[發(fā)明專利]用于檢測大的反復(fù)形變的纖維應(yīng)變傳感器以及測量系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010194837.6
• 申請日: 2010-06-07
• 公開（公告）號: CN101943568A
• 公開（公告）日: 2011-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陶肖明;鄭偉;孫曉紅;王廣峰;許智遠(yuǎn)
• 申請（專利權(quán)）人: 香港紡織及成衣研發(fā)中心
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 廣州三環(huán)專利代理有限公司 44202
• 代理人: 溫旭;郝傳鑫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于檢測大的反復(fù)形變的系統(tǒng)、方法以及纖維光學(xué)應(yīng)變傳感器。

背景技術(shù)

光學(xué)纖維傳感器具有特定的優(yōu)點(diǎn)，包括：不受電磁干擾的影響、重量輕、尺寸小、靈敏度高、帶寬大，以及容易進(jìn)行信號光線傳播(signal?lighttransmission)。近年來，光學(xué)纖維傳感器在控制壓力、應(yīng)變、位移、溫度和濕度方面的用途變得日益普遍。

已經(jīng)有三種技術(shù)應(yīng)用于聚合物光學(xué)纖維(POF)傳感器領(lǐng)域：干涉技術(shù)、纖維布拉格衍射光柵(FBG)技術(shù)，以及光時域反射(OTDR)。這三種技術(shù)都具有非常高的靈敏度，但是，它們需要復(fù)雜和昂貴的測量設(shè)備。測量結(jié)果對溫度的變化是非常敏感的，因此，需要使用復(fù)雜的補(bǔ)償技術(shù)。而且，這些傳感器對于大的反復(fù)形變具有非常有限的應(yīng)變范圍。

針對使用POF傳感器對混凝土梁的裂紋檢查和垂直偏離監(jiān)測，已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其中，為了提高傳感性能，任意地除去一段橫截面輪廓。

已經(jīng)開發(fā)了基于彎曲的多環(huán)POF的光學(xué)位移傳感器，所述彎曲的多環(huán)POF在其芯的外側(cè)具有多結(jié)構(gòu)缺陷。發(fā)現(xiàn)功率損耗對于增加的缺陷的深度特別敏感。

已經(jīng)使用宏彎曲POF進(jìn)行重量的測量。宏彎曲POF與便宜且簡單的具有強(qiáng)度調(diào)制的傳感器一起使用。當(dāng)塑料光學(xué)纖維完全地并且剛性地附著在金屬懸臂梁上時，其在以重量形式測量作用力方面是足夠靈敏的。

已經(jīng)借助幾何光學(xué)(器件)來模擬曲率傳感器。單獨(dú)計(jì)算了在鋸齒狀感光區(qū)的許多平面中的每一個平面上發(fā)生折射的功率的分?jǐn)?shù)。在這種光纖傳感器的操作中涉及基本原理的模型實(shí)現(xiàn)的可視化，從而能夠獲得更好的定性理解。

WO?94/29671公開了一種曲率或彎曲和位移傳感器，所述傳感器由初始筆直的光纖或光波導(dǎo)組成。所述傳感器用于連接彎曲的或者發(fā)生位移的一個或多個元件。纖維的曲率導(dǎo)致宏彎曲損耗(macrobending?loss)，這有時伴隨著在除測量曲率的平面以外的其他平面上產(chǎn)生疊加曲率。檢測這種宏彎曲損耗。使用光損耗檢測來產(chǎn)生曲率或位移的指標(biāo)。

美國專利US?5,900,556公開了一種基于宏彎曲損耗的螺旋光學(xué)纖維傳感器。所述傳感器嵌在混凝土中，并且用于監(jiān)測由于壓縮、拉伸和彎曲所造成的形變(應(yīng)變)。螺旋光學(xué)纖維的材料是硅橡膠。該專利沒有公開所述傳感器的形變和靈敏度的范圍。

發(fā)明內(nèi)容

在本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于檢測大的反復(fù)形變的纖維光學(xué)應(yīng)變傳感器，所述傳感器包括：

柔性聚合物光學(xué)纖維(POF)，所述纖維呈一系列延伸環(huán)的形式，所述延伸環(huán)是柔性的從而能夠在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；

在所述纖維的至少一側(cè)上形成的凹槽；

其中，通過檢測光功率傳輸損耗(light?power?transmission?loss)穿過所述凹槽的變化，來測量施加在應(yīng)變傳感器上的應(yīng)變(strain)的量，所述變化是由于在應(yīng)變傳感器上施加應(yīng)變時所述凹槽的形狀變化所引起的。

可以借助光檢測器來檢測光功率的變化。

凹槽的數(shù)量和形狀可以與傳感器的軸向應(yīng)變相關(guān)聯(lián)。

可以借助選自以下的任何一種技術(shù)在纖維上形成凹槽：激光燒蝕、電子束、熱絲((hot?wire)和機(jī)械切割。

可以在纖維的每個環(huán)的頂部或底部形成凹槽。

可以將傳感器連接至彈性基底以檢測施加在彈性基底上的應(yīng)變，可以借助選自以下的任何一種技術(shù)進(jìn)行連接：硅膠水、環(huán)氧膠水、螺紋(thread)，及其它們的任何組合。

凹槽可以是“V”形的、矩形的或圓形的。

光功率的變化可以是相對于對應(yīng)變傳感器施加應(yīng)變之前的光功率增大或減小。

在本發(fā)明的第二方面，提供一種用于檢測大的反復(fù)形變的測量系統(tǒng)，其包括：

纖維光學(xué)應(yīng)變傳感器，其包括呈一系列延伸環(huán)的形式的柔性聚合物光學(xué)纖維(POF)，所述延伸環(huán)是柔性的以允許在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；以及形成在所述纖維的至少一側(cè)上的凹槽；

與POF相連接的光源；以及

光檢測器，用于檢測光功率傳輸損耗穿過所述凹槽的變化，所述變化是由于在應(yīng)變傳感器上施加應(yīng)變時所述凹槽的形狀變化所引起的。

應(yīng)變傳感器可以連接至彈性基底。彈性基底能夠發(fā)生大的反復(fù)形變，而沒有顯著的作用力-形變滯后作用。

所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括計(jì)算機(jī)，用于控制所施加的應(yīng)變以及顯示光功率，并且記錄由光檢測器檢測到的光功率的變化。

光檢測器可以是纖維光學(xué)功率計(jì)。

在本發(fā)明的第三方面，提供一種用于檢測大的反復(fù)形變的方法，其包括：