自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构制造技术

本发明专利技术光纤检测弹簧是由较长的圆筒形拉张螺旋弹簧串联较短圆筒形压缩螺旋弹簧，再串联较长的圆筒形拉张螺旋弹簧，所组成内外径相同的弹簧，且内置己制成有一段长光纤光栅的一条单模态光纤。其中有光栅的一段长光纤被己压缩至预设标距长度的圆筒形压缩螺旋弹簧两端固定后释放施力，以达到作为预设此检测元件最大容许压缩应变量的预拉方法和制造技术。此可创造出一种符合标准化0.9mm外径，全长以弹簧材料被覆的全弹簧外被覆保护层及形成弹性伸长的弹性域内，线形应力应变关系的自体预拉光纤检测弹簧结构。

【技术实现步骤摘要】
自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构
本专利技术有关于一种光纤检测弹簧作为物理特性的应变量预设及量测应变装置的技术，且更具体而言，直接预设应变感应范围值在检测元件作用力的轴向应力检测区，以精确量测应变的技术。
技术介绍
现有的以光纤制成光纤光栅(FiberGrating)作为光纤检测功能，可以依各种不同量测点特性、形状、用途及目的等做成各种结构，组成优良的应变检测元件，并以外接光波长扫描仪精确测出应变数值。光纤光栅又称为光纤布拉格光栅(FiberBraggGratingFBG)可做为光纤光栅传感器，以下简称FBG。FBG是利用同调激光在光纤上曝光，以造成被照射段光纤核心(CORE)折射率永久改变，并成为该段折射率具有明暗周期性条纹间距Λ的光纤，称为光纤光栅，又称为光纤布拉格光栅。制造方法如图1A，图1B，图1C及图1D所示。先将图1A一般单模态光纤剖面图，其外径125μm裸光纤有塑料或树脂被覆成外径250μm光纤，101为125μm裸光纤外环树脂被覆部区域。图1B为去除125μm裸光纤外被覆树脂准备制造光栅。图1C为无外被覆树脂的125μm裸光纤完成光纤光栅，102为光纤核心，103为光纤核心该段折射率具有明暗周期性条纹间距Λ的光纤光栅。图1D为完成光纤光栅125μm裸光纤区域再外被覆树脂，制成外径250μm的光纤光栅，104为250μm的再外被覆树脂。因FBG是利用布拉格绕射(BraggDiffraction)所产生的回授作用，将满足布拉格条件(Braggcondition)特定波长称为回授布拉格波长λB，其与射入方向相反地方向，反射回到射出光波的扫描仪器来分析，以量测接收波长是否增减。此回授布拉格波长λB，以下式表示：λB＝2nΛ(1)Λ为布拉格光栅周期长，n为光纤有效折射率，当光纤光栅受到外力产生应变时，造成原本Λ间距的改变量为ΔΛ，代入式(1)可得ΔλB＝2nΔΛ(2)依应变ε定义，设l为受力体标距长度,Δl为受力变化长度ε＝Δl/l＝ΔΛ/Λ(3)可得Δl＝(ΔΛ/Λ)l＝(ΔλB/2n)/(λB/2n)l因此ε＝Δl/l＝ΔλB/λB(4)故应力施加于l长光纤段长所产生Δl应变长的微变长度，其反射回来的布拉格波长λB变化量为ΔλB。在光发射即回授反射端可接收到λB有ΔλB的波长飘移量。反过来说，若对光纤检测元件施力而收到ΔλB波长飘移，表示光纤检测元件拉长变化量为Δl长。此可衡量光纤检测元件结构以标距长l，并联固定于被测结构物体上所接受的施力，在工程应变所测得的变形量ε是否超限；如果超限值大于工程结构可承受值即可发出断裂预警信号。但因布拉格光纤光栅物理特性会受温度变化影响而ΔλB的波长飘移量也会受到影响，因此利用FBG做检测装置时，常会以多检测装置并置或近距离串接以取得温度变化参考值，并做温度补偿修正精确度。或在内置在光纤检测元件内的光纤光栅，使用啁啾布拉格光纤光栅(ChirpedFiberGratingCFG)结构，以长短两波长的消除色散效应方法克服单一检测元件正确度，而不受温度影响。当光纤制成光纤光栅作光纤检测，组成各种不同量测点特性、形状、用途及目的等功能的结构，以标距长L，并联固定于被测结构物体上所接受的施力，在工程应变所测得的变形量ε时，各种现有的结构有唯一共同点：就是必须预拉至某一微应变量(Micro-strain)，例如-2500μs，以作为固定在检测位置后，成为将来容许的可被压缩量。否则；没被预拉的FBG，容易产生应变迟滞而失准确性。为了使光纤光栅可拉至测量的起始点波长，同时达到光纤光栅可被量测的容许最低应变值的目的。在工程实施技术上，不可能将正常使用状况的巨大被测体仿真压缩后再固定光纤光栅，然后再释放压缩回复至正常状况以开始量测。因此将光纤光栅预拉以先取得量测区域的可被压缩容许量，是各种现有结构一致的共同点。上述将光纤光栅预拉以先取得量测区域的可被压缩容许量的工艺或方法，主要是在一条己制成光纤光栅FBG两端中的一端先固定在被测体标距长L的一起算点上；再从光纤光栅另一端施力拉长至所设定被压缩容许应变量时的波长后，固定此被测体标距长的另一终止点。则标距长两固定点的光纤光栅己被预拉，亦即相等于预先在被测体上形成未来最高被压缩容许量的工艺作业技术。此项一条光纤光栅简单的预拉工艺作业常因实施在不同被测体结构上，为了达到同一预计最高被压缩容许量的目的(例如-2500μs)，就发展出许多不同的预拉方法或使用许多不同的预拉工具或零件等作业，使FBG单纯的预拉变得更复杂化。这些复杂工艺作业成本相当高；有必要标准化及简化，以降低成本且获得更精确的预拉量。此为现有的FBG必须预拉；但却没有标准而简单的预拉载体，是时至今日的FBG无法成为标准化光纤检测元件的第一项缺点。又现有的在一条单模态光纤上制成一条光纤光栅FBG后，其结构通常是原本的一条外径0.125毫米(125μm)裸光纤光栅而己，容易折断或经不起侧压。因此常以亚克力或树脂被覆保护成为一条外径0.25毫米(250μm)的光纤，FBG及外接出光纤其亦很容易被外力破坏，如图2现有的固定于被测结构的光纤光栅检测元件所示。其中201为125μm裸光纤光栅，202为树脂被覆保护层，203为125μm光纤核心有光栅FBG区域，204为树脂再被覆保护层，205为0.9mm外径的PE外被覆材料层，206为光纤光栅固定座或固定胶，207为光纤光栅载体或被测物结构。现有的保护FBG方法是只在光纤光栅之外再加上一层0.9mm外径的PE外被覆材料。而为了提高约10mm段长光纤光栅应变感度，方法一是此段在无0.9mm外径的PE外被覆材料保护下，直接将光纤光栅两端以206固定胶固定于207的被测物材料区域上；方法二是将光纤光栅两端先固定于具有与被测结构相同或金属材料上形成一检测元件。此与被测结构材料相同或与FBG结合的金属材料称为光纤光栅检测元件载体，如图中207；再将此一检测元件两端并联固定于被测区域上，以具有直线型弹性限度内并联量测方式，直接或间接取得应变感度正确性。因外被覆材料不跨越FBG检测光栅区，以避免外被覆材料因无法以具有弹性伸长的弹性域内(即弹性限度内)线性应变特性；而致超过塑料被覆材料能承受抗张强度外的塑性变形缺点发生。而此裸露又没外被保护的光纤光栅，如208区域为没外被保护的光纤光栅区域，常是预拉工艺作业或现场安装及安装后量测时容易造成破坏及断裂的原因之一。因此没外被保护的光纤光栅区域成为标准化光纤检测元件的第二项缺点。现场作业环境中，没外被保护的光纤光栅区域所接出250μm外径被覆光纤，再连至外接两端光纤十分纤细不易看清，容易被碰触而致光功率受损或断裂。光纤光栅区域外接两端光纤没适当材料保护而受损或断裂则成为标准化光纤检测元件的第三项缺点。因此，现有的由单模态光纤及光纤光栅组合形成光纤检测线缆产品一次完成的工艺构造，就必须从单模态光纤光缆被覆材料的技术跳脱创新出来，才能完美呈现同时符合光传输光缆线技术及标准化光纤检测元件的技术。
技术实现思路
上述现有技术中上述三项缺点，可由本专利技术的一种光纤检测弹簧同时解决。本光纤检测弹簧结构如图3A及图3B所示，图3A为弹簧结构及光纤光栅未组合剖面图；图3B为光纤检测弹簧结构剖面图。图3C为光纤检测弹簧结构固本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构，其特征在于，此结构是由下列元件组成：一单模态光纤，此光纤内有一段长光纤光栅；一定长度环绕被覆保护其内置单模态光纤的圆筒形螺旋弹簧，此弹簧是由较长的圆筒形拉张螺旋弹簧串联较短圆筒形压缩螺旋弹簧，再串联较长的圆筒形拉张螺旋弹簧，且较短圆筒形拉张螺旋弹簧介于两较长的圆筒形拉张螺旋弹簧之间所组成；一头端固定光纤与弹簧的预拉固定连接环，此连接环外接弹簧并且内接光纤；一尾端固定光纤与弹簧预拉固定连接环，此连接环外接弹簧并且内接光纤；本光纤检测弹簧结构的特征为，头端固定光纤与弹簧的预拉固定连接环与尾端固定光纤与弹簧的预拉固定连接环两者形成的预设标距长，是以先压缩环绕保护光纤光栅所被覆的圆筒形压缩螺旋弹簧两端至预设内置光纤光栅可获得最大容许压缩应变量时，固定头尾两连接环之后再释放施力，以达到光纤光栅以弹性伸长的弹性域内预拉作用所决定的标距长；且由被覆保护光纤光栅的圆筒形压缩螺旋弹簧两端所延长出去相同外径的圆筒形拉张螺旋弹簧，具有以全弹簧材料被覆形成保护特性，以保护内置光纤的功能，而成为自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构者。

【技术特征摘要】
2015.01.20 TW 1041017511.一种自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构，其特征在于，此结构是由下列元件组成：一单模态光纤，此光纤内有一段长光纤光栅；一定长度环绕被覆保护其内置单模态光纤的圆筒形螺旋弹簧，此弹簧是由较长的圆筒形拉张螺旋弹簧串联较短圆筒形压缩螺旋弹簧，再串联较长的圆筒形拉张螺旋弹簧，且较短圆筒形拉张螺旋弹簧介于两较长的圆筒形拉张螺旋弹簧之间所组成；一头端固定光纤与弹簧的预拉固定连接环，此连接环外接弹簧并且内接光纤；一尾端固定光纤与弹簧预拉固定连接环，此连接环外接弹簧并且内接光纤；本光纤检测结构的特征为，头端固定光纤与弹簧的预拉固定连接环与尾端固定光纤与弹簧的预拉固定连接环两者形成的预设标距长，是以先压缩环绕保护光纤光栅所被覆的圆筒形压缩螺旋弹簧两端至预设内置光纤光栅可获得最大容许压缩应变量时，固定头尾两连接环之后再释放施力，以达到光纤光栅以弹性伸长的弹性域内预拉作用所决定的标距长；且由被覆保护光纤光栅的圆筒形压缩螺旋弹簧两端所延长出去相同外径的圆筒形拉张螺旋弹簧，具有以全弹簧材料被覆形成保护特性，以保护内置光纤的功能，而成为自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构者。2.根据权利要求1所述的自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构，其特征在于，其头端或尾端固定光纤与弹簧的预拉固定连接环，此固定连接环是以外接弹簧相同的材料压着或胶固形成者。3.根据权利要求1所述的自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构，其特征在于，其头端或尾端固定光纤与弹簧的预拉固定连接环，此固定连接环是以内接光纤的被覆材料胶合固化制成者。4.根据权利要求1所述的自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构，其特征在于，其圆筒形螺旋弹簧的断面是圆形断面结构的弹簧结构者。5.根据权利要求1所述的自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构，其特征在于，其圆筒形螺旋弹簧的断面是长方形断面结构的弹簧结构者。6.根据权利要求1所述的自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构，其特征在于，其弹簧被覆外径为0.9毫米的弹簧，可以和被覆外径为0.9毫米的塑料被覆材料以具有保护其内置熔接完成的热缩套管延长接续的结构者。7.一种自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构，其特征在于，此结构是由下列元件组成：一单模态光纤，此光纤内有一段长光纤光栅；一定长度环绕被覆保护其内置单模态光纤的圆筒形螺旋弹簧，此弹簧是由螺距角较小的圆筒形压缩螺旋弹簧串联螺距角较大的圆筒形压缩螺旋弹簧，再串联螺距角较小的圆筒形压缩螺旋弹簧，且螺距角较大的圆筒形压缩螺旋弹簧介于两螺距角较小的圆筒形压缩螺旋弹簧之间所组成；一头端固定光纤与弹簧的预拉固定连接环，此连接环外接弹簧并且内接光纤；一尾端固定光纤与弹簧预拉固定连接环，此连接环外接弹簧并且内接光纤；本光纤检测结构的特征为头端固定光纤与弹簧的预拉固定连接环与尾端固定光纤与弹簧的预拉固定连接环两者形成的预设标距长，是以先压缩环绕保护光纤光栅所被覆的螺距角较大的圆筒形压缩螺旋弹簧两端至预设内置光纤光栅可获得最大容许压缩应变量时，固定头尾两连接环之后再释放施力，以达到光纤光栅以弹性伸长的弹性域内预拉作用所决定的标距长；且由被覆保护光纤光栅的螺距角较大的圆筒形压缩螺旋弹簧两端所延长出去相同外径的圆筒形压缩螺旋弹簧，具有以全弹簧材料被覆形成保护特性，以保护内置光纤的功能，而成为自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构者。8.根据权利要求7所述的自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构，其特征在于，其头端或尾端固定光纤与弹簧的预拉固定连接环，此固定连接环是以外接弹簧相同的材料压着或胶固制成者。9.根据权利要求7所述的自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构，其特征在于，其头端或尾端固定光纤与弹簧的预拉固定连接环，此固定连接环是以内接光纤的被覆材料胶合固化制成者。10.根据权利要求7所述的自体预拉全弹簧被覆的光纤检测结构，其特征在于，其圆筒形螺旋弹簧的断面...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨春足，蔡永裕，
申请(专利权)人：晋禾企业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71