阅读说明：本技术 一种光纤光栅单向应变传感器 (One-way strain sensor of fiber grating ) 是由 刘化利 杨帆 孙超 于 2018-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光纤光栅单向应变传感器,本发明实施例提供的光纤光栅单向应变传感器,包括了具有温度补偿的温度补偿传感模块及具有对光纤光栅进行减敏功能的应变传感器模块,其中的应变传感器模块中的三环减敏基片固定光纤光栅区域采用了三环平行结构,这样,在采用本发明实施例提供的光纤光栅单向应变传感器进行应力监测时,就实现了对光纤光栅的减敏设计及温度补偿设计,结构简单,提高了监测灵敏度及提高量程。(The invention discloses a fiber grating one-way strain sensor, which comprises a temperature compensation sensing module with temperature compensation and a strain sensor module with a desensitization function on a fiber grating, wherein a three-ring desensitization substrate fixing fiber grating area in the strain sensor module adopts a three-ring parallel structure, so that when the fiber grating one-way strain sensor provided by the embodiment of the invention is used for stress monitoring, the desensitization design and the temperature compensation design of the fiber grating are realized, the structure is simple, the monitoring sensitivity is improved, and the measuring range is improved.)

一种光纤光栅单向应变传感器

技术领域

本发明涉及物体的应力监测技术，特别涉及一种用于应力监测的光纤光栅单向应变传感器。

背景技术

光纤光栅(FBG)传感器属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程通过外界物理参量对光纤布拉格(Bragg)波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅传感器可以贴合在待测结构上，实现对待测结构的温度，以及应变等物理量的直接测量。光纤光栅传感器按照类型可以分为光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器。光纤光栅传感器作为近年来发展最为迅速，应用极为广泛的光纤无源器件之一，与传统电信号类传感器相比，具有结构简单、可靠性好、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强和复用能力强等优点，可形成多种连接方式的传感网络，实现了对待测结构的大面积测量及多点测量。由于光纤光栅传感器自身具备许多不可替代的优越性，因此受到越来越多科研工作者和工程技术人员的青睐。

待测结构的应力监测技术一般都应用在结构比较复杂、应变范围较大、对待测结构系统稳定性要求比较高的领域，所以加大量程、增加待测结构系统稳定性及简化封装工艺是光纤光栅应变传感器研究中首先需要解决的问题。但是，对于光纤光栅应变传感器采用的光纤光栅长期工作的应变范围为±2000με，远远低于待测结构所需的应变范围，这就需要对光纤光栅应变传感器进行减敏设计以达到需求。目前，有两种光纤光栅应变传感器的设计方案：其一是基片式结构的光纤光栅应变传感器，其灵敏系数为1.05pm/με,线性度约为0.99，其灵敏度及线性度仍然达不到待测结构所需；其二是螺旋倾斜复合结构的光纤布拉格光栅应变传感器，在结构上巧妙的对其中的光纤的应变进行减敏，但是结构复杂不容易实现。

上述两种光纤光栅应变传感器应用在待测结构的大量程测量上时，一个是线性度及灵敏精度有待提高，一个是结构复杂，不易实施且成本较高。因此，目前没有一种既结构简单又能够提高量程及监测灵敏度的光纤光栅应变传感器存在。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种用于应力监测的光纤光栅单向应变传感器，结构简单且能够提高监测灵敏度及提高量程。

本发明实施例是这样实现的：

一种应用于应力监测的光纤光栅单向应变传感器，包括：应变传感器模块、温度补偿传感模块、传感器底板、传感器保护外壳及光纤光缆组成，应变传感器模块焊接于传感器底板中间，其上部置有温度补偿传感模块，传感器保护外壳完全覆盖温度补偿传感模块、应变传感器模块及传感器底板，其中，

所述光纤光缆包括中间的光栅、光栅两端的光纤松套管及两个边端的铠装管；

应变传感器模块包括三环减敏基片及分别与三环减敏基片两端相连的传感器焊块，所述光栅封装在三环减敏基片的第一凹槽上，在所述三环减敏基片的第一凹槽方向上，平行均匀分布三个环形结构，所述铠装管固定于所述传感器焊块上且传感器焊块焊接于待测结构表面；

所述温度补偿传感模块包括温度补偿基片及与所述温度补偿基片一端连接的温度补偿基板，所述温度补偿基板固定在所述传感器焊块上，所述温度补偿基片中置有第二凹槽放置所述裸露光栅，所述温度补偿基片的第二凹槽两端延伸方向分别置有的第三凹槽放置所述光纤松套管，所述温度补偿基板上沿所述第三凹槽的延伸方向的第四凹槽放置所述铠装管。

如上可见，本发明实施例提供的光纤光栅单向应变传感器，包括了具有温度补偿的温度补偿传感模块及具有对光纤光栅进行减敏功能的应变传感器模块，其中的应变传感器模块中的三环减敏基片固定光纤光栅区域采用了三环平行结构，这样，在采用本发明实施例提供的光纤光栅单向应变传感器进行应力监测时，就实现了对光纤光栅的减敏设计及温度补偿设计，结构简单，提高了监测灵敏度及提高量程。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于应力监测的光纤光栅单向应变传感器的总体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的应变传感器模块的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的应变传感器模块中的三环减敏基片结构示意图；

图4为本发明实施例提供的应变传感器模块中的焊接块结构示意图；

图5为本发明实施例提供的应变传感器模块中的光缆固定块结构示意图；

图6为本发明实施例提供的温度补偿传感模块结构示意图；

图7为本发明实施例提供的传感器底板结构示意图；

图8为本发明实施例提供的传感器保护壳结构示意图。

附图标记

1-应变传感器模块

101-三环减敏基片

1011-第一端片

1012-第二端片

1013-第一环状体

1014-第二环状体

1015-第三环状体

1016-第一连接片

1017-第二连接片

102-传感器焊块

103-光纤光缆5固定块

2-温度补偿传感模块

201-温度补偿基片

202-温度补偿基板

3-传感器底板

33-传感器底板焊框

31-光缆固定块

4-传感器保护外壳

5-光纤光缆

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例为了在提供的光纤光栅单向应变传感器进行应力监测时，实现了对光纤光栅的减敏设计及温度补偿设计，包括了具有温度补偿的温度补偿传感模块及具有对光纤光栅进行减敏功能的应变传感器模块，其中的应变传感器模块中的三环减敏基片固定光纤光栅区域采用了三环平行结构。这样，本发明实施例提供的光纤光栅单向应变传感器结构简单，提高了监测灵敏度及提高量程。

进一步地，本发明实施例提供的光纤光栅单向应变传感器在应用光纤光栅的物理参量测量结果监测待测结构的应力时，测量的是待测结构单方向的应力，所以称之为光纤光栅单向应变传感器。

图1为本发明实施例提供的用于应力监测的光纤光栅单向应变传感器的总体结构示意图，包括：应变传感器模块1、温度补偿传感模块2、传感器底板3、传感器保护外壳4及光纤光缆5组成，应变传感器模块1焊接于传感器底板3中间，其上部置有温度补偿传感模块2，传感器保护外壳4完全覆盖温度补偿传感模块2、应变传感器模块1及传感器底板3，其中，

所述光纤光缆5包括中间的裸露光纤、裸露光纤两端的光纤松套管及两个边端的铠装管；

应变传感器模块1包括三环减敏基片101及分别与三环减敏基片101两端相连的传感器焊块102，所述裸露光纤封装在三环减敏基片101的第一凹槽上，在所述三环减敏基片101的第一凹槽方向上，平行均匀分布三个环形结构，所述铠装管固定于所述传感器焊块102上且传感器焊块102焊接于待测结构表面；

所述温度补偿传感模块2包括温度补偿基片201及与所述温度补偿基片201一端连接的温度补偿基板202，所述温度补偿基板202固定在所述传感器焊块102上，所述温度补偿基片201中置有第二凹槽放置所述裸露光纤，所述温度补偿基片201的第二凹槽两端延伸方向分别置有的第三凹槽放置所述光纤松套管，所述温度补偿基板202上沿所述第三凹槽的延伸方向的第四凹槽放置所述铠装管。

在该结构中，所述光纤光缆5由里到外，是由裸露光纤、光纤松套管及铠装管组成，所述应变传感器模块1及温度补偿传感模块2固定了所述光纤光缆5，裸露光纤的中间设置有光纤光栅区。在监测待测结构时，将光纤光栅设置在所述光纤光栅单向应变传感器上，所述光纤光栅单向应变传感器焊接在待测结构表面，待测结构发生变形带动所述光纤光栅单向应变传感器上的光纤光栅发生变形，测量得到光纤光栅的中心波长变化量，根据中心波长的变化量确定待测结构发生的应变。

图2为本发明实施例提供的应变传感器模块的结构示意图，应变传感器模块1包括三环减敏基片101、与三环减敏基片101两端分别相连的传感器焊块102及光纤光缆5固定块103。结合图3所示的三环减敏基片101结构示意图、图4所示的传感器焊块102结构示意图，及图5所示的光纤光缆5固定块103结构示意图，对应变传感器模块进行详细说明。

如图3所示，三环减敏基片101由第一端片1011、第二端片1012、第一环状体1013、第二环状体1014、第三环状体1015、第一连接片1016及第二连接片1017一体构成，其中，第一环状体1013靠近第一端片101、第二环状体1014靠近第二端片1012，在第一环状体1013与第二环状体1014的中间置有第三环状体1015，分别通过第一连接片1016与第一环状体1013连接，通过第二连接片1017与第二环状体1014连接，第一环状体1013、第二环状体1014与第三环状体1015的轴向与第一连接片1016及第二连接片1017的平面垂直。第一连接片1016和第二连接片1017上置有第一凹槽，以放置裸露的光纤光栅，在第一凹槽对称于第三环状体1015设置两圆孔，将裸露的光纤光栅中的栅区固定在两圆孔之间；在第一端片1011及第二端片1012对称于所述第一凹槽置6有螺纹孔，以与传感器焊块102置有的螺纹孔重合，采用螺丝将所述三环减敏基片101固定在传感器焊块102上。

在该结构中，所述两个圆孔能够防止胶水渗入栅区中，而第一环状体1013、第二环状体1014、第三环状体1015能够起到减敏作用，当待测结构的结构发生形变时，三个环状体能够承受大部分形变，而两个圆孔之间的栅区只受到较小的形变，从而增加了量程。光纤光栅长期工作的应变范围为±2000με，通过有限元分析和理论计算，采用本发明实施例提供的传感器，三环状体提供的减敏比为2.9，在保证减敏的同时也大大确保了本发明实施例提供的传感器的精度，且其材料在弹性范围内能承受的应变范围为±5000με。

如图4所示，传感器焊块102上置有与所述三环减敏基片101的螺纹孔重合的第一螺纹孔，采用螺钉将所述三环减敏基片101固定在传感器焊块102上；还置有固定所述温度补偿传感模块2的第二螺纹孔，以及固定所述光纤光缆5固定块的第三螺纹孔；所述三环减敏基片101的第一凹槽在传感器焊块102延伸且依次延伸到第一子凹槽及第二子凹槽，其中，第一凹槽的延伸部放置裸露光纤，第一子凹槽放置光纤松套管，第二子凹槽置于铠装管。这样，第二子凹槽的半径尺寸与所述铠装管的半径尺寸相同。解决了三环减敏基片101材料特殊难以焊接到传感器焊块102的问题。

如图5所示，所述光纤光缆5固定块103具有用于放置所述铠装管的凸槽及在凸槽两侧对称设置螺纹孔，其中，所述螺纹孔与传感器焊块102上的第三螺纹孔重合，以使得将传感器焊块102和所述光纤光缆5固定块103采用螺丝固定，压住所述铠装管，所述放置铠装管的凸槽半径尺寸与所述铠装管的半径尺寸相同。

如图6所示，所述温度补偿基片201中的第二凹槽两侧对称设置在所述温度补偿基片201的第一螺纹孔，及在温度补偿基板202的第二螺纹孔，两个螺纹孔重合，采用螺丝将温度补偿基片201及温度补偿基板202固定。在所述温度补偿基板202的第二螺纹孔外侧设置有第三螺纹孔，以与传感器焊块102的第二螺纹孔重合，采用螺丝将所述温度补偿基板202和传感器焊块102进行固定。在这里，所述温度补偿传感模块2的原理是将应变传感器中由于温度影响导致光纤光栅的波长漂移量剔除，因此，将所述温度补偿基片201的材料设置与三环减敏基片101的材料相同，以保证两者的热膨胀系数相同。这样由于热温度膨胀失配对结果的误差影响在计算时相互抵消，可以保证测量结果的准确性。进一步地，所述温度补偿基片201采用的是悬臂梁的结构通过温度补偿基板202与传感器焊块102固定在一起，从而并不受外界应力的作用，当被测物体为曲面或垂直面时，这种缓冲型设计结构的优势在于可以提高重心位置，减少材料自身重力的影响，可以应用在外界环境负载的情况。同时也可以减小整个的光纤光栅单向应变传感器的面积，增大所适用空间。

如图7所示，图7为本发明实施例提供的传感器底板结构示意图。其中，传感器底板3由传感器底板焊框33及光缆固定块31组成，所述传感器底板焊框33焊于所述应变传感器模块1***，在光纤光栅的铠装管出入位置设置有凹槽及在光缆固定块31设置有凸槽，所设置凹槽和所述凸槽相互配合，固定光栅光缆的铠装管。在光缆固定块31的凸槽两侧对称设置螺纹孔与在传感器底板焊框33的凹槽对称设置的螺纹孔重合，通过重合的螺纹孔采用螺丝固定传感器底板焊框33及光缆固定块31，所述凹槽及所述凸槽的孔径与光纤光栅的铠装管的孔径一致。这样，就可以将光栅光缆的铠装管与传感器底板3牢牢固定在一起，以免滑动。在传感器底板焊框33上还置有若干个用于采用螺丝与传感器保护壳4固定的螺纹孔，以免光纤光栅单向应变传感器被外界破坏。

图8为本发明实施例提供的传感器保护壳结构示意图，其中，在所述传感器保护壳结构4中，设置有若干个用于采用螺丝与传感器底板3固定的螺纹孔，及在光纤光栅的铠装管出入位置置有凸槽，孔径与光纤光栅的铠装管的孔径一致，使得光纤光栅的铠装管能够出入。所述螺纹孔可以设置在所述传感器保护壳结构4的框架边缘且均匀分布。

从以上描述可以看出，本发明实施例提供的光纤光栅单向应变传感器包括以下优势：

1)尺寸小：所述传感器封装后的尺寸为79*38*29mm，尺寸小意味着所述传感器本身对监测对象的影响小，并且其被意外破坏的可能性小；

2)量程大：光纤光栅应变传感器采用的光纤光栅长期工作的应变范围为±2000με，而采用本发明提供的传感器，由于设置了三环减敏基片1，其材料的弹性模量小，屈服应力大，使得所述传感器的量程能够达到±5000με；大大提高了所述传感器的量程及应用范围；

3)精度高：采用本发明提供的传感器，由于设置了三环减敏基片11，减敏系数适当，使得所述传感器的精度提高；

4)温度补偿：采用本发明提供的传感器，由于设置了温度补偿传感模块2实现温度补偿，所以提高了工程应用的精度；

5)长期稳定性和寿命高：由于本发明提供的传感器中的三环减敏基片11和传感器焊块的连接方式采用螺丝连接，不存在现有的有机粘合方式时出现的长期蠕变及老化问题，在长时间工作时比较稳定可靠，并且使用寿命大大提高；

6)安装工艺简单且可靠性高：由于安装工艺采用氩弧焊接，安装工艺简单，不需要对焊接表面进行复杂的处理，也避免了由于表面处理不到位造成的安装问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。