一種靈敏度可調(diào)的光纖光柵應變傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于光纖傳感領域，主要設及一種靈敏度可調(diào)的光纖光柵應變傳感 器。
【背景技術】
[0002] 光纖光柵是20世紀90年代W來在國際上新興的一種基礎性光纖無源器件。光纖光 柵對應變、溫度都敏感，是制備傳感器的優(yōu)良器件，且具有抗電磁干擾、體積小、重量輕、壽 命長、復用性好和組網(wǎng)能力強等優(yōu)點。因此，光纖光柵傳感器廣泛應用于橋梁、隧道、大巧、 邊坡和礦井等工程領域中。
[0003] 在結構安全監(jiān)測行業(yè)中，不同應用場合和不同材質(zhì)結構所需的應變分辨率和應變 量程存在區(qū)別，比如混凝±結構的彈性形變小于鋼結構的彈性形變。目前，絕大部分光纖光 柵應變傳感器沒有采用增敏結構，其應變量程一般為± 1500ye，應變靈敏度為1.2pmAxe，在 橋梁、大巧等結構的安全監(jiān)測中，該量程的指標能夠滿足其測試要求。但在橋梁定期檢測 中，橋梁的最大應變值一般為20化e~30化e，導致絕大部分傳感器應變量程過大，但應變靈 敏度偏低
[0004] 目前，研究人員提出了一些增敏結構，如專利2 0 1 2 2 0 1 5 4 8 8 3 . 8和專利 201220207094,其主要途徑是通過減小光纖光柵固定點的間距，從而降低了光柵固定間距 與傳感器標距之比。但該方法只能得到某一個特定的應變靈敏度和對應的應變量程，即只 能適用于某一個特定領域的應變測試，而無法滿足不同的應用場合。
[0005] 光纖光柵應變傳感器的溫度補償技術主要采取的兩種方式，一是結構的自補償技 術，如專利200810079639.8和專利200810104456.7，通過結構體的熱脹冷縮特性來補償光 纖光柵由熱效應引起的波長漂移。但自補償技術要求精密的封裝技術，無疑增加了傳感器 的生產(chǎn)成本，且當溫度快速變化時(如，早晨和傍晚的溫度變化較快），空氣溫度和結構體的 溫度存在差異，導致傳感器的補償誤差較大;二是通過光纖光柵溫度傳感器對應變傳感器 進行補償，該方法簡單方便，廣泛應用于結構體的安全監(jiān)測項目中。但它與前者存在相同的 問題，即當溫度快速變化時，溫度傳感器的溫度和結構體的溫度存在差異，導致傳感器的補 償誤差較大，且額外增加了傳感器的數(shù)量和成本。因此，目前光纖光柵應變傳感器的溫度補 償還無法滿足溫度變化較快的場合。 【實用新型內(nèi)容】
[0006] 本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術中存在的問題，而提供一種靈敏度 可調(diào)的光纖光柵應變傳感器，該傳感器可W調(diào)節(jié)應變靈敏度和量程，從而滿足不同測試量 程的應用場合。同時，該技術可W進行應變傳感器的溫度實時補償，減少溫度快速變化引起 的補償誤差。
[0007] 本實用新型的目的是通過如下技術方案來完成的。運種靈敏度可調(diào)的光纖光柵應 變傳感器，包括應變測試光纖光柵、溫度補償光纖光柵、細彈性基體、粗彈性基體、安裝底 座、尾纖、蓋板、蓋板固定螺絲、底座安裝孔和螺帽，所述的應變測試光纖光柵通過膠粘或低 溫玻璃焊料粘接于細彈性基體;溫度補償光纖光柵通過膠粘或低溫玻璃焊料粘接于粗彈性 基體;安裝底座采用膠粘、螺絲固定或焊接方式固定于待測結構表面，其固定位置為底座安 裝孔，通過螺帽將蓋板和細彈性基體或粗彈性基體固定于安裝底座;安裝底座有兩道平行 的滑槽，滑槽底部寬度大于上部寬度，使得蓋板固定螺絲能夠在滑槽內(nèi)自由移動，通過改變 蓋板的位置調(diào)整彈性基體的固定間距。
[0008] 所述滑槽標有刻度，能夠讀取蓋板固定位置的坐標。
[0009] 本實用新型的有益效果為:通過調(diào)節(jié)光纖光柵彈性基體的固定間距來調(diào)整傳感器 靈敏度的光纖光柵應變傳感器，可根據(jù)不同的應用場合來調(diào)整傳感器的靈敏度，得到最佳 的應變測量范圍和應變分辨率。在應變測試光纖光柵的相似位置安裝溫度補償光纖光柵來 對傳感器進行溫度實時補償，減小了溫度快速變化而引起的補償誤差。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本實用新型的結構示意圖；
[0011] 圖2是本實用新型的剖面圖；
[0012] 附圖標記說明：1、應變測試光纖光柵;2、溫度補償光纖光柵;3、細彈性基體;4、粗 彈性基體;5、安裝底座;6、尾纖;7、蓋板;8、滑槽;9、蓋板固定螺絲；10、底座安裝孔；11、螺 帽。
【具體實施方式】
[0013] 下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明：
[0014] 如圖1-2所示，運種靈敏度可調(diào)的光纖光柵應變傳感器，包括應變測試光纖光柵1、 溫度補償光纖光柵2、細彈性基體3、粗彈性基體4、安裝底座5、尾纖6、蓋板7、蓋板固定螺絲 9、底座安裝孔10和螺帽11，所述的應變測試光纖光柵1通過膠粘或低溫玻璃焊料粘接于細 彈性基體3;溫度補償光纖光柵2通過膠粘或低溫玻璃焊料粘接于粗彈性基體4;安裝底座5 采用膠粘、螺絲固定或焊接方式固定于待測結構表面，其固定位置為底座安裝孔10,通過螺 帽11將蓋板7和細彈性基體3或粗彈性基體4固定于安裝底座5;安裝底座5有兩道平行的滑 槽8,滑槽8底部寬度大于上部寬度，使得蓋板固定螺絲9能夠在滑槽8內(nèi)自由移動，通過改變 蓋板7的位置調(diào)整彈性基體的固定間距。所述滑槽8標有刻度，能夠讀取蓋板7固定位置的坐 標。
[0015] 彈性基體的彈性模量遠小于不誘鋼，安裝底座和蓋板采用不誘鋼之類的高彈性模 量的金屬材質(zhì)。應變測試光纖光柵采用光纖膠水或低溫玻璃焊料粘接于細彈性基體，溫度 補償光纖光柵W同樣粘接方式固定于粗彈性基體。安裝底座配有移動滑槽，蓋板可W在移 動滑槽上進行移動，并通過螺絲將彈性基體固定于安裝底座，因此，通過改變蓋板的位置可 W調(diào)整彈性基體的固定間距。
[0016] 傳感器底座通過膠粘、膨脹螺絲或焊接等方式固定于待測結構表面，兩個底座固 定點的間距即為傳感器的標距化）。當待測結構產(chǎn)生變形時，安裝底座將會產(chǎn)生相變形量 (A L)，而安裝底座的模量遠大于彈性基體，安裝底座形變可W忽略不計，形變主要集中在 彈性基體上（AL)。因此，
[0017]對于傳感器而言，其應變?yōu)?[001 引
CD
[0019]其中，A L= A Li+A L2, A L功細彈性基體的形變量，A L勸粗彈性基體的形變量。
[0020] 而彈性基體的形變量為
[0021] Al^i = EiXb (2)
[0022] AL2=￡2XL2 (3)
[0023] 其中，ei、E2分別為細、粗彈性基體的應變值，Li、L2分別為細、粗彈性基體的固定長 度。
[0024] 由于細、粗彈性基體的彈性模量一致，所受的拉伸/壓縮力也一致，所W細彈性基 體和粗彈性基體所受的應力相同，即
[0025] (4)
[00%]其中，F(xiàn)為彈性基體所有的作用力，E為彈性基體的彈性模量。
[0027]因此，
[002引
[0029] (b)
[0030] 因此，増敏系數(shù)K為
[0031] (7)
[0032] 其中，0<L1 < 1/化；0<L2< 1/2LA1 <A2;
[0033] 當L1=L2 = 1/化，A1=A2時，傳感器的増敏系數(shù)K = l，即無増敏效果；
[0034] 當L1 = L2=1/化，A1 = 1/3A2時，傳感器的増敏系數(shù)K = 3,即傳感器應變靈敏度增 至原先值的3倍。
[0035] 因此，可W通過改變蓋板的固定位置(調(diào)整Ll和L2的長度)來調(diào)節(jié)傳感器的應變靈 敏度。
[0036] 應變測試光纖光柵和溫度補償光纖光柵的波長會隨著溫度改變而發(fā)生漂移，其波 長公式為
[0037] Ai = KeiXe+KxiX AT (8)
[003引 入2 = Ke2Xe+KT2X AT (9)
[0039] UO)
[0040] 其中，Al和A2分別為應變測試光纖光柵和溫度補償光纖光柵的波長值;Kel和Ke2分 別為應變測試光纖光柵和溫度補償光纖光柵的應變系數(shù);Kti和Kt2分別為應變測試光纖光 柵和溫度補償光纖光柵的溫度系數(shù)；e為傳感器的應變值，A T為傳感器的溫度變化值，B = KtiKe2-時化 El
[0041] 通過標定可W得到系數(shù)Kel、時1、Ke2和時2,因此，可W根據(jù)兩個傳感器的波長值反推 出傳感器的應變和溫度。
[0042] 除上述實施例外，本實用新型還可W有其他實施方式，凡采用等同替換或等效變 換形成的技術方案，均落在本實用新型要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種靈敏度可調(diào)的光纖光柵應變傳感器，其特征在于:包括應變測試光纖光柵（1)、 溫度補償光纖光柵(2)、細彈性基體(3)、粗彈性基體(4)、安裝底座(5)、尾纖(6)、蓋板(7)、 蓋板固定螺絲(9)、底座安裝孔（10)和螺帽（11)，所述的應變測試光纖光柵（1)通過膠粘或 低溫玻璃焊料粘接于細彈性基體(3);溫度補償光纖光柵(2)通過膠粘或低溫玻璃焊料粘接 于粗彈性基體(4);安裝底座(5)采用膠粘、螺絲固定或焊接方式固定于待測結構表面，其固 定位置為底座安裝孔（10)，通過螺帽（11)將蓋板(7)和細彈性基體(3)或粗彈性基體(4)固 定于安裝底座(5);安裝底座(5)有兩道平行的滑槽(8)，滑槽(8)底部寬度大于上部寬度，使 得蓋板固定螺絲(9)能夠在滑槽(8)內(nèi)自由移動，通過改變蓋板(7)的位置調(diào)整彈性基體的 固定間距。2. 根據(jù)權利要求1所述的靈敏度可調(diào)的光纖光柵應變傳感器，其特征在于：所述滑槽 (8)標有刻度，能夠讀取蓋板(7)固定位置的坐標。
【專利摘要】本實用新型涉及一種靈敏度可調(diào)的光纖光柵應變傳感器，屬于光纖傳感技術領域。本實用新型包括應變測試光纖光柵、溫度補償光纖光柵、細彈性基體、粗彈性基體、安裝底座、尾纖、蓋板、滑槽、固定螺絲、底座安裝孔和螺帽，應變測試光纖光柵內(nèi)置于細彈性基體，溫度補償光纖光柵內(nèi)置于粗彈性基體，蓋板通過固定螺絲將彈性基體固定于安裝底座，蓋板可以在安裝底座的滑槽內(nèi)進行移動。本實用新型的有益效果為：改變蓋板在滑槽中的位置來調(diào)節(jié)光纖光柵固定間距，從而改變了傳感器的應變靈敏度，獲得最佳的應變靈敏度和應變量程，滿足不同測試量程的應用場合。該傳感器適用于土木工程的結構應變檢測。
【IPC分類】G01B11/16
【公開號】CN205373656
【申請?zhí)枴緾N201521078307
【發(fā)明人】楊樟成, 桑衛(wèi)兵, 馮亞非, 鄭歡, 何少靈, 郝鳳歡, 劉鵬飛, 曹云龍
【申請人】中國船舶重工集團公司第七一五研究所
【公開日】2016年7月6日
【申請日】2015年12月22日