[發(fā)明專利]基于橢圓環(huán)的光纖光柵三維應(yīng)變傳感器

在審

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• 申請日: 2017-01-18
• 公開（公告）號: CN106767483A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王靜;蔣善超;隋青美;李亦佳;田長彬;向力為;賈磊;曹玉強
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué);鹽城工學(xué)院
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司37221
• 代理人: 張勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于橢圓環(huán)的光纖光柵三維應(yīng)變傳感器。

背景技術(shù)

光纖光柵傳感器具有尺寸小，重量輕，抗電磁干擾，復(fù)用性好等其它類型傳感器不具備的優(yōu)點，近年來光纖光柵傳感器得到了廣泛應(yīng)用。光纖光柵應(yīng)變傳感器在航空航天、大型機電設(shè)備，橋梁建筑等各個工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮了重要作用。如李向華通過光纖光柵實現(xiàn)了三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力測量；Carlos Rodrigues通過表貼式光纖光柵應(yīng)變計實現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)服役期應(yīng)變的測量。

在光纖光柵三維應(yīng)變測量方面，中國專利CN 102175366 A通過三個光纖光柵傳感器在基體材料三維方向的垂直放置實現(xiàn)了巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的測量，但該應(yīng)力測量方式本身需要黏貼多個傳感器，并且傳感器粘貼于巖石基體外表面，對傳感器沒有采取有效地的保護措施，埋設(shè)傳感器時不可避免地對其造成損害。近年來，光纖光柵應(yīng)變傳感器得到了良好的發(fā)展，但是三維應(yīng)變傳感器的研究和應(yīng)用很少報道。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于橢圓環(huán)的光纖光柵三維應(yīng)變傳感器，該傳感器通過橢圓環(huán)及承載梁一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光纖光柵的內(nèi)部封裝，利用橢圓應(yīng)變環(huán)實現(xiàn)三個方向不同應(yīng)變的傳遞，既能實現(xiàn)應(yīng)變的測量，又能分辨出應(yīng)變的方向，并且該傳感器體積較小，易實現(xiàn)較小空間三維應(yīng)變的同時測量。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于橢圓環(huán)的光纖光柵三維應(yīng)變傳感器，包括：在三維直角坐標(biāo)系的三個互相垂直的平面上分別放置中心重合的三個應(yīng)變橢圓環(huán)，所述每一個應(yīng)變橢圓環(huán)包括橢圓環(huán)和應(yīng)變敏感徑向梁，所述應(yīng)變敏感徑向梁與應(yīng)變橢圓環(huán)錨固連接，所述應(yīng)變敏感徑向梁表面敷設(shè)光纖光柵，所述光纖尾纖從應(yīng)變敏感徑向梁一端的錨固口引出。

所述應(yīng)變敏感徑向梁與應(yīng)變橢圓環(huán)所在的平面平行。

所述三個應(yīng)變橢圓環(huán)的尺寸各不相同，以實現(xiàn)中心重合的三個應(yīng)變橢圓環(huán)的相互垂直放置。

所述每一個應(yīng)變敏感徑向梁上敷設(shè)的光纖光柵引出后串聯(lián)連接。

所述應(yīng)變橢圓環(huán)的徑向厚度及橢圓環(huán)厚度可調(diào)，三維應(yīng)變傳感器的測量應(yīng)力范圍通過調(diào)節(jié)應(yīng)變橢圓環(huán)的徑向厚度以及橢圓環(huán)厚度實現(xiàn)。

所述應(yīng)變敏感徑向梁選擇碳纖維板作為基體，光纖光柵通過α-氰基丙烯酸乙酯與應(yīng)變敏感梁相連，所述三個應(yīng)變橢圓環(huán)選用的三根光纖光柵的中心波長不同，防止光纖光柵串聯(lián)后波長相互干擾影響測量結(jié)果。

所述光纖尾纖從應(yīng)變橢圓環(huán)的一端引出后，光纖尾纖通過光分路器與光源及波長解調(diào)設(shè)備連接。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明基于橢圓圓環(huán)的光纖光柵三維應(yīng)變傳感器，以光纖光柵作為核心敏感元件，利用中心重合且相互垂直的三個橢圓環(huán)實現(xiàn)三維應(yīng)變的傳遞，通過三個應(yīng)變矢量的疊加實現(xiàn)三維應(yīng)變的測量。

通過橢圓環(huán)及承載梁一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光纖光柵的內(nèi)部封裝，利用橢圓應(yīng)變環(huán)實現(xiàn)三個方向不同應(yīng)變的傳遞，既能實現(xiàn)應(yīng)變的測量，又能分辨出應(yīng)變的方向，并且該傳感器體積較小，易實現(xiàn)較小空間三維應(yīng)變的同時測量。

附圖說明

圖1為三維應(yīng)變傳感器的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為應(yīng)變橢圓環(huán)的主視圖；

圖3為應(yīng)變橢圓環(huán)的應(yīng)變敏感徑向梁示意圖；

圖4為固定外界應(yīng)力作用下，應(yīng)變橢圓環(huán)徑向厚度與應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系。

其中，1.應(yīng)變橢圓環(huán)一，2.應(yīng)變橢圓環(huán)二，3.應(yīng)變橢圓環(huán)三，4.應(yīng)變橢圓環(huán)的應(yīng)變敏感徑向梁，5.光纖光柵，6.光纖尾纖，7.光源，8.光纖解調(diào)設(shè)備。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明：

本發(fā)明涉及的基于橢圓圓環(huán)的光纖光柵三維應(yīng)變傳感器如圖1所示。該傳感器主要包括中心重合且相互垂直的三個應(yīng)變橢圓環(huán)。如圖2和圖3所示，應(yīng)變橢圓環(huán)包括徑向厚度及厚度可調(diào)的橢圓環(huán)及表面敷設(shè)光纖光柵5的應(yīng)變敏感徑向梁4，三個應(yīng)變敏感徑向梁4分別與坐標(biāo)系的x，y，z坐標(biāo)軸平行，光纖尾纖6從應(yīng)變橢圓環(huán)的應(yīng)變敏感徑向梁4一端的錨固口引出與光源7及波長解調(diào)設(shè)備8連接。

應(yīng)變橢圓環(huán)的應(yīng)變敏感徑向梁4以選擇碳纖維板作為基體，選用α-氰基丙烯酸乙酯作為光纖光柵5和應(yīng)變梁的粘合劑。為避免光纖光柵5串聯(lián)后波長相關(guān)干擾影響測量測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)變橢圓環(huán)所選用的光纖光柵5中心波長不同。

應(yīng)變橢圓環(huán)的徑向厚度及橢圓環(huán)厚度可調(diào)，三維應(yīng)變傳感器的測量應(yīng)力范圍通過調(diào)節(jié)應(yīng)變橢圓環(huán)的徑向厚度以及橢圓環(huán)厚度實現(xiàn)。固定外界應(yīng)力作用下，應(yīng)變橢圓環(huán)徑向厚度與應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。