一种光纤光栅横向受力应变传感器及检测方法

摘要

本发明公开了一种光纤光栅横向受力应变传感器和检测方法，属于传感技术领域。传感器包括工字型传感器外壳、圆轴基体、光纤光栅、胶粘剂、传感器中空孔、光纤；将圆轴基体固定，表面涂覆胶粘剂，将光纤光栅粘贴在圆轴基体表面，将圆轴基体置入传感器中空孔中在中空孔中注入胶粘剂，保证圆轴基体的稳定，使用焊接或者胶接的方式将工字型传感器壳安装在被测结构的表面或内部。有效的保护裸光纤光栅，而且在轴向拉伸作用下能有效实现光纤光栅横向受力，从而达到光纤光栅应变。其结构简单、受力明确、造价低廉的优点；工字型外壳的设计方便卡槽，造传感器中空孔的收缩，同时提高光纤光栅的应变传递效率，提高了精度测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应变传感器及检测方法，尤其适用于传感技术领域使用的光纤光栅横向受力应变传感器及检测方法。

背景技术

光纤光栅传感技术是20世纪70年代以来伴随着光纤通信技术发展起来的，经过多年来的发展，涌现出各种新型光纤传感器。作为一种新兴的传感器产品，光纤光栅传感器以其抗电磁干扰、耐腐蚀性、高绝缘性、测量范围宽、便于复用成网、可微型化等优点在土木工程、航空航天、石油化工、电力、医疗、船舶工业等领域取得了广泛应用。光纤传感器克服了传统传感器易受电磁辐射干扰、精度低、长期稳定性差以及信号传输距离短的缺点，更加有利于在工程准确的测量。

现阶段，对实用中的光纤光栅传感器进行恰当的封装是非常重要的，封装工艺的好坏直接影响到光纤光栅传感器的功能。光纤光栅应变传感器封装方式包括表贴式封装、管式封装、增敏性封装、减敏式封装和补偿性封装。这些封装方式具有结构简单、易于安装等优点。但容易产生应变传递损耗,使得测量精度有所降低而且由于胶粘剂直接接触光纤光栅区域,容易产生反射波长多峰值的现象。传统的光纤光栅传感器封装技术虽然能够有效解决普遍问题，但是针对特定条件下的传感器监测问题则需要更进一步的研究。

对于光纤光栅依靠横向受力特性进行传感器封装技术现阶段还不成熟，这种类型的传感器还有很大的研究空间，在传感器应用上还特别少。因此，针对光纤光栅横向受力特性进行传感器封装方法的研制具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种结构简单、检测效果好、精度高、误差小的光纤光栅横向受力应变传感器及检测方法。

为实现上述技术目的，本发明的光纤光栅横向受力应变传感器，包括由工字型传感器外壳、圆轴基体、光纤光栅、胶粘剂、传感器中空孔和光纤构成的工字型传感器；所述的工字型传感器外壳内设有贯通的传感器中空孔，圆轴基体设置在传感器中空孔的中央位置，在圆轴基体的表面上对称布置两条光纤光栅，光纤光栅固定过程中需要保证平直均匀，不能弯曲，两个光纤光栅分别与两根光纤连接，两根光纤延伸出传感器中空孔。

所述光纤光栅利用胶水黏贴在圆轴基体表面，圆轴基体利用胶水固定在传感器中空孔中央，传感器中空孔两侧使用胶粘剂封孔，避免传感器中空孔内的圆轴基体从孔内滑出；

所述的圆轴基体上粘结有可同时测量工程结构表面个一点数据的多根光纤光栅。

一种光纤光栅横向受力应变传感器的检测方法，包括如下步骤：

a将两条光纤光栅连着光纤平直粘结固定在圆轴基体的表面，粘结在圆轴基体表面消除了胶粘剂对光纤光栅应变传递的影响；

b将圆轴基体置入工字型传感器壳中的传感器中空孔中央，利用胶粘剂将圆轴基体固定在传感器中空孔中，最后使用焊接或者胶接的方式将工字型传感器壳安装在被测结构的表面或内部；

c在被测结构受拉作用下，安装在被测结构表面的工字型传感器两端同样受到拉力的作用，随着拉力变大，工字型传感器中间中空孔受拉收缩，挤压粘贴在圆轴基体表面的光纤光栅，光纤光栅受压力作用，根据其横向均匀特性进行分析压力与波长关系，解决了粘贴过程中被测结构与光栅延伸率不匹配；

d光纤光栅通过解调仪将光信号转换为电信号发送到电脑中处理，通过电脑储存信号，并根据存储信息计算出传感器的受力信息。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明的光纤光栅应变传感器具有结构简单、受力明确、造价低廉的优点；由于胶粘剂粘贴光纤光栅只是在圆轴基体表面，所使用的胶粘剂很少，不仅消除了胶粘剂对光纤光栅应变传递的影响，而且避免了光纤光栅区域粘接不均匀带来的反射波长多峰值的现象；此外，工字型外壳的设计方便卡槽，造传感器中空孔的收缩，同时提高光纤光栅的应变传递效率；本设计能在圆轴基体上进行粘贴多条光纤光栅，测量多个方向的应变状况，通过多个数据对比，增加了测量的精度，减少了误差；同时根据实际工程需要进行尺寸上的修改，并且传感器可采用焊接、胶接的方式安装在被测结构表面，也能卡槽在内部进行测量。有效地解决了粘贴过程中被测结构与光栅延伸率不匹配，实现了在拉伸受力作用下，通过横向受力进行测量光纤光栅应变状态，保证了光栅的稳定性，同时提高了精度测量。

附图说明

附图1是光纤光栅传感器的各结构示意图；

附图2是光纤光栅传感器的剖面图；

附图3是光纤光栅横向受力应变传感器的封装结构示意图。

图中：1-工字型传感器壳，2-圆轴基体，3-光纤光栅，4-胶粘剂，5-中空孔，6-光纤

具体实施方案

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施过程。

如图1、图2和图3所示，本发明的光纤光栅横向受力应变传感器，包括工字型传感器外壳1、圆轴基体2、光栅3、胶粘剂4、传感器中空孔5、光纤6；其中工字型传感器外壳1内设有贯通的传感器中空孔5，圆轴基体2设置在传感器中空孔5的中央位置，在圆轴基体2的表面上对称布置两条光纤光栅3，光纤光栅3固定过程中需要保证平直均匀，不能弯曲，两个光纤光栅3分别与两根光纤6连接，两根光纤6延伸出传感器中空孔5。

所述光纤光栅3利用胶水黏贴在圆轴基体2表面，圆轴基体2利用胶水固定在传感器中空孔5中央，传感器中空孔5两侧使用胶粘剂4封孔，避免中空孔5内的圆轴基体2从孔内滑出；

使用时，利用焊接或者铰接的方式将工字型传感器两端固定在大型工程结构表面或者内部；工字型传感器内部的圆轴基体2上粘结多根光纤光栅，以对称的方式安装，同时测量工程结构表面一点的数据，提供了对比性以及增加了测量的精度；

本发明的光纤光栅横向受力应变传感器的检测方法：首先用酒精将工字型传感器壳1和圆轴基体2进行清洗，将圆轴基体2固定，在其表面涂覆一层薄薄的胶粘剂4，将光纤光栅3平直的粘贴在圆轴基体2表面，待胶粘剂4固化后，采取同样的方式，在圆轴基体2其他位置粘贴光纤光栅3；粘贴完成光纤光栅3后，将圆轴基体2置入传感器中空孔5中，置入位置在中空孔5中间位置，在中空孔5中注入一定量胶粘剂4，保证圆轴基体2的稳定，待胶粘剂4固化后即完成封装过程。该种封装方法能有效地保护了光纤光栅3，而且在同一个传感器中能封装多条光纤光栅3，对同一点进行多个应变测量，能进行多个数据对比分析，提高了测量的精度，减少了误差。同时该封装方法能在尺寸上根据被测工程结构进行尺寸制定，更能够满足工程的测量需求。基于这种封装方法的光纤光栅应变传感器,为大型工程结构的表面及内部应变测量提供了高测量精度的监测手段。具体步骤如下：

a将两条光纤光栅3连着光纤2平直粘结固定在圆轴基体2的表面，粘结在圆轴基体2表面消除了胶粘剂对光纤光栅3应变传递的影响；

b将圆轴基体2置入工字型传感器壳1中的传感器中空孔5中央，利用胶粘剂4将圆轴基体2固定在传感器中空孔5中，最后使用焊接或者胶接的方式将工字型传感器壳1安装在被测结构的表面或内部；

c在被测结构受拉作用下，安装在被测结构表面的工字型传感器两端同样受到拉力的作用，随着拉力变大，工字型传感器中间中空孔5受拉收缩，挤压粘贴在圆轴基体2表面的光纤光栅3，光纤光栅3受压力作用，根据其横向均匀特性进行分析压力与波长关系，解决了粘贴过程中被测结构与光栅延伸率不匹配；

d光纤光栅3通过解调仪将光信号转换为电信号发送到电脑中处理，通过电脑储存信号，并根据存储信息计算出传感器的受力信息。

主要原理为：在被测结构受拉作用下，安装在被测结构表面的工字型传感器两端同样受到拉力的作用，随着拉力变大，工字型传感器中间中空孔5受拉收缩，挤压粘贴在圆轴基体2表面的光纤光栅3，光纤光栅3受压力作用，可根据其横向均匀特性进行分析压力与波长关系。

其光纤光栅3横向均匀受力分析如下，假设光纤直径为D，纤芯直径为2a，光纤光栅长度为L，栅距为Λ。当沿着光纤光栅3径向施加一个空间均匀作用力时F时，光纤光栅3的横向产生应变，导致波导的结构和折射率发生变化，光纤光栅3将不再保持原有的特性了，其反射谱及传感特性都将发生变化。

由材料力学原理可知，直径为D的光纤内任一点的横向应力σ_x和σ_y(x,y)分别为：

式中：D为光纤直径；F为光纤光栅3横向受力；L为光纤光栅3长度。

由于光纤芯径a≤D，所以光纤光栅横3向应力近似为(x,y)＝(0,0)点处的应力。将x＝0、y＝0带入式(1)和式(2)可得：

假设光纤光栅3的轴向应力为σ_z，可得光纤光栅3的各项应变为：

式中：E为光纤材料的弹性模量；ν为泊松系数。

根据光弹效应原理，结合上式能得到光纤光栅3的各项折射率变化为：

式中：p₁₁、p₁₂为光纤材料的光弹系数；

由式(6)可知，因为σ_x≠σ_y，导致x方向的折射率变化量与y方向的折射率变化量不相等，所以光纤光栅产生双折射现象，而且由于折射率的变化量不等，光纤光栅反射普也将分裂成为具有两个中心波长的反射普。由光纤光栅中心波长变化表达式Δλ_B＝2Δn_effΛ+2Δn_effΔΛ可得，在横向均匀作用力下，光纤光栅两个偏振方向的中心波长变化关系式为：

式中：n_eff为光纤光栅初始有效折射率；λ_BO为光纤光栅初始中心波长，光纤光栅x偏振方向Δλ_Bx和光纤光栅y偏振方向Δλ_By。

显然，在横向均匀作用力条件下，两个偏振方向中心波长改变的大小与相应偏振方向的折射率变化成正比，而且还与轴向的应力有很大关系。

在平面应力情况下，随着载荷的不断增大，劈开的两个峰不断的分开，而且两个峰的移动方向相同，都往长波长方向移动，但移动波长不一样。x偏振方向的谐振峰漂移的波长量相对较大；y偏振方向的谐振峰漂移的波长量相对较小，两个偏振方向的光纤光栅3中心波长漂移量与横向载荷之间的线性关系，光纤光栅x偏振方向Δλ_Bx和光纤光栅y偏振方向Δλ_By分别满足：

Δλ_Bx＝10.176×10^-3·F>

Δλ_By＝2.295×10^-3·F>