖光柵的這一特性可以實現對應變、溫度等參數的測量。光纖光柵傳感器與傳統的電子類傳感器相比具有耐高溫高壓、抗腐蝕、體積小、重量輕，易於集成和埋覆測量、本質防爆、抗電磁幹擾等優點。
[0004]中國人民解放軍工程大學的授權號為CN101571380B的光纖光柵大應變傳感器中，由光纖光柵及基底組成，該傳感器主要通過設計單一的彈性結構，克服基底材料的屈服強度，可以實現對±2500μ ε範圍內的測量。該專利敘述通過減小彈性結構可提升應變測量範圍，實際提升僅為正應變的測量範圍，但無法提高負應變的測量範圍。
[0005]美國專利號為U.S.Pat.N0.7068869的專利中提到了一種基於光纖光柵的應變傳感器，其設計排除了溫度對應變測量的影響。該傳感器的主要由光纖光柵及框架組成，光纖光柵測量框架的應變量±1500 μ ε，將框架安裝到被測物體表面，以實現對被測物體的應變測量。
[0006]上述兩種光纖光柵應變傳感器分別可以實現±2500 μ ε和±1500μ ε應變量的測量。在實際測試中，針對±3000μ ε及以上測試中還有很多的需求。因此，針對以上問題，提出了一種基於光纖光柵的超大應變傳感器，為擴大光纖光柵應變傳感器的使用範圍提供了必要條件。

【發明內容】

[0007]本發明的目的是為解決現有光纖光柵應變傳感器無法對超出±3000 μ ε範圍的被測目標進行測量的問題，尤其是負應變測量範圍無法提升的現狀，設計實現了一種基於光纖光柵的超大應變傳感器。
[0008]本發明的目的是通過下述技術方案實現的:
[0009]—種基於光纖光柵的超大應變傳感器，是由基底和帶有光纖光柵的光纖組成的。基底由從兩側至中間的基底固定區、外側彈性結構、內側彈性結構和連接區，連接區與其兩端的內側彈性結構直接相連，內、外側彈性結構之間和外側彈性結構與基底固定區之間通過U形或弧形或其它形狀的過渡段連接，各組成部分採用一體式結構。將帶有光柵的光纖放置於位於基底縱軸線中心的凹槽內，根據不同長度光柵的尺寸設計連接區的尺寸，保證光纖光柵兩端置於基底的內、外側彈性結構連接區，通過焊接或膠粘等方式固定在光纖光柵與基底固定區，光纖沿著基底與光纖光柵成一條直線固定於基底固定區，最終實現了光纖光柵超大應變傳感器的製作。其中，基底固定區與被測體可採用膠粘或點焊等形式固定；基底中包括內側和外側兩套不同的彈性結構，每套彈性結構可由多個環狀平面彈簧組成，其中要求外側彈性結構剛度滿足小於內側彈性結構條件，以實現應變量的放大作用，提高測量範圍；連接區可以根據不同光纖光柵的長度進行調整；基底的內、外側彈性結構連接區是光纖光柵與基底的固定區域，可採用膠粘或者焊接等方式將光纖光柵與光纖光柵與基底固定區進行連接；採用膠粘或者焊接等方式將光纖光柵外側的光纖與基底固定區的光纖與基底固定區進行連接；光纖光柵作為敏感元件實現對應變量的測量，光纖為信號傳輸部分。
[0010]本發明的原理是在應變的作用下，整個基底(I)受到拉伸或壓縮力的作用，由力的相互作用可知，內側彈性結構(3)與外側彈性結構(2)受到相同的拉伸或壓縮力，由於兩者的剛度的不同，因此內側彈性結構(3)的拉伸長度小於外側彈性結構(2)的拉伸長度，即使內側彈性結構⑶的應變量小於外側彈性結構⑵的應變量，從而實現超大應變的測量。本發明充分利用了彈性結構應變分配的特性，同時巧妙設計了光纖光柵(4)的安裝位置，將光纖光柵(4)安裝於內側彈性結構(3)與外側彈性結構(2)之間；另外，將彈性結構的變形與光纖光柵(4)的變形進行了分離，可以有效解決彈性結構變形不均勻的矛盾。
[0011 ] 本發明根據目前光纖光柵應變傳感器的現狀及未來發展方向，針對目前應變測量範圍的限制，通過設計一種降敏結構，在基底上設置兩套彈性結構，保證基底上內側彈性結構的剛度大於外側彈性結構的剛度，將加載一定預應力的光纖光柵固定在內外側彈性結構之間。在應變的作用下，基底整體產生應變量，內側彈性結構的應變量小於外側彈性結構的應變量，同時內側彈性結構帶動光纖光柵產生拉伸或者壓縮的變形。通過內外側彈性結構比例關係得出最終測量的應變值，由此實現超大應變量±3000 μ ε及以上的測量。
[0012]本發明的有益效果和特點:
[0013]本發明將基底設計為帶有內、外側不同剛度的彈性結構，保證內側彈性結構的剛度大於外側彈性結構的剛度，將帶有預應力的光纖光柵置於內側與外側彈性結構之間，從而實現超大應變的測量。本發明工作原理簡單，製作簡便，結構靈巧，成本低，可實現長距離超大應變的實時監控。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的一個傳感器案例的結構示意圖，圖2為該案例基底結構示意圖。
[0015]其中，1-基底固定區、2-外側彈性結構、3-內側彈性結構、4-光纖光柵與基底固定區、5-光纖與基底固定區、6-U形過渡段、7-連接區、8-光纖光柵、9-光纖、10-凹槽，11-基
。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實施例對本發明的實施方式做詳細說明。
[0017]如附圖1所示，本發明提供的一種基於光纖光柵的超大應變傳感器，包括基底
(11)和帶有光纖光柵⑶的光纖(9),其中光纖光柵⑶選用柵長為IOmm的光柵,基底(11)從中心到兩端由連接區(7)，位於連接區(7)兩端的內側彈性結構(3)，外側彈性結構(2)和基底固定區(I)組成，連接區(7)與其兩端的內側彈性結構(3)直接相連，內側彈性結構(3)與外側彈性結構(2)之間以及外側彈性結構(2)與基底固定區(I)之間通過U形過渡段(6)連接，各組成部分採用一體式結構加工完成，其U形過渡段(6)也可以採用弧形或其它形狀，只要可以滿足能夠防止應力過於集中的作用即可，基底(11)尺寸為(長*寬*高)，連接區(7)長度為8mm。內側彈性結構(3)和外側彈性結構(2)分別由兩個彈性結構構成，通過設計彈性結構尺寸將內外側彈性結構剛度比設定為2:1，將加載預緊力的光纖光柵(8)通過膠粘或焊接等方式固定在光纖光柵與基底固定區
(4)，將光纖(9)固定於光纖與基底固定區(5)，使用時，將基底固定區(I)採用膠粘或電焊等方式固定於被測體上。實測時，在應變的作用下，基底(11)整體產生應變量，內側彈性結構(3)帶動光纖光柵(8)產生拉伸或者壓縮的變形，通過光纖(9)將信號引出到後端的解調儀表，可讀出光纖光柵(8)的應變量。
[0018]根據內外側彈性結構剛度比值設計，當內側彈性結構(3)的應變量為100μ ε時，外側彈性結構(2)的應變量為200 μ ε，通過比例關係可知基底整體的應變量為150 μ ε ,則可知將應變的測量範圍提高了 1.5倍，由此實現超大應變(±3000μ ε及以上)的測量的目的。
[0019]以上所述的具體描述，對發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於光纖光柵的超大應變傳感器，包括基底(11)和帶有光纖光柵(8)的光纖(9)，沿基底(11)縱軸線上設有可以將光纖光柵(8)以及光纖(9)置於其中的凹槽(10)，所述基底(11)包括位於中部的連接區(7)和兩端的基底固定區(I)，其特徵在於，所述基底(11)還包括位於連接區(7)兩端的內側彈性結構(3)和外側彈性結構(2)，所述連接區(7)、內側彈性結構(3)、外側彈性結構⑵和基底固定區⑴以及各組成部分間的過渡段為一體式結構。
2.如權利要求1所述的一種基於光纖光柵的超大應變傳感器，其特徵在於，可採用膠粘或者焊接等方式將光纖光柵(8)兩端固定於光纖光柵與基底固定區(4)，將光纖兩端(9)固定於光纖與基底固定區(5)。
3.如權利要求1或2所述的一種基於光纖光柵的超大應變傳感器，其特徵在於，通過調整基底(11)的內側彈性結構(3)和外側彈性結構(2)剛度比，可以實現不同靈敏度的超大應變(±3000 μ ε及以上)的測量。
4.如權利要求1或2所述的一種基於光纖光柵的超大應變傳感器,其特徵在於，內側彈性結構(3)的剛度大於外側彈性結構(2)。
【文檔編號】G01B11/16GK104019759SQ201410270603
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月17日 優先權日:2014年6月17日
【發明者】張毅翔, 趙印明, 薛景鋒 申請人:中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所