一种基于光纤光栅的三维传感器及其传感器主体

摘要

本发明公开了一种基于光纤光栅的三维传感器及传感器主体，传感器主体具有测量表面以及将测量表面定位安装于被测空间结构的骨架上的定位部，测量表面上还设有安装光纤光栅传感器的安装部，当被测空间结构形变时，被测空间结构挤压或拉伸传感器主体，各光纤光栅传感器检测相应测量表面的应变参数；该三维传感器通过安装于其测量表面上的光纤光栅传感器即可了解被测空间结构各个方向形变情况，可以掌握空间结构更多方向应变参数数值，有利于相关人员更全面了解空间结构的变化；且该三维传感器可以实现使用光纤光栅传感器技术对仅有骨架梁构成的空间结构形变的测量，进一步扩大了光纤光栅传感技术的应用范围。

说明书

技术领域

本发明涉及传感检测技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅的三 维传感器及其传感器主体。

背景技术

随着建筑经济近年来的高速发展，各种建筑安全问题越来越多， 我国建筑工程因各种原因造成安全事故的经济损失每年多达数百亿， 解决建筑安全问题日益迫切，不容回避。

其中，建筑安全监测系统是保障建筑工程施工过程以及使用过程 安全的主要手段之一。建筑安全监测系统中监测点信号的采集是系统 的关键问题，因此，监测系统中传感器的研究和应用是系统最核心的 技术，传感器性能差会导致最终监测结果不准确、评估及预测存在较 大误差，且一维传感器已经不能完全满足现代安全监测系统的需求。

近年来，基于光纤光栅的传感技术层出不穷，充分地显示了它的 优势，故光纤光栅传感器在民用工程、电力工业、核工业、航空航天 业、船舶工业、医学、石化工业等领域中都获得了广泛的应用。光纤 光栅传感是通过光纤传输的光波强度、频率、相位、偏振态等变化， 测得波长的变化，从而得到被测结构的应力、温度等物理量的大小。

现有技术中光纤光栅传感器基本上只能用于平面轴向的测量，对 于空间结构微变形进行测量时，需要在不同方向安装多个光纤光栅传 感器，获取多个方向的变化，然后得到各个方向所在面的变形情况。 该检测方式需要现场在被测空间结构上设置多个安装光纤光栅的安装 结构，不仅破坏被测空间结构，且需要现场安装、接线，耗时费力。

并且，上述方法也仅是适用于单平面形变测量，无法实现对具有 连接面的三维空间形变监测，限制了光纤光栅检测的应用范围。

因此，如何提供一种基于光纤光栅的三维传感器，该三维传感器 不仅具有高灵敏度，能够实现对空间结构形变的测量，提高空间结构 的形变参数测量准确性，并且可以扩大光纤光栅传感技术的应用范围， 是本领域内技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的为提供一种基于光纤光栅的三维传感器及传感器主 体，该三维传感器能够实现对空间结构形变的测量，灵敏度高，可提 高空间结构的形变参数测量准确性，并且可扩大光纤光栅传感技术的 应用范围。

为解决上述技术问题，本发明提供一种三维传感器的传感器主 体，所述传感器主体具有测量表面以及将所述测量表面定位安装于被 测空间结构的骨架上的定位部，所述测量表面上还设有安装光纤光栅 传感器的安装部，当所述被测空间结构形变时，所述被测空间结构挤 压或拉伸所述测量表面，所述光纤光栅传感器检测相应所述测量表面 的形变参数。

当使用本文所提供的三维传感器对空间结构进行测量时，将预装 有光纤光栅组件的传感器主体定位于被测空间结构的骨架上，然后将 光纤光栅组件的相应端部连接外部信号接收设备，被测空间结构发生 形变时，被测空间结构将挤压或拉伸传感器主体，则安装于测量表面 上的各光纤光栅即可检测出测量表面沿预定方向的应变参数，并且通 过合理设置测量表面的形状以及光纤光栅传感器的方向即可实现对空 间结构各个方向形变情况，可以掌握空间结构更多方向应变参数数值， 有利于相关人员更全面了解空间结构的变化。

需要说明的是，光纤光栅传感器的方向是指刻有光栅段的光纤的 方向。

并且，本文所提供的三维传感器可以实现使用光纤光栅传感技术 对仅有骨架梁构成的空间结构形变的测量，进一步扩大了光纤光栅传 感技术的应用范围。

并且，在一种优选的实施方式中本文所提供的三维传感器主体具 有设定切口，能够提高传感器灵敏度。优选地，所述安装部为所述测 量表面上设置的沿预定方向延伸的凹槽，所述光纤光栅传感器固定于 所述凹槽内；所述预定方向根据检测方向设定。

优选地，所述凹槽的槽底设置有切口，所述切口与所述凹槽的延 伸方向相同，所述光纤光栅传感器置于所述切口的上方。

优选地，沿相应所述凹槽延伸方向，所述切口包括第一段和第二 段，所述第一段和所述第二段分别置于所述凹槽的两端部，且所述第 一段和第二段为贯穿所述传感器主体的开口结构，且各段切口非相交。

优选地，所述三维传感器用于检测顶角为直角的被测空间结构， 所述传感器主体为与所述被测空间结构的直角部匹配安装的正方体结 构，所述正方体结构其中一端角的三个外表面与所述被测空间结构贴 合安装，相对端角的三个外表面均为所述测量表面；三个所述测量表 面上的所述凹槽两两垂直。

优选地，所述定位部为自所述测量表面的侧边缘向外延伸的折弯 部，所述折弯部上设置有螺纹孔或通孔，螺栓的螺纹部穿过所述螺纹 孔或通孔连接所述被测空间结构的骨架。

本发明还提供了一种基于光纤光栅的三维传感器，包括上述任一 项所述的传感器主体以及光纤光栅组件，所述光纤光栅组件包括至少 三支光纤光栅传感器，用于检测所述传感器主体在三维坐标系内的形 变，各所述光纤光栅传感器安装于相应所述安装部。

优选地，所述光纤光栅传感器为光纤光栅贴片传感器，所述光纤 光栅贴片传感器通过焊接工艺或粘接工艺固定于所述凹槽的槽内；

或所述光纤光栅传感器为裸光栅，所述裸光栅通过粘接工艺固定 于所述凹槽的槽内。

优选地，各所述光纤光栅传感器顺次串联，且所述光纤光栅组件 的一端尾纤连接光纤光栅解调设备。

优选地，还包括保护罩，所述保护罩扣于所述传感器主体的测量 表面的外部，所述保护罩上设置有通孔，所述光纤光栅组件的一端尾 纤穿过所述通孔连接光纤光栅解调设备。

附图说明

图1为本发明一种实施例中传感器主体的结构示意图；

图2为图1所示传感器主体的另一方位三维视图；

图3为本发明一种实施例中三维传感器的结构示意图；

图4为本发明另一种实施例中三维传感器的结构示意图。

其中，图1-图4中部件名称与附图标记之间的一一对应关系如下 所示：

第一测量表面11、切口 11a、第一切口 11a1、第二切口 11a2、第 一凹槽 11b、第二测量表面 12、第二凹槽 12b、切口 12a、第三测量表 面 13、第三凹槽 13b、切口 13a、折弯部 14、外表面 15、光纤光栅传 感器 20、保护罩 30。

具体实施方式

本发明的核心为提供一种基于光纤光栅的三维传感器及传感器主 体，该三维传感器可提高空间结构的测量准确性，并且可提高光纤光 栅检测技术的应用范围。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结 合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1-图3，图1为本发明一种实施例中传感器主体的结构 示意图；图2为图1所示传感器主体的另一方位三维视图；图3为本 发明一种实施例中三维传感器的结构示意图；其中图3中仅示出安装 有一个光纤光栅传感器的结构示意图。

本发明提供了一种基于光纤光栅传感器的三维传感器，该三维传 感器主要用于检测空间结构的形变，空间结构主要指角型结构，例如 建筑结构墙角或者各类具有顶角的结构，空间结构可以具有表面，也 可以仅有骨架梁组成。

本文中所提供的三维传感器主要包括传感器主体和光纤光栅组 件，传感器主体具有测量表面以及将测量表面定位安装于被测空间结 构的骨架上的定位部，需要说明的是，本文中所述的被测空间结构的 骨架既可以指围成被测空间结构的表面，也可以指围成被测空间结构 的骨架梁。

测量表面上还设置有安装光纤光栅传感器的安装部，光纤光栅组 件可以包括至少三支光纤光栅贴片传感器，各光纤光栅贴片传感器可 以通过各自的端部连接光纤光栅解调设备，也可以几个顺次串联，这 样可以大大减少外部信号接收设备的接口。该光纤光栅组件也可以为 裸光栅，裸光栅通过粘接工艺固定于所述凹槽的槽内。

其中，测量表面上安装的光纤光栅传感器的安装方向可以根据试 验测试的需要进行设定，一般地，各测量表面上光纤光栅传感器所合 成的形变方向沿三维垂直坐标系的坐标轴方向，即x方向、y方向、z 方向。

当使用本文所提供的三维传感器对空间结构进行测量时，将预装 有光纤光栅组件的传感器主体定位于被测空间结构的骨架上，然后将 光纤光栅组件的相应端部连接光纤光栅解调设备，当被测空间结构发 生形变时，被测空间结构将挤压或拉伸传感器主体，则安装于测量表 面上的各光纤光栅传感器即可检测出测量表面沿预定方向的应变参 数，并且通过合理设置测量表面的形状以及光纤光栅传感器的方向即 可实现对空间结构各个方向形变位移的测量，可以掌握空间结构更多 方向应变参数数值，有利于相关人员更全面了解空间结构的情况。

需要说明的是，光纤光栅传感器的方向是指刻有光栅段的光纤的 方向。

并且，本文所提供的三维传感器可以实现使用光纤光栅传感技术 对仅有骨架梁构成的空间结构形变的测量，进一步扩大了光纤光栅传 感技术的应用范围，并且增加了对骨架梁类空间结构测量的灵敏度。

对于顶角为直角的被测空间结构，三维传感器的传感器主体可以 为与被测空间结构的直角部匹配安装的正方体结构，正方体结构其中 一端角的三个外表面与被测空间结构贴合安装，相对端角的三个外表 面为传感器主体的测量表面，三个测量表面上的凹槽两两垂直。请参 考图2，图2中外表面15与被测空间结构贴合安装，为了便于描述， 将三个测量表面定义为第一测量表面11、第二测量表面12、第三测量 表面13，相应设置于第一测量表面11上的凹槽定义为第一凹槽11b， 第二测量表面12上的凹槽定义为第二凹槽12b，第三测量表面13上 的凹槽定义为第三凹槽13b，第一凹槽11b、第二凹槽12b、第三凹槽 13b两两垂直，其中光纤光栅传感器分别沿凹槽延伸的方向布置，这 样设置于第一凹槽11b、第二凹槽12b、第三凹槽13b中的光纤光栅传 感器分别检测被测空间结构在三个垂直方向上的形变位移。

第一凹槽11b、第二凹槽12b、第三凹槽13b可以设置于相应测量 表面的中间位置。

光纤光栅传感器可以通过焊接工艺或粘接工艺等方式固定于相 应凹槽的槽内。

为了提高三维传感器的检测灵敏度，还可以对传感器主体的结构 进行进一步的改进。

上述各实施方式中的传感器主体测量表面的凹槽的槽底设置有 切口，切口与凹槽的延伸方向相同，光纤光栅传感器置于切口的上方。

沿凹槽延伸方向，所述切口包括第一段和第二段，所述第一段和 所述第二段分别置于所述凹槽的两端部，且所述第一段和第二段为贯 穿所述传感器主体的开口结构，且各段切口非相交。以第一测量表面 11上的第一凹槽11b为例，第一凹槽11b为两端开口结构，第一凹槽 11b内的切口的第一段和第二段分别定义为第一切口11a1和第二切口 11a2，第一切口11a1和第二切口11a2可以关于第一测量表面11的中 心面对称布置。

对于传感器主体为实体结构而言，切口可以延伸至传感器主体的 安装面，即对于实体结构的传感器主体，切口可以延伸至传感器主体 与被测空间结构的贴合安装面，也就是说，传感器主体结构的各个面 均具有切口。对于正方体结构而言，因第一凹槽11b、第二凹槽12b、 第三凹槽13b两两垂直，故各切口也相互垂直。

上述实施例中切口的形式有利于传感器主体受力变形，进一步增 加三维传感器的检测灵敏度。

另外，三维传感器的使用寿命与其应用环境有着及其重要的相关 性，尤其对于光纤光栅传感器20布置于传感器主体表面的三维传感器 而言，光纤光栅传感器20受外界环境影响越小，其检测的灵敏度就越 高以及使用使用寿命就越长。为了提高三维传感器的使用寿命，本文 对三维传感器进行了进一步的改进，具体描述如下。

请参考图4，图4为本发明另一种实施例中三维传感器的结构示 意图。

上述各实施例中的三维传感器还可以进一步设置还包括保护罩 30，保护罩30扣于传感器主体的测量表面的外部，保护罩30上设置 有通孔，光纤光栅组件的一端尾纤穿过通孔连接外部的光纤光栅解调 设备。保护罩30可以起到隔离传感器主体和外界环境的作用，避免外 界环境对传感器主体上安装的光纤光栅传感器20的影响，进而保护设 置于传感器主体上的光纤光栅传感器20免受环境影响，提高光纤光栅 传感器20的使用寿命和检测的灵敏度。

并且，上述实施例中的三维传感器结构有利于三维传感器在比较 恶劣环境中的应用。

保护罩30可以通过粘接、焊接等方式固定于传感器主体上，也 可以通过螺栓等可拆卸方式固定连接传感器主体。当然，保护罩30 也可以直接固定于被测空间结构上。

以下给出了传感器主体与被测空间结构的固定结构。

请再次参考图1，传感器主体的定位部可以为自测量表面的侧边 缘向外延伸的折弯部14，折弯部14上设置有螺纹孔或通孔14a，被测 空间结构相应位置设置有螺纹孔，当传感器主体固定时，螺栓的螺纹 部穿过折弯部14的螺纹孔或通孔14a与被测空间结构的螺纹孔的内螺 纹连接，从而实现传感器主体和被测空间结构的固定。

本文仅是给出了一种具体被测空间结构中传感器主体的一种具 体结构，当然传感器主体的结构不局限于以上描述，例如传感器主体 结构可以为六面体壳体结构或仅由三个测量表面构成的角状结构等。

同理，对于被测空间结构构成的顶角非直角的情况，可以根据被 测空间结构的具体结构设计传感器主体的形状。

以上对本发明所提供的一种基于光纤光栅的三维传感器及其传 感器主体进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及 实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的 方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰， 这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。