基于光纤光栅的点式测力传感器制造技术

一种基于光纤光栅的点式测力传感器，包括外套钢管、内芯钢管、测力触头、光纤引出端口和设置在内芯钢管内并与测力触头相连接的测试传感元件，所述测试传感元件为内嵌有光纤光栅的弹性结构，所述内芯钢管位于所述外套钢管内，所述的测力触头与弹性结构相接触，用于将外部的压力变化敏感地传递到测试传感元件中的弹性结构，再经由内嵌在测试传感元件中的光纤光栅的变形测出外部压力的变化；所述光纤光栅远离测力触头的一端与光纤引出端口连接，所述光纤引出端口用于光纤光栅导线的引出。本发明专利技术耐腐蚀、实时监控、传感精度高、抗电磁干扰、准分布式监测、物理量的绝对测量、可重复利用和易于数据管理。

Point force measuring sensor based on optical fiber grating

An optical fiber grating sensor based on the point, including the coat steel pipe, steel pipe, the inner core force contact, fiber sensor and test port is arranged in the inner core tube and connected to the contact force, the test sensor consists of embedded elastic fiber grating structure, the inner core steel tube located in the outer steel pipe, the contact force and the elastic contact structure, for the pressure sensitive transmission to the change of external elastic structure testing sensing element, change and deformation via optical fiber grating sensing element embedded in the test in the measure of external pressure; one end of the optical fiber grating from the force the contact is connected with the outlet port of the optical fiber, optical fiber outlet port for extraction of fiber grating wire. The invention has the advantages of corrosion resistance, real-time monitoring, high sensing precision, anti electromagnetic interference, quasi distributed monitoring, absolute measurement of physical quantity, repeated utilization and easy data management.

【技术实现步骤摘要】
基于光纤光栅的点式测力传感器
本专利技术涉及光纤光栅传感领域、结构内压力监测
，具体涉及一种基于光纤光栅的点式测力传感器，测试结果可用于评估结构的受力状态和安全性能。
技术介绍
如果能实时掌握工程结构外的流体压力、土体压力等外界压力的变化信息，即可在结构服役过程中出现安全风险时，及时采用适当工程加固方法有效降低事故发生的几率，延长结构的使用年限。此基于光纤光栅的点式测力传感器是一种运用范围较广的监测装置，其广泛应用于各种交通工程、水利工程、海洋工程和管道输送工程等服役过程中等结构的侧向梯度压力的监测，以往针对水下压力或土中压力测试没有专门的传感器，大部分现有的测压传感器在水中或土中易受到外部环境影响而导致测量精度的下降，会受外部介质的侵蚀而无法长期工作，耐久性差。第二、不易安装的特点也十分突出，大多数仪器在水中或土中的安装和固定十分不方便，灵活性差，而且一经安装就不能轻易改动，在实际工程中的实用性非常低。
技术实现思路
为了克服已有的测力传感器耐久性差、不易于安装、体积大、不能实时测量液体压力或者土体压力的变化等不足，本专利技术的目的在于提供一种通过弹性结构与布拉格布拉格光纤光栅的结合、提高布拉格布拉格光纤光栅的精确性和耐久性并能将测得的数据实时地导出到地面的数据库中方便数据的计算和储存的基于光纤光栅的点式测力传感器，具有耐腐蚀、实时监控、传感精度高、抗电磁干扰、准分布式监测、物理量的绝对测量、可重复利用和易于数据管理的特点。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光纤光栅的点式测力传感器，其特征在于：包括外套钢管、内芯钢管、测力触头、光纤引出端口和设置在内芯钢管内并与测力触头相连接的测试传感元件，所述测试传感元件为内嵌有光纤光栅的弹性结构，所述内芯钢管位于所述外套钢管内，所述的测力触头与弹性结构相接触，用于将外部的压力变化敏感地传递到测试传感元件中的弹性结构，再经由内嵌在测试传感元件中的光纤光栅的变形导致光纤光栅的波长变化从而测出外部压力的变化；所述光纤光栅远离测力触头的一端与光纤引出端口连接，所述光纤引出端口用于光纤光栅导线的引出。进一步，所述光纤引出端口为SMA接口。具有频带宽、性能优、高可靠、寿命长的特点。再进一步，所述内芯钢管底部为螺纹结构，所述外套钢管的底部为螺母结构，将内芯钢管固定在外套钢管上。使测试传感原件更加稳固，不会导致测试传感原件的倾斜所产生的外力测量不准确的情况。更进一步，所述光纤光栅为布拉格光纤光栅，所述的布拉格光纤光栅的布拉格波长为λB＝2neΛ(1)式中，Λ，为折射率变化的周期；ne为纤芯的有效折射率，当Λ和ne中任一发生变化时都将引起光栅波长的移动，即由式(2)知，当光纤长度方向上产生应变时，使Λ和ne产生变化，导致布拉格布拉格光纤光栅反射波长改变，从而通过检测λB的变化量来求得待测应变量。所述的外套钢管为圆环形钢管，内芯钢管为圆柱形钢管。外套钢管起到固定和支持的作用，所述的内芯钢管可保护测试传感元件的正常工作，防止外部液体或土体等外界环境的侵入对弹性结构和布拉格光纤光栅的侵蚀，防止外部环境对测试传感元件的破坏，起到保证测试传感元件正常工作和测量精度的作用；可以方便地安装在围护结构内外壁的适当支座或者管壁上。根据测量精度的需求改变布置的密度，可通过在不同长度范围内布置多个基于光纤光栅的点式测力传感器来测得该线段上的梯度压力值，如水中构件外侧不同深度的水压力、土中构件不同深度的土压力等等。本专利技术的技术构思为：基于光纤光栅的点式测力传感器技术主要涉及到以下三个方面的内容：(1)对外界压力变化的敏感性；(2)传感器的高耐久性；(3)外界压力测量的精确性。外界土压力变化测量所需的数据主要来自测力触头传递的外界压力值和光纤光栅受压引起的波长变化。布拉格光纤光栅是目前在智能材料系统研究中应用最为广泛的敏感元件之一，其工作原理是外界物理量的变化引起布拉格光纤光栅中心波长的变化，由布拉格光纤光栅中心波长的变化获得被测量的值。这种测量方法思路清晰，操作便捷，很容易为广大工程技术人员接受。光纤传感元件的优点主要表现为抗电磁干扰；耐腐蚀；分布式测量、绝对测量、信号衰减小；灵敏度高，精度高等优点。此外，近年来结构的实时安全监测已成为国内外研究的热点之一，作为结构健康监测重要手段的光纤技术也得到了极大的发展。因此本装置结合布拉格光纤光栅进行感知和传输的优点，研发了高耐久性的基于光纤光栅的点式测力传感器，充分发挥了布拉格光纤光栅监测具有的精度高、耐久性好的特点，克服了传统测试方法的缺点，可以经受不同场合测试环境的考验，并满足不同测量精度的需求。本专利技术的有益效果主要表现在：耐腐蚀、实时监控、传感精度高、抗电磁干扰、准分布式监测、物理量的绝对测量、可重复利用和易于数据管理。附图说明图1为基于光纤光栅的点式测力传感器的剖面图；图2为基于光纤光栅的点式测力传感器的工作原理示意图；图3为基于光纤光栅的点式测力传感器的立面示意图；图4为测试传感元件的弹性结构。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1～图4，一种基于光纤光栅的点式测力传感器，包括外套钢管2、内芯钢管3、测力触头1、光纤引出端4口和设置在内芯钢管3内并与测力触头1相连接的测试传感元件，所述测试传感元件为内嵌有光纤光栅6的弹性结构5，所述内芯钢管3位于所述外套钢管2内，所述的测力触头1与弹性结构5相接触，用于将外部的压力变化敏感地传递到测试传感元件中的弹性结构5，再经由内嵌在测试传感元件中的光纤光栅6的变形测出外部压力的变化；所述光纤光栅6远离测力触头的一端与光纤引出端口4连接，所述光纤引出端口4用于光纤光栅导线的引出。进一步，所述光纤引出端口4为SMA接口。具有频带宽、性能优、高可靠、寿命长的特点。再进一步，所述内芯钢管3底部为螺纹结构7，所述外套钢管2的底部为螺母结构，将内芯钢管固定在外套钢管上。使测试传感原件更加稳固，不会导致测试传感原件的倾斜所产生的外力测量不准确的情况。更进一步，所述光纤光栅6为布拉格光纤光栅，所述的布拉格光纤光栅的布拉格波长为λB＝2neΛ(1)式中，Λ，为折射率变化的周期；ne为纤芯的有效折射率，当Λ和ne中任一发生变化时都将引起光栅波长的移动，即由式(2)知，当光纤长度方向上产生应变时，使Λ和ne产生变化，导致布拉格布拉格光纤光栅反射波长改变，从而通过检测λB的变化量来求得待测应变量。所述的外套钢管2为圆环形钢管，内芯钢管3为圆柱形钢管。外套钢管起到固定和支持的作用，所述的内芯钢管可保护测试传感元件的正常工作，防止外部液体或土体等外界环境的侵入对弹性结构和布拉格光纤光栅的侵蚀，防止外部环境对测试传感元件的破坏，起到保证测试传感元件正常工作和测量精度的作用；可以方便地安装在围护结构内外壁的适当支座或者管壁上。根据测量精度的需求改变布置的密度，可通过在不同长度范围内布置多个基于光纤光栅的点式测力传感器来测得该线段上的梯度压力值，如水中构件外侧不同深度的水压力、土中构件不同深度的土压力等等。基于光纤光栅的点式测力传感器的工作流程为：StepA:根据图2所示，将基于光纤光栅的点式传感器安装固定在固定装置或直接安装在管壁上；StepB：外界压力的变化传递至测力触头1的位置；StepC：测力触头将压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤光栅的点式测力传感器，其特征在于：包括外套钢管、内芯钢管、测力触头、光纤引出端口和设置在内芯钢管内并与测力触头相连接的测试传感元件，所述测试传感元件为内嵌有光纤光栅的弹性结构，所述内芯钢管位于所述外套钢管内，所述的测力触头与弹性结构相接触，用于将外部的压力变化敏感地传递到测试传感元件中的弹性结构，再经由内嵌在测试传感元件中的光纤光栅的变形测出外部压力的变化；所述光纤光栅远离测力触头的一端与光纤引出端口连接，所述光纤引出端口用于光纤光栅导线的引出。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅的点式测力传感器，其特征在于：包括外套钢管、内芯钢管、测力触头、光纤引出端口和设置在内芯钢管内并与测力触头相连接的测试传感元件，所述测试传感元件为内嵌有光纤光栅的弹性结构，所述内芯钢管位于所述外套钢管内，所述的测力触头与弹性结构相接触，用于将外部的压力变化敏感地传递到测试传感元件中的弹性结构，再经由内嵌在测试传感元件中的光纤光栅的变形测出外部压力的变化；所述光纤光栅远离测力触头的一端与光纤引出端口连接，所述光纤引出端口用于光纤光栅导线的引出。2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的点式测力传感器，其特征在于：所述光纤引出端口为SMA接口。3.如权利要求1或2所述的基于光纤光栅的点式测力传感器，其特征在于：所述内芯钢管底部为螺纹结构，所述外套钢管的底部为螺母结构，将内芯钢管固定在外套钢管上。4.如权利要求1或2所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭健，赵钦，顾颂平，付传清，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33