[發(fā)明專利]一種基于光纖光柵的超大應變傳感器

有效

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• 申請日: 2014-06-17
• 公開（公告）號: CN104019759A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發(fā)明（設計）人: 張毅翔;趙印明;薛景鋒
• 申請（專利權）人: 中國航空工業(yè)集團公司北京長城計量測試技術研究所
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及一種超大應變傳感器，特別涉及一種基于光纖光柵的超大應變傳感器，屬于光纖傳感器技術領域。

背景技術

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(yī)藥、材料工業(yè)、水利電力、船舶、煤礦、土木工程等各個領域都有廣泛的應用。

光纖傳感技術是70年代中期發(fā)展起來的一門新技術。它是伴隨著光纖及光通信技術的發(fā)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(fā)展起來的一種波長調(diào)制型光學傳感器，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(zhì)，當光纖光柵所在環(huán)境參數(shù)發(fā)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(xiàn)對應變、溫度等參數(shù)的測量。光纖光柵傳感器與傳統(tǒng)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，易于集成和埋覆測量、本質(zhì)防爆、抗電磁干擾等優(yōu)點。

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(xiàn)對±2500με范圍內(nèi)的測量。該專利敘述通過減小彈性結構可提升應變測量范圍，實際提升僅為正應變的測量范圍，但無法提高負應變的測量范圍。

美國專利號為U.S.Pat.No.7068869的專利中提到了一種基于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±1500με，將框架安裝到被測物體表面，以實現(xiàn)對被測物體的應變測量。

上述兩種光纖光柵應變傳感器分別可以實現(xiàn)±2500με和±1500με應變量的測量。在實際測試中，針對±3000με及以上測試中還有很多的需求。因此，針對以上問題，提出了一種基于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范圍提供了必要條件。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有光纖光柵應變傳感器無法對超出±3000με范圍的被測目標進行測量的問題，尤其是負應變測量范圍無法提升的現(xiàn)狀，設計實現(xiàn)了一種基于光纖光柵的超大應變傳感器。

本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的：

一種基于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(qū)、外側彈性結構、內(nèi)側彈性結構和連接區(qū)，連接區(qū)與其兩端的內(nèi)側彈性結構直接相連，內(nèi)、外側彈性結構之間和外側彈性結構與基底固定區(qū)之間通過U形或弧形或其它形狀的過渡段連接，各組成部分采用一體式結構。將帶有光柵的光纖放置于位于基底縱軸線中心的凹槽內(nèi)，根據(jù)不同長度光柵的尺寸設計連接區(qū)的尺寸，保證光纖光柵兩端置于基底的內(nèi)、外側彈性結構連接區(qū)，通過焊接或膠粘等方式固定在光纖光柵與基底固定區(qū)，光纖沿著基底與光纖光柵成一條直線固定于基底固定區(qū)，最終實現(xiàn)了光纖光柵超大應變傳感器的制作。其中，基底固定區(qū)與被測體可采用膠粘或點焊等形式固定；基底中包括內(nèi)側和外側兩套不同的彈性結構，每套彈性結構可由多個環(huán)狀平面彈簧組成，其中要求外側彈性結構剛度滿足小于內(nèi)側彈性結構條件，以實現(xiàn)應變量的放大作用，提高測量范圍；連接區(qū)可以根據(jù)不同光纖光柵的長度進行調(diào)整；基底的內(nèi)、外側彈性結構連接區(qū)是光纖光柵與基底的固定區(qū)域，可采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(qū)進行連接；采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(qū)的光纖與基底固定區(qū)進行連接；光纖光柵作為敏感元件實現(xiàn)對應變量的測量，光纖為信號傳輸部分。

本發(fā)明的原理是在應變的作用下，整個基底(1)受到拉伸或壓縮力的作用，由力的相互作用可知，內(nèi)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，由于兩者的剛度的不同，因此內(nèi)側彈性結構(3)的拉伸長度小于外側彈性結構(2)的拉伸長度，即使內(nèi)側彈性結構(3)的應變量小于外側彈性結構(2)的應變量，從而實現(xiàn)超大應變的測量。本發(fā)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)安裝于內(nèi)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。