CN115824075A - 一种非型增敏光纤光栅应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非型增敏光纤光栅应变传感器，其包括弹性基片，包括回形环、连接臂、左端平板、右端平板以及光纤光栅粘贴臂，连接臂设置在回形环的两侧并连接于左端平板、右端平板；光纤光栅粘贴臂在回形环的两侧并与回形环固定，左端平板、右端平板以及光纤光栅粘贴臂上形成固定光纤光栅的固定面，左端平板、右端平板上设置有用于与被测基体固定的安装面；光纤光栅，光纤光栅沿弹性基片长度方向的轴线固定在弹性基片上。本发明具有明显的增敏效果，使光纤光栅应变传感器在安装空间有限的条件下，能够提升灵敏度以及测量精度。

Description

一种非型增敏光纤光栅应变传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种非型增敏光纤光栅应变传感器。

背景技术

在土木工程、航空航天、石油化工﹑船舶工业等领域的结构健康监测中，应变是重要的物理参量之一。通过对应变实时监测，能及时了解到设备、机械结构、轨道运行状态等实时状况，防止安全事故的发生。

光纤光栅传感技术因具有电绝缘性、抗电磁干扰、耐腐蚀，稳定性强、体积小、重量轻等特点，被广泛用于各种结构的健康监测中，根据光纤光栅应变传感原理，裸光纤光栅的应变测量灵敏度为1.2pm/με，但其无法满足实际应用中监测灵敏度和稳定性的要求。

在大型结构的健康监测中，结构变形量小，产生的应变小，并且应变传感器安装空间有限，不能通过改变应变传感器固定距离提高增敏效果，对应变传感器的灵敏度有着更高的要求。当前，绝大多数光纤光栅应变传感器增敏效果不明显，灵敏度较低，不能满足受安装空间限制条件下微小应变的测量。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种非型增敏光纤光栅应变传感器，解决现有技术中现有技术中光纤光栅应变传感器在安装空间有限的条件下，灵敏度低﹑测量精度低的问题。

本发明提供一种非型增敏光纤光栅应变传感器，包括：

弹性基片，包括回形环、连接臂、左端平板、右端平板以及光纤光栅粘贴臂，所述连接臂对称的设置在所述回形环的两侧，位于所述回形环的一侧的所述连接臂一端与所述回形环连接，另一端与所述左端平板固定；位于所述回形环的另一侧的所述连接臂一端与所述回形环连接，另一端与所述右端平板固定；所述光纤光栅粘贴臂对称的设置在所述回形环的两侧并与所述回形环固定，所述左端平板、所述右端平板以及所述光纤光栅粘贴臂上形成固定光纤光栅的固定面，所述左端平板、所述右端平板上设置有用于与被测基体固定的安装面；

光纤光栅，所述光纤光栅沿所述弹性基片长度方向的轴线固定在所述弹性基片上。

可选的，所述弹性基片采用金属材料，通过线切割加工一体成型。

可选的，所述回形环中部形成有一镂空区。

可选的，所述左端平板、所述右端平板对应所述光纤光栅设置的位置处开设有光纤容置槽。

可选的，所述光纤光栅粘贴臂上开设有安装所述光纤光栅的光纤安装槽，所述光纤安装槽与所述光纤容置槽位于同一轴线上，所述光纤安装槽填充有用于固定所述光纤光栅的树脂胶。

可选的，所述光纤光栅设置在所述镂空区处，所述光纤光栅两侧的尾纤设置于所述光纤安装槽、所述光纤容置槽内。

可选的，还包括保护套管，所述保护套管套设在所述尾纤上并嵌设于所述光纤容置槽内。

可选的，所述弹性基片的各个边角位置为圆角。

可选的，具有四个所述连接臂，所述回形环的两侧分别设置有两个所述连接臂，位于所述回形环同侧的两个所述连接臂对称。

可选的，具有两个所述光纤光栅粘贴臂，所述回形环的两侧分别设置有一个所述光纤光栅粘贴臂，所述光纤光栅粘贴臂位于同侧的两个所述连接臂之间。

本发明的有益效果为：

本发明的非型增敏光纤光栅应变传感器将被测基体的长距离应变集中到短的光纤光栅上，并且通过回形环与连接臂配合放大了被测基体的变形，这样大大提高光纤光栅应变传感器的灵敏度。在安装空间有限的条件下，可以调节弹性基片非型增敏结构关键尺寸，能够实现对非型增敏光纤光栅应变传感器的灵敏度和增敏倍数的调节，可实现更高的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中非型增敏光纤光栅应变传感器的结构示意图；

图2为图1中弹性基片的结构示意图；

图3为图1中弹性基片右端的简化受力分析图；

图4为本发明中非型增敏光纤光栅应变传感器的尺寸示意图；

其中：1-弹性基片，11-回形环，111-镂空区，12-连接臂，13-左端平板，14-右端平板，15-光纤光栅粘贴臂，151-光纤安装槽，152-环氧树脂胶，16-光纤容置槽，2-光纤光栅，21-尾纤，3-保护套管。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

如图1、图2所示，本发明的实施例提供一种非型增敏光纤光栅应变传感器，其包括：弹性基片1、光纤光栅2，所述弹性基片1呈非字状并为对称结构，所述光纤光栅2沿所述弹性基片1长度方向的轴线固定在所述弹性基片1上。

具体的，所述弹性基片1包括回形环11、连接臂12、左端平板13、右端平板14以及光纤光栅粘贴臂15，所述连接臂12对称的设置在所述回形环11的两侧，位于所述回形环11的一侧的所述连接臂12一端与所述回形环11连接，另一端与所述左端平板13固定；位于所述回形环11的另一侧的所述连接臂12一端与所述回形环11连接，另一端与所述右端平板14固定；所述光纤光栅粘贴臂15对称的设置在所述回形环11的两侧并与所述回形环11固定，所述左端平板13、所述右端平板14以及所述光纤光栅粘贴臂15上形成固定所述光纤光栅2的固定面，所述左端平板13、所述右端平板14上设置有用于与被测基体固定的安装面。

在本发明中，本发明的非型增敏光纤光栅应变传感器通过应变传感器固定长度大于光纤光栅2两端固定点之间的长度，与弹性基片内部的非型结构相结合大大提高光纤光栅应变传感器的灵敏度。在安装空间有限的条件下，通过调节弹性基片非型增敏结构关键尺寸，能够实现对非型增敏光纤光栅应变传感器的灵敏度和增敏倍数的调节，可实现更高的测量精度。该非型增敏光纤光栅应变传感器可以通过结构胶粘贴、激光焊接、螺栓连接方式安装固定在被测基体上，并且该应变传感器灵敏度高，成本较低，结构简单，安装方便。

需要说明的是，所述左端平板13的安装面与所述右端平板14的安装面之间的距离大于所述光纤光栅2两端固定点之间的距离，这样设置的目的在于可以将被测基体的应变集中到光纤光栅上，并且所述弹性基片的回形环与四个连接臂配合将传递给所述弹性基片的变形进行放大，并传递给光纤光栅，两者同时作用实现增敏效果。

进一步的，所述弹性基片1采用金属材料，优先使用不锈钢材料，通过线切割加工一体成型，工艺简单。

进一步的，所述弹性基片1在加工时，各个边角位置为圆角，避免应力集中现象发生。

进一步的，回形环11中部形成有一镂空区111。

进一步的，在本实施例中，具有四个所述连接臂12，所述回形环11的两侧分别设置有两个所述连接臂12。位于所述回形环11同侧的两个所述连接臂12对称。

进一步的，所述左端平板13、所述右端平板14对应所述光纤光栅2设置的位置处开设有光纤容置槽16。

进一步的，在本实施例中，具有两个所述光纤光栅粘贴臂15，所述回形环11的两侧分别设置有一个所述光纤光栅粘贴臂15，所述光纤光栅粘贴臂15位于同侧的两个所述连接臂12之间。

进一步的，所述光纤光栅粘贴臂15上开设有安装所述光纤光栅2的光纤安装槽151，所述光纤安装槽151与所述光纤容置槽16位于同一轴线上。所述光纤安装槽151填充有用于固定所述光纤光栅2的环氧树脂胶152。

具体的，所述光纤光栅2在所述镂空区111处，所述光纤光栅2两侧的所述尾纤21设置于所述光纤安装槽151、所述光纤容置槽16内。

具体的，还包括保护套管3，所述保护套管3套设在所述尾纤21上并嵌设于所述光纤容置槽16内。

本发明的非型增敏光纤光栅应变传感器制作过程为：通过环氧树脂胶152将光纤固定在所述光纤安装槽151内，所述光纤光栅2应悬空居中在镂空区111中间，将光纤光栅2固定完成后，在所述光纤光栅2两端的所述尾纤21上套装所述保护套管3进行保护，并通过速干胶水将所述保护套管3固定在所述光纤容置槽16内。

将所述光纤光栅2固定粘贴到所述镂空区111之前，需要剥离粘贴光纤的涂覆层，并且对所述光纤光栅2施加预应力，保证所述弹性基片1产生轴向压缩变形时，光纤光栅2可以准确感知负应变。

本发明的非型增敏光纤光栅应变传感器在测量应变时需要将所述弹性基片1固定在待测基体上，固定方式包括：

采用胶粘方式安装固定，在所述弹性基片1的所述左端平板13、所述右端平板14上涂覆高强度结构胶，将传感器粘贴在待测基体上，当结构胶完全固化后，非型增敏光纤光栅应变传感器安装完成。

也可以采用激光焊接的方式安装固定，将所述左端平板13、所述右端平板14焊接在待测基体上，待测基体与所述弹性基片1的材料特性相近时，焊接效果最为良好，并且激光焊接过程中，应尽量保持所述弹性基片1不发生变形。

也可以采用螺栓连接方式安装固定，在所述左端平板13、所述右端平板14和待测基体上分别设置螺纹孔，通过螺栓将本发明的所述弹性基片1固定到待测基体上。

如图3所示，将所述弹性基片1右端一半简化为受两个集中载荷的简支梁，则本发明的非型增敏光纤光栅应变传感器的应变增敏倍数的计算过程为：

设所述右端平板14的轴向变形量为Δx₁，两个所述连接臂12分别产生力F₁、F₂使所述回形环11发生变形，所述连接臂12与所述回形环11的连接处A、B轴向变形量约等于Δx₁，该变形通过所述回形环11的放大作用于所述光纤光栅2的固定点，使所述光纤光栅2一侧固定点C产生的轴向变形量为Δx₂。

根据材料力学中梁的位移叠加原理，在所述弹性基片1轴向变形过程中，A、B点在两个相等的集中载荷F₁、F₂的共同作用下发生变形，所述光纤光栅2固定点C点处将产生最大的变形。

在F₁作用下A点的挠度为：

在F₂作用下A点的挠度为：

且F₁＝F₂＝F，则A点的挠度为：

则w_A＝w_B＝Δx₁，其中E为所述弹性基片1的弹性模量，I为所述回形环11的惯性矩，l为所述回形环11的长度，a为所述连接臂12与所述回形环11的连接处A、B点距所述回形环11末端的距离。

同理可得所述光纤光栅2固定点C在F1和F2作用下的挠度为：

则w_c＝Δx₂。由此可得，所述弹性基片1中右端所述回形环11的增敏系数K₁为：

设基体总变形为Δx_基，所述光纤光栅2的总变形为Δx_FBG，则该非型弹性基片1内部非型结构的增敏系数K₂为：

设所述弹性基片1的所述左端平板13和所述右端平板14之间的标距为L₁，所述光纤光栅2两端粘贴固定点之间的长度为L₂，这样基体结构的应变ε₁为：

所述光纤光栅2产生的应变ε₂为：

则该非型增敏光纤光栅应变传感器的增敏系数K₃为：

当所述光纤光栅2在1500nm波段时，裸栅应变灵敏度为1.2pm/με，则该非型增敏光纤光栅应变传感器的灵敏度为：

假设所述弹性基片1的关键尺寸如图4所示，其余尺寸可进行适当调整，将尺寸带入K中，则非型增敏光纤光栅应变传感器的灵敏度为K＝11.478pm/με。在安装空间有限的条件下，可以通过调节所述回形环11的长度l、所述连接臂12与所述回形环11的连接处A、B点距所述回形环11末端的距离a改变增敏效果。

本发明有益效果是：

在本发明中，本发明的非型增敏光纤光栅应变传感器通过应变传感器固定长度大于光纤光栅两端固定点之间的长度，与弹性基片内部的非型结构相结合大大提高光纤光栅应变传感器的灵敏度。在安装空间有限的条件下，通过调节弹性基片非型增敏结构关键尺寸，能够实现对非型增敏光纤光栅应变传感器的灵敏度和增敏倍数的调节，可实现更高的测量精度。该非型增敏光纤光栅应变传感器可以通过结构胶粘贴、激光焊接、螺栓连接方式安装固定在被测基体上，并且该应变传感器灵敏度高，成本较低，结构简单，安装方便。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非型增敏光纤光栅应变传感器，其特征在于，包括：

弹性基片，包括回形环、连接臂、左端平板、右端平板以及光纤光栅粘贴臂，所述连接臂对称的设置在所述回形环的两侧，位于所述回形环的一侧的所述连接臂一端与所述回形环连接，另一端与所述左端平板固定；位于所述回形环的另一侧的所述连接臂一端与所述回形环连接，另一端与所述右端平板固定；所述光纤光栅粘贴臂对称的设置在所述回形环的两侧并与所述回形环固定，所述左端平板、所述右端平板以及所述光纤光栅粘贴臂上形成固定光纤光栅的固定面，所述左端平板、所述右端平板上设置有用于与被测基体固定的安装面；

光纤光栅，所述光纤光栅沿所述弹性基片长度方向的轴线固定在所述弹性基片上。

2.如权利要求1所述的非型增敏光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述弹性基片采用金属材料，通过线切割加工一体成型。

3.如权利要求1所述的非型增敏光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述回形环中部形成有一镂空区。

4.如权利要求1所述的非型增敏光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述左端平板、所述右端平板对应所述光纤光栅设置的位置处开设有光纤容置槽。

5.如权利要求4所述的非型增敏光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述光纤光栅粘贴臂上开设有安装所述光纤光栅的光纤安装槽，所述光纤安装槽与所述光纤容置槽位于同一轴线上，所述光纤安装槽填充有用于固定所述光纤光栅的树脂胶。

6.如权利要求5所述的非型增敏光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述光纤光栅设置在所述镂空区处，所述光纤光栅两侧的尾纤设置于所述光纤安装槽、所述光纤容置槽内。

7.如权利要求6所述的非型增敏光纤光栅应变传感器，其特征在于，还包括保护套管，所述保护套管套设在所述尾纤上并嵌设于所述光纤容置槽内。

8.如权利要求1所述的非型增敏光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述弹性基片的各个边角位置为圆角。

9.如权利要求1所述的非型增敏光纤光栅应变传感器，其特征在于，具有四个所述连接臂，所述回形环的两侧分别设置有两个所述连接臂，位于所述回形环同侧的两个所述连接臂对称。

10.如权利要求9所述的非型增敏光纤光栅应变传感器，其特征在于，具有两个所述光纤光栅粘贴臂，所述回形环的两侧分别设置有一个所述光纤光栅粘贴臂，所述光纤光栅粘贴臂位于同侧的两个所述连接臂之间。

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