專(zhuān)利名稱(chēng)：同時(shí)檢測(cè)應(yīng)變與溫變的光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感器件，特別是一種同時(shí)測(cè)量溫度變化和應(yīng)力變化雙參數(shù)的光纖傳感器。
背景技術(shù)：
光纖傳感器是光纖傳感器中引人注目和十分重要的一類(lèi)傳感器件，使用光纖傳感器可對(duì)鋼結(jié)構(gòu)/混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和溫度變化進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)由于光纖傳感器采用光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和傳輸，因此可以通過(guò)波分復(fù)用的技術(shù)實(shí)現(xiàn)任意規(guī)模的組網(wǎng)，從而進(jìn)行大范圍監(jiān)控測(cè)量，因此該技術(shù)在測(cè)量、控制技術(shù)領(lǐng)域中，特別是在建筑、石油、采礦、化工、電力、交通等產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。光纖微柵的基本原理在光纖纖芯內(nèi)形成空間相位微柵，通常為布拉格微柵 (Bragg微柵)，由于布拉格微柵的布拉格波長(zhǎng)和波形同它所處環(huán)境的參數(shù)，如溫度、應(yīng)力有著密切的關(guān)系，當(dāng)該微柵所在的區(qū)域的溫度或應(yīng)力發(fā)生改變時(shí)，該光纖的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)對(duì)上述光纖微柵波長(zhǎng)的變化情況監(jiān)測(cè)，即可獲得傳感器安裝所在區(qū)域的溫度和應(yīng)力變的變化情況。其檢測(cè)方法是采用所謂波長(zhǎng)編碼，即以光纖微柵峰值波長(zhǎng)作為傳感變量。但是由于光纖微柵對(duì)溫度和應(yīng)變同時(shí)敏感，即溫度和應(yīng)力變化會(huì)同時(shí)引起光纖微柵峰值波長(zhǎng)的變化，這樣通過(guò)檢測(cè)單一光纖微柵峰值波長(zhǎng)的變化是無(wú)法區(qū)分溫度和應(yīng)力這二個(gè)參量的。這種交叉敏感效應(yīng)嚴(yán)重影響著光纖微柵在傳感技術(shù)中的應(yīng)用。為了克服這種效應(yīng)，人們已提出了幾種解決方案，實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)力的變化。1994年M. GXu等人在《Electronics Letters》刊物第30 (13)卷，第1085頁(yè)發(fā)表了一種解決方案，采用在光纖同一位置寫(xiě)入兩個(gè)布拉格波長(zhǎng)相差很大G50nm)的重疊短周期微柵，通過(guò)這兩種微柵峰值波長(zhǎng)的變化對(duì)溫度和應(yīng)力具有不同的響應(yīng)，以此測(cè)定溫度和應(yīng)力。 這種方案的缺點(diǎn)在于在同一位置寫(xiě)入兩個(gè)布拉格波長(zhǎng)的復(fù)合光纖微柵的制備工藝復(fù)雜，復(fù)合光纖微柵制備費(fèi)用高，測(cè)量中需用兩套寬帶光源，兩套光譜解調(diào)設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)的成本尚。1996 年 James. S. W 等人在《Electronics Letters》刊物第 32 (12)卷，第 1133 頁(yè)提出另一種方法，該方法是將兩段不同種類(lèi)的光纖熔接，而后在熔接處寫(xiě)入微柵，利用其相同周期而不同本底折射率，產(chǎn)生二個(gè)分離的布拉格衍射峰。這種方法的缺點(diǎn)是熔接質(zhì)量的好壞將影響傳感器的壽命，而且兩段不同種類(lèi)光纖的芯徑不同，會(huì)引入耦合損耗(實(shí)測(cè)為 2dB)。1998 年 Yu Lung Lo 在《Optical Engineering))刊物第 37 (8)卷，第 2272 頁(yè)提出又一種方法，該方法是將一根常規(guī)短周期光纖微柵先加應(yīng)力拉伸，將其一部分粘固在樣品上，而后撤掉外加應(yīng)力，利用粘在樣品上的微柵的周期大于自由部分的周期，產(chǎn)生兩個(gè)不同的布拉格衍射峰，通過(guò)其對(duì)溫度和應(yīng)力的響應(yīng)差異，達(dá)到同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變的目的。雖然此方法比較簡(jiǎn)單，但作為實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)力的測(cè)量范圍會(huì)受到限制，同時(shí)對(duì)波長(zhǎng)的解調(diào)技術(shù)要求很高，另外，這樣處理后的拉伸段光纖的芯徑比自由部分的要小，影響光纖的機(jī)械強(qiáng)度。
以上缺陷制約了光纖傳感器在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。此外，由于光纖傳感器比較脆弱，因此光纖傳感器的封裝技術(shù)十分關(guān)鍵。在現(xiàn)有技術(shù)中，光纖傳感器大都使用環(huán)氧樹(shù)脂膠封裝。但是，環(huán)氧樹(shù)脂膠具有如下的缺陷(1)不增韌時(shí)，固化物一般偏脆，抗剝離、抗沖擊性能差；(2)對(duì)極性小的材料(例如，聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等)粘接力小，必須進(jìn)行表面活化處理；(3)某些原材料如活性稀釋劑、固化劑等具有不同程度的毒性和刺激性；(4)環(huán)氧樹(shù)脂膠在高溫或高濕度環(huán)境下易失效或性能變差 (例如粘接力變小)，這會(huì)引起傳感器本身的波長(zhǎng)蠕變，從而干擾對(duì)實(shí)際被測(cè)物體的應(yīng)變變化的判斷。所以，現(xiàn)有技術(shù)中以環(huán)氧樹(shù)脂膠封裝的光纖傳感器具有難以克服的耐久性問(wèn)題，使用壽命一般不超過(guò)2年。鑒于以上現(xiàn)有技術(shù)的種種不足，本發(fā)明提供一種制作工藝簡(jiǎn)單，可同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)力的變化的光纖傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種光纖傳感器， 它不僅能進(jìn)行溫度和應(yīng)力傳感檢測(cè)，而且制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，工作穩(wěn)定可靠。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是提供一種光纖傳感器，包括一個(gè)光纖，光纖上設(shè)置有相隔預(yù)定距離的第一布拉格微柵部和第二布拉格微柵部，第一布拉格微柵部的波長(zhǎng)和第二布拉格微柵部的波長(zhǎng)之間具有一波長(zhǎng)差；一個(gè)彈性梁，包括測(cè)溫光纖承載區(qū)、測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)以及位于測(cè)溫光纖承載區(qū)和測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)之間的彈性伸縮區(qū)，光纖的第一布拉格微柵部呈自由態(tài)的設(shè)置在測(cè)溫光纖承載區(qū)上，位于第一布拉格微柵部與第二布拉格微柵部之間的光纖連續(xù)的固定在彈性伸縮區(qū)和測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)上；彈性梁設(shè)置在被測(cè)物體上，由于被測(cè)物體形變導(dǎo)致彈性梁向軸向收縮或伸長(zhǎng)，軸向應(yīng)變力引起第二布拉格微柵部的波長(zhǎng)發(fā)生變化，第二布拉格微柵部的波長(zhǎng)的變化指示軸向應(yīng)變力的變化；被測(cè)物體的環(huán)境溫度變化引起第一布拉格微柵部的波長(zhǎng)發(fā)生變化，第一布拉格微柵部的波長(zhǎng)的變化指示被測(cè)物體的環(huán)境溫度變化。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，彈性梁為金屬?gòu)椥粤?，金屬?gòu)椥粤貉刂漭S向設(shè)置有一個(gè)凹槽，凹槽貫穿測(cè)溫光纖承載區(qū)、測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)和彈性伸縮區(qū)，光纖容納在凹槽中。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，彈性伸縮區(qū)包括一個(gè)蛇形彈簧區(qū)，蛇形彈簧區(qū)響應(yīng)軸向應(yīng)變力作軸向壓縮或拉伸。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，彈性梁進(jìn)一步包括一個(gè)位于一端的固定部，光纖傳感器進(jìn)一步包括第一套管，第一套管的外徑小于固定部的外徑，第一套管的內(nèi)徑略大于彈性梁的測(cè)溫光纖承載區(qū)、彈性伸縮區(qū)、測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)的外徑，第一套管環(huán)繞緊貼套在彈性梁的測(cè)溫光纖承載區(qū)、彈性伸縮區(qū)以及測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)的外周。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，彈性梁進(jìn)一步包括一個(gè)設(shè)置在彈性梁另一端的螺紋區(qū)，螺紋區(qū)鄰近測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)，螺紋區(qū)的外壁設(shè)置有外螺紋。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，光纖傳感器進(jìn)一步包括一個(gè)第二套管，第二套管的長(zhǎng)度短于螺紋區(qū)的軸向長(zhǎng)度，第二套管的內(nèi)壁設(shè)置有內(nèi)螺紋，該內(nèi)螺紋與螺紋區(qū)的外螺紋相互匹配旋接，第二套管環(huán)繞緊貼套在螺紋區(qū)上，且與第一套管相距一預(yù)定距離，以固定彈性梁的另一端。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，光纖傳感器進(jìn)一步包括一個(gè)緊固螺母，緊固螺母設(shè)置在第一套管與第二套管之間的螺紋區(qū)上，緊固螺母通過(guò)螺紋旋接壓迫第一套管，使其與彈性梁的固定部相抵觸。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，光纖傳感器進(jìn)一步包括一個(gè)調(diào)節(jié)螺母，調(diào)節(jié)螺母沿螺紋區(qū)的軸向兩側(cè)旋進(jìn)，在緊固螺母與第二套管相對(duì)于螺紋區(qū)固定的情況下，當(dāng)調(diào)節(jié)螺母向緊固螺母方向旋進(jìn)時(shí)，彈性梁受螺紋區(qū)軸向的拉力向外伸長(zhǎng)，當(dāng)調(diào)節(jié)螺母向第二套管方向旋進(jìn)時(shí)，彈性梁受螺紋區(qū)軸向的壓力向內(nèi)收縮，調(diào)節(jié)螺母以此對(duì)彈性梁的軸向應(yīng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，光纖傳感器進(jìn)一步包括二個(gè)安裝底座，彈性梁的兩端分別剛性連接固定在二安裝底座上，安裝底座用于固定在被測(cè)物體上。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，光纖傳感器進(jìn)一步包括二個(gè)堵頭，堵頭為具有通孔的套管，堵頭設(shè)置在彈性梁的兩側(cè)端部，用于容納固定光纖的兩側(cè)的光纖頭。本發(fā)明的有益效果是第一，本發(fā)明提供的光纖傳感器不僅能進(jìn)行溫度和應(yīng)力傳感檢測(cè)，而且加工工藝簡(jiǎn)單，成本低，工作穩(wěn)定可靠。第二，本發(fā)明提供的光纖傳感器具有彈性梁組件，彈性梁組件上設(shè)置有彈性伸縮區(qū)，可以感測(cè)小范圍值的應(yīng)力變化，增強(qiáng)了光纖傳感器的測(cè)量靈敏度。


圖1是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例的結(jié)構(gòu)爆炸圖。圖2是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例的立體圖。圖3是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例裝配后的主視圖。圖4是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例按圖3中剖面線方向的剖面視圖。圖5是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例裝配后的左視圖。圖6是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例裝配后的右視圖。圖7是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例中彈性梁元件的主視圖。圖8是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例中彈性梁元件的俯視圖。圖9是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例中彈性梁元件的仰視圖。圖10是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例中彈性梁元件的左視圖。圖11是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例中彈性梁元件的右視圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。圖1是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例的結(jié)構(gòu)爆炸圖。圖2是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例的立體圖。圖3是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例裝配后的主視圖。圖4是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例按圖3中剖面線方向的剖面視圖。圖5是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例裝配后的左視圖。 圖6是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例裝配后的右視圖。如圖1-6所示，本發(fā)明中的光纖傳感器包括彈性梁10、光纖20、第一套管30、第
6二套管40、緊固螺母50、調(diào)節(jié)螺母60、兩個(gè)安裝底座71和72、兩個(gè)緊固螺栓81和82以及兩個(gè)堵頭91和92。彈性梁10是光纖傳感器的核心元件，用于承載和固定光纖20。其由圓柱形金屬材料加工形成，加工工藝簡(jiǎn)單，金屬材料可以選用不銹鋼等耐腐蝕材料、機(jī)械強(qiáng)度好的金屬材料。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，彈性梁10包括固定部11、測(cè)溫光纖承載區(qū)12、彈性伸縮區(qū)13、測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)14、阻擋部15、螺紋區(qū)16、以及貫穿彈性梁10軸線方向的容納槽 17等多個(gè)部分，螺紋區(qū)16的外壁設(shè)置有外螺紋19。由于彈性梁上設(shè)置有彈性伸縮區(qū)，因此可以感測(cè)小范圍值的應(yīng)力變化，增強(qiáng)了光纖傳感器的測(cè)量靈敏度。關(guān)于彈性梁10各個(gè)部分的具體細(xì)節(jié)后文將結(jié)合彈性梁10的六面視圖進(jìn)行詳細(xì)描述，此處僅進(jìn)行簡(jiǎn)略說(shuō)明。光纖20設(shè)置在彈性梁10的容納槽17中。光纖20作為光學(xué)波導(dǎo)，其內(nèi)壓印(或嵌入或印刻)有布拉格微柵。與現(xiàn)有技術(shù)中M.G. Xu等人所采取的制作工藝不同，本發(fā)明的光纖20不是在光纖的同一位置寫(xiě)入兩個(gè)重疊微柵，而是在一根光纖的兩個(gè)相隔一定距離的不同位置分別寫(xiě)入布拉格波長(zhǎng)不同的兩個(gè)布拉格微柵，這種制作工藝的優(yōu)點(diǎn)在于，降低了制作難度，無(wú)需考慮重疊微柵的相互影響，也不需要在制作時(shí)進(jìn)行精確的位置對(duì)準(zhǔn)，由于不是重疊微柵，因此兩段光纖的布拉格波長(zhǎng)的差異也不需要像M. G. Xu等人所作的那樣大， 波長(zhǎng)差異較小，因此測(cè)量時(shí)使用一套寬帶光源和一套光譜解調(diào)設(shè)備即可，降低了系統(tǒng)成本。 如圖1所示，光纖20上進(jìn)一步包括測(cè)溫光纖部21和測(cè)應(yīng)變光纖部22，測(cè)溫光纖部21設(shè)置在彈性梁10的測(cè)溫光纖承載區(qū)12上，測(cè)應(yīng)變光纖部22設(shè)置在彈性梁10的測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)14上，二者之間的光纖部分則設(shè)置在彈性伸縮區(qū)13。為使光纖20能夠同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)力的變化，并且測(cè)溫部分不受應(yīng)力的影響，在本發(fā)明的實(shí)施例中，測(cè)溫光纖部21是呈自由地松弛態(tài)容納在測(cè)溫光纖承載區(qū)12上，即固定點(diǎn)23至固定部11的光纖是呈自由態(tài)設(shè)置，而固定點(diǎn)23至阻擋部15的光纖則是連續(xù)地固定在彈性梁10上，因此測(cè)溫光纖部21不會(huì)受彈性梁10的軸向應(yīng)力的形變影響，而測(cè)應(yīng)變光纖部22則會(huì)隨彈性梁的軸向應(yīng)力變化而改變對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)。第一套管30為圓柱形金屬管，其外徑等于彈性梁10的固定部11的外徑，其內(nèi)徑略大于彈性梁10的測(cè)溫光纖承載區(qū)12、彈性伸縮區(qū)13、測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)14、阻擋部15、 螺紋區(qū)16的外徑，因此第一套管30可以環(huán)繞的緊貼的套在彈性梁10的測(cè)溫光纖承載區(qū) 12、彈性伸縮區(qū)13、測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)14外側(cè)，以便于對(duì)彈性梁10以及彈性梁10上的光纖20上的測(cè)溫光纖部21和測(cè)應(yīng)變光纖部22的布拉格微柵起保護(hù)作用，從而避免外界環(huán)境因素?fù)p傷彈性梁10和光纖20。并且這種圓柱形環(huán)套結(jié)構(gòu)提高了光纖傳感器的徑向機(jī)械強(qiáng)度，這提高了光纖傳感器的使用壽命，降低了故障率。第二套管40是和第一套管30外徑相同的圓柱形金屬管，其內(nèi)徑小于第一套管30 的內(nèi)徑。第二套管40的內(nèi)壁設(shè)置有內(nèi)螺紋，該內(nèi)螺紋可以與彈性梁10上螺紋區(qū)16的外螺紋相互匹配，第二套管40通過(guò)內(nèi)壁的內(nèi)螺紋與彈性梁10螺紋旋接。緊固螺母50和調(diào)節(jié)螺母60是形狀、尺寸相同的兩個(gè)螺母，二者均設(shè)置在第一套管 30與第二套管40之間，其中緊固螺母50設(shè)置在靠近第一套管30的一側(cè)，調(diào)節(jié)螺母60設(shè)置在靠近第二套管40的一側(cè)，緊固螺母50和調(diào)節(jié)螺母60的內(nèi)螺紋尺寸與第二套管40的內(nèi)螺紋尺寸相同，即緊固螺母50和調(diào)節(jié)螺母60也是經(jīng)由彈性梁10的螺紋區(qū)16的外螺紋與彈性梁10相互螺紋旋接。緊固螺母50通過(guò)螺紋旋接可以壓迫第一套管30，使其與彈性梁10的固定部11相抵觸，從而固定第一套管30。調(diào)節(jié)螺母60可以沿螺紋區(qū)16的軸向兩側(cè)旋進(jìn)，當(dāng)緊固螺母50與第二套管40相對(duì)于彈性梁10的螺紋區(qū)16固定時(shí)，調(diào)節(jié)螺母60向緊固螺母50方向旋進(jìn)會(huì)使得彈性梁10 受螺紋區(qū)軸向的拉力向外伸長(zhǎng)，調(diào)節(jié)螺母60向第二套管40方向旋進(jìn)則會(huì)使得彈性梁10受螺紋區(qū)軸向的壓力向內(nèi)收縮，從而調(diào)節(jié)螺母60可以對(duì)彈性梁10的軸向應(yīng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得彈性梁10可根據(jù)軸向應(yīng)力收縮或伸長(zhǎng)。安裝底座71為一 U形金屬臺(tái)體，U形金屬臺(tái)體的中間的通孔內(nèi)徑略大于第二套管 40的通孔，用于容納固定第二套管40。U形金屬臺(tái)體的底面固定在被測(cè)物體上，固定方式包括焊接等不易變形位移的固定方式U形金屬臺(tái)體的兩個(gè)側(cè)壁上開(kāi)設(shè)有對(duì)稱(chēng)的開(kāi)孔，其中一側(cè)的開(kāi)孔內(nèi)設(shè)置有內(nèi)螺紋，緊固螺栓81的栓體上設(shè)置有外螺紋，可以穿過(guò)另一側(cè)無(wú)螺紋開(kāi)孔與螺紋開(kāi)孔旋接，從而調(diào)節(jié)U形金屬臺(tái)體的開(kāi)口尺寸，進(jìn)而對(duì)第二套管40進(jìn)行壓緊或放松，以固定或松弛第二套管40與安裝底座71的配合。安裝底座72和緊固螺栓82與之類(lèi)似，僅其固定對(duì)象變?yōu)閺椥粤?0的固定部11， 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可理解該固定結(jié)構(gòu)，此處不再累述。堵頭91和92是中間具有通孔的套管，用于容納固定光纖20兩側(cè)的光纖頭，并對(duì)光纖傳感器的軸向進(jìn)行密封。堵頭91和92設(shè)置在彈性梁10的兩側(cè)端部，彈性梁10的兩側(cè)端部上均設(shè)置有內(nèi)螺紋孔，堵頭91和92可以通過(guò)螺紋旋接的方式固定在彈性梁10上。圖7是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例中彈性梁元件的主視圖。圖8是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例中彈性梁元件的俯視圖。圖9是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例中彈性梁元件的仰視圖。圖10是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例中彈性梁元件的左視圖。圖11是本發(fā)明光纖傳感器實(shí)施例中彈性梁元件的右視圖。如圖7-11所示，彈性梁10由圓柱形金屬棒加工形成，彈性梁10包括固定部11、測(cè)溫光纖承載區(qū)12、彈性伸縮區(qū)13、測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)14、阻擋部15、螺紋區(qū)16、以及貫穿彈性梁10軸線方向的容納槽17等多個(gè)部分。固定部11設(shè)置在彈性梁10的一端，其為圓柱形，用于與安裝底座72相配合，以剛性固定彈性梁10。測(cè)溫光纖承載區(qū)12和測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)14是沿彈性梁10的軸平面切割形成的臺(tái)面，分別用于承載測(cè)溫光纖部21和測(cè)應(yīng)變光纖部22。彈性伸縮區(qū)13設(shè)置在測(cè)溫光纖承載區(qū)12和測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)14之間，其通過(guò)對(duì)圓柱形金屬棒進(jìn)行徑向的交錯(cuò)切槽，形成的蛇形彈簧區(qū)，相對(duì)于圓柱形金屬棒本體而言，蛇形彈簧區(qū)在受力情況下更容易變形，因此對(duì)彈性梁10的軸向應(yīng)力變化更加敏感，這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得光纖傳感器可以感測(cè)小范圍值的應(yīng)力變化，增強(qiáng)了光纖傳感器的測(cè)量靈敏度。阻擋部15為圓柱形，其外徑略大于緊固螺母50的內(nèi)螺紋的內(nèi)徑，以避免緊固螺母 50在安裝時(shí)旋進(jìn)過(guò)度。螺紋區(qū)16為圓柱形，外壁設(shè)置有外螺紋，用于與第二套管40、緊固螺母50、調(diào)節(jié)螺母60的內(nèi)螺紋相匹配。容納槽17是沿彈性梁10垂直于測(cè)溫光纖承載區(qū)12和測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)14臺(tái)面的軸向方向向著彈性梁10的軸心線開(kāi)槽形成，用于容納光纖20，容納槽17的兩個(gè)端部設(shè)置有內(nèi)螺紋，以安裝固定堵頭91和92。
上述光纖傳感器的安裝過(guò)程極為簡(jiǎn)便，在本發(fā)明提供的實(shí)施例中，可先將安裝底座71或72的其中一個(gè)先焊接在被在測(cè)物體上，再將上述光纖傳感器固定在焊接完畢的安裝底座上。通過(guò)調(diào)節(jié)光纖傳感器的調(diào)節(jié)螺母60，使得彈性梁10被拉伸或收縮，由于光纖20 固定在彈性梁10上，所以光纖20上的布拉格微柵也同時(shí)被拉伸或收縮，其布拉格波長(zhǎng)將發(fā)生相應(yīng)的變化，因此可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)光纖傳感器的初始波長(zhǎng)的位置，然后再擰緊緊固螺母50，再將上述光纖傳感器固定在另外一個(gè)底座上，再焊接該底座到鋼鐵或者鋼鐵預(yù)埋件上，至此完成安裝。在安裝完成后，由于安裝底座71、72與彈性梁10之間是剛性連接，而光纖20固定于彈性梁10上，因此當(dāng)光纖傳感器受到軸向應(yīng)力作用時(shí)，彈性梁10將產(chǎn)生收縮或伸長(zhǎng)，使得測(cè)量應(yīng)變的光纖微柵波長(zhǎng)也隨之將發(fā)生變化；然后，可根據(jù)該中心波長(zhǎng)的漂移情況獲知應(yīng)力的變化情況，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)力變化的監(jiān)測(cè)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，可通過(guò)調(diào)節(jié)螺母60調(diào)整上述光纖傳感器的伸縮量，將其初始中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)到所需的位置，從而調(diào)整該光纖傳感器的測(cè)量范圍。由上可知，在本發(fā)明的實(shí)施例中，上述光纖傳感器的測(cè)試范圍可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活地調(diào)節(jié)，既可測(cè)試負(fù)應(yīng)變又可測(cè)試正應(yīng)變，從而可適應(yīng)多種應(yīng)用環(huán)境；同時(shí)，由于該光纖傳感器的零點(diǎn)波長(zhǎng)可在安裝后進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此也不存在由于安裝而引起的零點(diǎn)漂移的問(wèn)題；另外，該光纖傳感器還具有可臨時(shí)安裝、可拆卸、可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，可用于測(cè)試混凝土及鋼結(jié)構(gòu)表面上應(yīng)力變化(例如橋梁、提壩、鋼骨架結(jié)構(gòu)、高樓承重梁等的應(yīng)力變化)， 從而達(dá)到監(jiān)測(cè)及預(yù)防的作用。在本發(fā)明的實(shí)施例中，可使用非膠封裝技術(shù)將光纖20固定在彈性梁10上。該非膠封裝技術(shù)是利用低熔點(diǎn)特種金屬焊接材料來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的環(huán)氧樹(shù)脂膠的封裝技術(shù)。在非膠封裝技術(shù)中，選用了特殊高分子金屬材料(例如，鎳合金)作為焊接，利用該焊料在600 800攝氏度的高溫條件下熔化的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖微柵與弓弦式彈性折線組件進(jìn)行焊接固定。該非膠封裝技術(shù)可采用可調(diào)恒溫式激光焊接技術(shù)，封裝裝置可采用光學(xué)平臺(tái)及高精度微調(diào)系統(tǒng)，并且在封裝時(shí)對(duì)焊接點(diǎn)采用高倍數(shù)放大成像系統(tǒng)，理想狀態(tài)是在真空狀態(tài)下進(jìn)行封裝，從而使得形成的焊點(diǎn)的強(qiáng)度更為可靠。在本發(fā)明的實(shí)施例中，由于采用金屬化光纖封裝代替了現(xiàn)有技術(shù)中的環(huán)氧膠粘接技術(shù)，焊點(diǎn)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粘接點(diǎn)的強(qiáng)度，從而可大大提高該光纖傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；由于采用無(wú)機(jī)焊料替代傳統(tǒng)環(huán)氧膠填充，可使得該光纖傳感器的高溫穩(wěn)定性得到顯著提升； 由于上述焊料為化學(xué)惰性，因此不與環(huán)境產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，不氧化，抗老化性能好，從而使得該光纖傳感器具有更長(zhǎng)的使用壽命；由于上述焊料本身具備耐水、而酸堿、高強(qiáng)度、無(wú)蠕變等特性，從而使得該光纖傳感器具有不怕水、耐腐蝕的性能。本發(fā)明的有益效果是第一，本發(fā)明提供的光纖傳感器不僅能進(jìn)行溫度和應(yīng)力傳感檢測(cè)，而且光纖傳感器的主要組件均為圓柱形金屬材料，加工工藝簡(jiǎn)單，成本低，機(jī)械強(qiáng)度好，工作穩(wěn)定可靠。第二，本發(fā)明提供的光纖傳感器具有彈性梁組件，彈性梁組件上設(shè)置有彈性伸縮區(qū)，可以感測(cè)小范圍值的應(yīng)力變化，增強(qiáng)了光纖傳感器的測(cè)量靈敏度。第三，本發(fā)明提供的光纖傳感器具有調(diào)節(jié)螺母組件，可對(duì)彈性梁組件的軸向應(yīng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得彈性梁組件可根據(jù)軸向應(yīng)力收縮或伸長(zhǎng)，因此光纖傳感器的測(cè)量范圍可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活地調(diào)節(jié)，既可測(cè)試負(fù)應(yīng)變又可測(cè)試正應(yīng)變，從而可適應(yīng)多種應(yīng)用環(huán)境。第四，本發(fā)明提供的光纖傳感器具有緊固螺母組件，光纖傳感器的零點(diǎn)波長(zhǎng)可在安裝時(shí)通過(guò)緊固螺母緊鎖，因此避免了因震動(dòng)而引起的零點(diǎn)波長(zhǎng)漂移的問(wèn)題。第五，本發(fā)明提供的光纖傳感器具有套管組件和堵頭組件，可將光纖密封于光纖傳感器內(nèi)，從而避免外界環(huán)境因素?fù)p傷光纖，并且提高了光纖傳感器的機(jī)械強(qiáng)度，這提高了光纖傳感器的使用壽命，降低了故障率。第六，本發(fā)明提供的光纖傳感器由于采用金屬化光纖封裝代替了現(xiàn)有技術(shù)中的環(huán)氧膠粘接技術(shù)，焊點(diǎn)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粘接點(diǎn)的強(qiáng)度，從而可大大提高光纖傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；由于采用無(wú)機(jī)焊料替代傳統(tǒng)環(huán)氧膠填充，可使得光纖傳感器的高溫穩(wěn)定性得到顯著提升；由于上述焊料為化學(xué)惰性，因此不與環(huán)境產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，抗氧化、抗老化性能好，從而使得光纖傳感器具有更長(zhǎng)的使用壽命；由于上述焊料本身具備耐水、耐酸堿、高強(qiáng)度、無(wú)蠕變等特性，從而使得光纖傳感器具有耐水、耐腐蝕的性能。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神的原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光纖傳感器，其特征在于，包括光纖，所述光纖上設(shè)置有軸向相隔預(yù)定距離的第一布拉格微柵部和第二布拉格微柵部，所述第一布拉格微柵部的波長(zhǎng)和第二布拉格微柵部的波長(zhǎng)之間具有一波長(zhǎng)差；彈性梁，包括測(cè)溫光纖承載區(qū)、測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)以及位于所述測(cè)溫光纖承載區(qū)和所述測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)之間的彈性伸縮區(qū)，所述光纖的第一布拉格微柵部呈自由態(tài)地設(shè)置在所述測(cè)溫光纖承載區(qū)上，所述光纖的第二布拉格微柵部連續(xù)地固定在所述測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)上，位于所述第一布拉格微柵部與所述第二布拉格微柵部之間的所述光纖連續(xù)地固定在所述彈性伸縮區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于，所述彈性梁為金屬?gòu)椥粤?，所述金屬?gòu)椥粤貉刂漭S向設(shè)置有一個(gè)凹槽，所述凹槽貫穿所述測(cè)溫光纖承載區(qū)、所述測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)和所述彈性伸縮區(qū)，所述光纖容納在所述凹槽中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于，所述彈性伸縮區(qū)包括一個(gè)蛇形彈簧區(qū)，所述蛇形彈簧區(qū)響應(yīng)所述軸向應(yīng)變力作軸向壓縮或拉伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于，所述彈性梁進(jìn)一步包括一個(gè)位于一端的固定部，所述光纖傳感器進(jìn)一步包括第一套管，所述第一套管的外徑小于所述固定部的外徑，所述第一套管的內(nèi)徑略大于所述彈性梁的測(cè)溫光纖承載區(qū)、彈性伸縮區(qū)、測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)的外徑，所述第一套管環(huán)繞緊貼套在所述彈性梁的測(cè)溫光纖承載區(qū)、所述彈性伸縮區(qū)以及所述測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)的外周。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖傳感器，其特征在于，所述彈性梁進(jìn)一步包括一個(gè)設(shè)置在所述彈性梁另一端的螺紋區(qū)，所述螺紋區(qū)鄰近所述測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)，所述螺紋區(qū)的外壁設(shè)置有外螺紋。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖傳感器，其特征在于，所述光纖傳感器進(jìn)一步包括一個(gè)第二套管，所述第二套管的長(zhǎng)度短于所述螺紋區(qū)的軸向長(zhǎng)度，所述第二套管的內(nèi)壁設(shè)置有內(nèi)螺紋，該內(nèi)螺紋與所述螺紋區(qū)的外螺紋相互匹配旋接，所述第二套管環(huán)繞緊貼套在所述螺紋區(qū)上，且與所述第一套管相距一預(yù)定距離，以固定所述彈性梁的另一端。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖傳感器，其特征在于，所述光纖傳感器進(jìn)一步包括一個(gè)緊固螺母，所述緊固螺母設(shè)置在所述第一套管與所述第二套管之間的所述螺紋區(qū)上，所述緊固螺母通過(guò)螺紋旋接壓迫所述第一套管，使其與所述彈性梁的所述固定部相抵觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖傳感器，其特征在于，所述光纖傳感器進(jìn)一步包括一個(gè)調(diào)節(jié)螺母，所述調(diào)節(jié)螺母沿所述螺紋區(qū)的軸向兩側(cè)旋進(jìn)，在所述緊固螺母與所述第二套管相對(duì)于所述螺紋區(qū)固定的情況下，當(dāng)所述調(diào)節(jié)螺母向所述緊固螺母方向旋進(jìn)時(shí)，所述彈性梁受所述螺紋區(qū)軸向的拉力向外伸長(zhǎng)，當(dāng)所述調(diào)節(jié)螺母向所述第二套管方向旋進(jìn)時(shí)，所述彈性梁受所述螺紋區(qū)軸向的壓力向內(nèi)收縮，所述調(diào)節(jié)螺母以此對(duì)所述彈性梁的軸向應(yīng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于，所述光纖傳感器進(jìn)一步包括二個(gè)安裝底座，所述彈性梁的兩端分別剛性連接固定在二安裝底座上，所述安裝底座用于固定在被測(cè)物體上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于，所述光纖傳感器進(jìn)一步包括二個(gè)堵頭，所述堵頭為具有通孔的套管，所述堵頭設(shè)置在所述彈性梁的兩側(cè)端部，用于容納固定所述光纖的兩側(cè)的光纖頭。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種同時(shí)檢測(cè)應(yīng)變與溫變的光纖傳感器，包括一個(gè)光纖，光纖上設(shè)置有相隔預(yù)定距離的第一布拉格微柵部和第二布拉格微柵部，第一布拉格微柵部的波長(zhǎng)和第二布拉格微柵部的波長(zhǎng)之間具有一波長(zhǎng)差；一個(gè)彈性梁，包括測(cè)溫光纖承載區(qū)、測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)以及位于測(cè)溫光纖承載區(qū)和測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)之間的彈性伸縮區(qū)，光纖的第一布拉格微柵部呈自由態(tài)的設(shè)置在測(cè)溫光纖承載區(qū)上，位于第一布拉格微柵部與第二布拉格微柵部之間的光纖連續(xù)的固定在彈性伸縮區(qū)和測(cè)應(yīng)變光纖承載區(qū)上。本發(fā)明的光纖傳感器不僅能進(jìn)行溫度和應(yīng)力傳感檢測(cè)，而且制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，機(jī)械強(qiáng)度好，工作穩(wěn)定可靠。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102235921SQ20111007716
公開(kāi)日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者徐峻鋒, 殷秀萍 申請(qǐng)人:徐峻鋒