一种基于光纤光栅的斜拉桥缆索应力扭力检测传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于光纤光栅的斜拉桥缆索应力扭力检测传感器，属于光纤传感技术领域，在传感器保护外壳内设有第一应力转换元件、第二应力转换元件、扭力转换元件，第一应力转换元件与第一敏感元件光纤光栅相连，第二应力转换元件与第二敏感元件光纤光栅相连，扭力转换元件与第三敏感元件光纤光栅相连，第一敏感元件光纤光栅、第二敏感元件光纤光栅、第三敏感元件光纤光栅的一端分别与光纤尾纤相连。本发明专利技术可以实现被测对象斜拉桥索应力扭力的测量且具有自温补的特性，结构简单具有一定的工程应用价值。

Fiber Bragg grating based cable tension stress detection sensor for cable-stayed bridge

The invention discloses a cable stress torque detection sensor based on Fiber Bragg grating, which belongs to the field of optical fiber sensing technology. A first stress conversion element, a second stress conversion element, a torque conversion element are provided in the sensor protection shell, and the first stress conversion element is connected with the first sensitive element fiber grating. Second the stress conversion element is connected with the second sensitive fiber Bragg grating. The torque conversion element is connected with the third sensitive fiber Bragg grating. The first sensitive element fiber Bragg grating, the second sensitive element fiber Bragg grating, and the third sensitive element fiber grating are connected with the fiber tails respectively. The invention can realize the measurement of the stress torsional force of the cable-stayed bridge of the tested object, and has the characteristics of self temperature compensation. The structure is simple and has certain engineering application value.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤光栅的斜拉桥缆索应力扭力检测传感器
本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种基于光纤光栅的斜拉桥缆索应力扭力检测传感器。
技术介绍
压力传感器法作为斜拉桥索主流检测方法之一；然而，压力传感器长期处于受力状态，因疲劳作用，使用寿命有限，且价格昂贵，只能在特定场合下短时使用。目前，由于光纤光栅因其尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，复用性好等本质优点使得其在工程检测方面表现出较好的应用前景。但是，光纤光栅检测技术在斜拉桥索应力尤其是其扭力方面检测涉及较少。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种基于光纤光栅的斜拉桥缆索应力扭力检测传感器，不仅仅可以实现斜拉桥索应力扭力检测，且结构简单便于实现工程应用。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于光纤光栅的斜拉桥缆索应力扭力检测传感器，在所述的传感器保护外壳内设有第一应力转换元件、第二应力转换元件、扭力转换元件，所述的第一应力转换元件与第一敏感元件光纤光栅相连，所述的第二应力转换元件与第二敏感元件光纤光栅相连，所述的扭力转换元件与第三敏感元件光纤光栅相连，所述的第一敏感元件光纤光栅、第二敏感元件光纤光栅、第三敏感元件光纤光栅的一端分别与光纤尾纤相连。所述的传感器保护外壳包括壳外壁、壳内壁和保护盖。所述的壳外壁和壳内壁形成空腔，所述的第一应力转换元件、第二应力转换元件、扭力转换元件设置在该空腔内。所述的第一应力转换元件、第二应力转换元件、扭力转换元件的两端分别固定在上、下保护盖上。所述的光纤尾纤通过光纤引出孔引出。所述的光纤引出孔设置在上面的保护盖上。所述的传感器紧固元件包括可调导轨、可调埋头螺钉和固定埋头螺钉；所述的可调埋头螺钉和固定埋头螺钉均分别将可调导轨一端固定在壳外壁上，通过旋转可调埋头螺钉实现可调导轨在固定埋头螺钉与可调埋头螺钉之间的作用长度。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的一种基于光纤光栅的斜拉桥缆索应力扭力检测传感器，不仅可以实现被测对象斜拉桥索应力扭力的测量，而且具有自温补的特性，结构简单；因其敏感元件光纤光栅的本质特性——易组网、测量距离远等特性，易于组网实现大规模斜拉桥索的测量，具有一定的工程应用价值。附图说明图1为该光纤光栅的斜拉桥缆索应力扭力检测传感器的三维视图；图2为传感器保护外壳的三维视图；图3为传感器紧固元件的主视图。具体实施方式下面结合附图和具体实施实例对本专利技术做进一步的说明。如图1-3所示，附图标记如下：第一应力转换元件1、第二应力转换元件2、扭力转换元件3、第一敏感元件光纤光栅4、第二敏感元件光纤光栅5、第三敏感元件光纤光栅6、光纤尾纤7、光纤引出孔8、传感器保护外壳9、传感器紧固元件10；其中，传感器保护外壳9包括壳外壁91、壳内壁92和保护盖93；传感器紧固元件10包括可调导轨101、可调埋头螺钉102和固定埋头螺钉103。第一应力转换元件1、第二应力转换元件2实现轴向应力的测量；扭力转换元件3实现扭力的测量，第一应力转换元件1、第二应力转换元件2在实现轴向应力的测量的同时，在传感器安装之初通过分析两个应力转换元件上光纤光栅应变是否相同可以保证传感器的轴向方向与被测对象斜拉桥索轴向方向相同。如图3所示，固定埋头螺钉103将可调导轨101一端固定在传感器保护外壳9的壳外壁91上，可调埋头螺钉102同样设置在感器保护外壳9的壳外壁91上。可调埋头螺钉102可以旋转实现可调导轨101在固定埋头螺钉103与可调埋头螺钉102之间的作用长度。一种基于光纤光栅的斜拉桥缆索应力扭力检测传感器，包括设置在传感器保护外壳9内第一应力转换元件1、第二应力转换元件2、扭力转换元件3，传感器保护外壳9包括壳外壁91、壳内壁92和保护盖93，壳外壁91和壳内壁92形成空腔，第一应力转换元件1、第二应力转换元件2、扭力转换元件3设置在该空腔内，第一应力转换元件1、第二应力转换元件2、扭力转换元件3的两端分别固定在上、下保护盖93上。第一应力转换元件1与第一敏感元件光纤光栅4相连，第二应力转换元件2与第二敏感元件光纤光栅5相连，扭力转换元件3与第三敏感元件光纤光栅6相连，第一敏感元件光纤光栅4、第二敏感元件光纤光栅5、第三敏感元件光纤光栅6的一端分别与光纤尾纤7相连，光纤尾纤7通过光纤引出孔8引出光纤引出孔8设置在上面的保护盖93上。工作过程：①根据被测对象斜拉桥索的直径大小，确定壳内壁92内径大小，使得该传感器具有一定的普适性；②将传感器安装与斜拉桥索后通过调节传感器紧固元件10进行紧固；③调节传感器紧固元件10时，可调导轨101负责限定固定的方向固定埋头螺钉103不动，可调埋头螺钉102旋转以调节可调导轨101中可调埋头螺钉102与固定埋头螺钉103之间的距；④传感器安装完成后被测对象斜拉桥索受到外界作用力时，壳外壁91感受斜拉桥索所受作用力并将其传递给保护盖93；⑤保护盖93将其所受作用力作用于与之相连的第一应力转换元件1、第二应力转换元件2、扭力转换元件3，导致其表面发生应变；⑥第一应力转换元件1、第二应力转换元件2、扭力转换元件3表面应变的变化引起第一敏感元件光纤光栅4、第二敏感元件光纤光栅5、第三敏感元件光纤光栅6中心波长的漂移；⑦光纤尾纤7通过光纤引出孔8将第一敏感元件光纤光栅4、第二敏感元件光纤光栅5、第三敏感元件光纤光栅6中心波长漂移信息送出传感器；⑧反演分析第一敏感元件光纤光栅4、第二敏感元件光纤光栅5、第三敏感元件光纤光栅6中心波长漂移信息可得被测对象斜拉桥索所受作用力的大小。当被测对象斜拉桥索确定后，可以通过调整壳内壁92的直径以使该专利技术所涉及的传感器可以满足不同被测对象的测量；当传感器安装于斜拉桥索后，通过可调埋头螺钉102调节可调导轨101实现该传感器的预压，以保证斜拉桥索所受应力扭力与传感器壳内壁之间的有效传递。该传感器具体检测过程基本概述如下：(1)斜拉桥索应力检测假设斜拉桥索所受应力为F，则作用力该传感器壳内壁92的应力同样为F，进而作用在传感器壳保护盖93作用力为F，则应力传递元件1、应力传递元件2及扭力转换元件3的作用力为F。此时，应力传递元件1、应力传递元件2及扭力转换元件3在作用力F作用下其表面应变ε1、ε2及ε3可表示为：式中，E代表应力传递元件1、应力传递元件2及扭力转换元件3的弹性模量；S1为应力传递元件1的横截面积；S2为应力传递元件2的横截面积；S3为扭力转换元件3的横截面积。由光纤检测基础理论进而可得，敏感元件光纤光栅1、敏感元件光纤光栅2及敏感元件光纤光栅3中心波长的漂移Δλ1、Δλ2及Δλ3可表示为：式中，ΔT为传感器所处测量环境温度的变化，Kε为光栅应变的灵敏度，ξ为光纤光栅热光系数，α为光纤的热膨胀系数，θ为扭力转换元件3轴线与被测对象斜拉桥索轴线(即该传感器的轴线方向)之间的夹角。联立式(1)(2)可得：通过求解式(3)可得：F＝(Δλ1-Δλ2)/(Kε/ES1-Kε/ES2)＝(Δλ1-Δλ3)/(Kε/ES1-Kε/ES3·cosθ)(4)由式(4)可得通过反演分析敏感元件光纤光栅1、2及3中心波长的漂移量可得被测对象斜拉桥索所受应力F的大小，且其值不受传感器所处测量环境ΔT的影响。(2)斜拉桥索应力检测假设斜拉桥索所受扭力为T,，则作用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤光栅的斜拉桥缆索应力扭力检测传感器，其特征在于：在所述的传感器保护外壳(9)内设有第一应力转换元件(1)、第二应力转换元件(2)、扭力转换元件(3)，所述的第一应力转换元件(1)与第一敏感元件光纤光栅(4)相连，所述的第二应力转换元件(2)与第二敏感元件光纤光栅(5)相连，所述的扭力转换元件(3)与第三敏感元件光纤光栅(6)相连，所述的第一敏感元件光纤光栅(4)、第二敏感元件光纤光栅(5)、第三敏感元件光纤光栅(6)的一端分别与光纤尾纤(7)相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅的斜拉桥缆索应力扭力检测传感器，其特征在于：在所述的传感器保护外壳(9)内设有第一应力转换元件(1)、第二应力转换元件(2)、扭力转换元件(3)，所述的第一应力转换元件(1)与第一敏感元件光纤光栅(4)相连，所述的第二应力转换元件(2)与第二敏感元件光纤光栅(5)相连，所述的扭力转换元件(3)与第三敏感元件光纤光栅(6)相连，所述的第一敏感元件光纤光栅(4)、第二敏感元件光纤光栅(5)、第三敏感元件光纤光栅(6)的一端分别与光纤尾纤(7)相连。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的斜拉桥缆索应力扭力检测传感器，其特征在于：所述的传感器保护外壳(9)包括壳外壁(91)、壳内壁(92)和保护盖(93)。3.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅的斜拉桥缆索应力扭力检测传感器，其特征在于：所述的壳外壁(91)和壳内壁(92)形成空腔，所述的第一应力转换元件(1)、第二应力转换元件(2)、扭力转换元件(3)设置在该空腔内。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋善超，何坚强，辅小荣，张春富，
申请(专利权)人：盐城工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32