一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器制造技术

一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器，它涉及一种应变传感器，具体涉及一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器。本发明专利技术解决了现有的光纤光栅应变传感器往往只能实现单一方向的应变测量，且随着传感器被埋入结构内部，其测试方向也随之固定的问题。本发明专利技术包括弹性体内腔、光纤光栅串、外壳和温度传感器封装组件，弹性体内腔设置在外壳内，光纤光栅串设置在弹性体内腔的预制凹槽处，光纤光栅串末端的感知光栅由温度传感器封装组件封装为温度补偿传感器。本发明专利技术属于光纤光栅传感领域。本发明专利技术与传统的应变传感器相比，具有以下优点：传感元件仅一根光纤光栅串、可测量路面结构三维空间应变状态、布设线路简单、测量结果自带温度补偿、适用范围广。

A three-dimensional space strain sensor based on Fiber Bragg grating

【技术实现步骤摘要】
一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器
本专利技术涉及一种应变传感器，具体涉及一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器，属于光纤光栅传感领域。
技术介绍
研究道路结构的应力、应变，了解其在真实服役过程中的工作状态，对道路工程的设计、工程质量评估及后期养护维修都有重要意义。随着光纤传感技术的发展，光纤光栅类传感器凭借其抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、便于复用成网、测量范围广等优点，在土木工程、航空航天、石油化工、电力等领域获得了广泛应用。光纤光栅周围温度和应变的改变将引起光纤光栅反射光中心波长的变化，而波长的漂移量与应变和温度呈线性关系，利用解调设备，对反射光的波长漂移情况进行检测，结合标定的应变灵敏度系数和温度灵敏度系数可以实现对路面结构应变和环境温度的测量。现有的光纤光栅应变传感器往往只能实现单一方向的应变测量，且随着传感器被埋入结构内部，其测试方向也随之固定。然而，由于车辆荷载的随机性，实际工程中道路结构内部应变状态复杂多变，难以简化为单一方向的简单应变状态。此外，获取三维空间应变状态可以进一步换算出更多应变相关参数，如主应变、主剪应变等，以作为耐久性路面材料和结构设计的重要验算指标，揭示道路结构和材料在服役过程中的受力状态、变形行为和发展规律。因此获取三维空间应变状态对道路健康监测有重要意义。目前对结构三维空间应变状态的测试尚无广泛使用的技术，比较常见的是构建三维应变花进行测试，具体传感元件可使用应变片及光纤光栅。其中粘贴应变片的手段不易于固定在道路结构内，因此测试方位及结果有极大误差。目前已有使用多根光纤光栅应变传感器固定于空间不同位置而构成的空间应变(应力)传感器，但因其本质属于单向点式传感器，各个传感器之间的线路连接错综复杂、线缆繁多，传感器制作工艺繁琐且尺寸较大不易控制，对于道路工程这种层状结构而言适用性不强。因此设计一种适用于道路工程结构，简单易制的三维空间应变传感器，不仅可以扩大光纤光栅传感器的应用范围，也是道路工程技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术为解决现有的光纤光栅应变传感器往往只能实现单一方向的应变测量，且随着传感器被埋入结构内部，其测试方向也随之固定的问题，进而提出一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器。本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：本专利技术包括弹性体内腔、光纤光栅串、外壳和温度传感器封装组件，弹性体内腔设置在外壳内，光纤光栅串设置在弹性体内腔的预制凹槽处，光纤光栅串末端的感知光栅由温度传感器封装组件封装为温度补偿传感器。进一步的，本专利技术还包括软质护管，软质护管套装在光纤光栅串的光纤段上。进一步的，本专利技术还包括铠装线，铠装线套装在光纤光栅串的引出端。进一步的，本专利技术还包括硬质引出管，硬质引出管套装在铠装线上。。进一步的，光纤光栅串粘贴在弹性腔体内腔的预制凹槽处。进一步的，外壳包括外壳主体和外壳底盖，外壳底盖扣合在外壳主体底部的开口处。进一步的，温度补偿传感器包括堵件、金属针管和封装钢管，光纤光栅串末端的温度补偿光栅依次套装堵件、金属针管并涂覆温敏胶一同伸入封装钢管内。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术设计的传感器弥补了传统单向应变传感器测试结果的局限性，可以实现三维空间应变状态的测量，经计算还可以进一步获得道路结构内部三维空间正应变、剪应变、主应变、主剪应变等多种力学响应指标，全面反映所测位置的力学状态，满足道路工程领域对三维空间应变监测的需求。2、本申请实例所提供的光纤光栅串三维空间应变传感器，其中还设置有温度补偿传感器，用于消除实际测量时由于温度变化引起的传感器波长漂移，实现了温度-应变多物理参量的解耦，提高了测量精度。3、光纤光栅串属于准分布式传感技术，多个光纤光栅串联在同一根光纤上，相比于传统的单点式光纤光栅应变传感器，测试范围由一维延伸至三维空间，测试结果更逼近真实状况。4、与已有的由多个单点式光纤光栅应变传感器组合而成的三维空间应变测量结构相区别的是避免了繁杂的线路汇总及布设工艺，在实际传感器组装及埋设过程中简单易操作。5、本传感器可以埋设于道路结构的不同层位，以实现不同层位空间应变状态的监测，为沿深度方向道路结构内部力学响应的研究提供硬件基础。6、光纤光栅传感器抗电磁干扰性能好，电绝缘性能优良，适用范围广，安全可靠，无需电源驱动，传输损耗小，可实现远距离监测。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图；图2是本专利技术的透视分解示意图；图3是外壳的分解示意图；图4是弹性体内腔轴测图A；图5是弹性体内腔轴测图B；图6是弹性内腔封装成型轴测图A；图7是弹性内腔封装成型轴测图B；图8是温度补偿传感器封装内部结构示意图；图9是光纤光栅串外引端封装结构示意图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器包括弹性体内腔1、光纤光栅串2、外壳3和温度传感器封装组件5，弹性体内腔1设置在外壳3内，光纤光栅串2设置在弹性体内腔1的预制凹槽处，光纤光栅串2末端的感知光栅由温度传感器封装组件5封装为温度补偿传感器。光纤光栅串2末端的温度感知光栅封装为温度补偿传感器5粘贴固定于弹性体内腔1表面的凹槽中；光纤光栅串2的光纤段外套软质护管4布置在弹性体内腔1上的凹槽中、应变感知光栅段由粘合剂固定于弹性体内腔1上；光纤光栅串2在弹性体内腔1上引出端的部分依次外套铠装线6、硬质引出管7并粘贴于弹性体内腔1上；最后将以上部分组装完成后，涂覆粘合剂嵌入外壳3中。弹性体内腔1在空间坐标系的三个主轴及其所夹平面上预制凹槽，用于布设和固定应变感知光栅，未作特殊说明凹槽深度与外套软质护管4的尺寸相匹配。三个主轴凹槽中心线与其所夹平面凹槽的中心线所夹角度有多种形式，本实例中布设于平面对角线仅为其中一种形式，选择其余形式本质与本实例无显著差异，不同角度范围的凹槽布设方向均属于本实例涉及范围。同时，夹角处对凹槽作圆倒角处理，圆角半径应满足大于光纤最小弯曲半径的要求。弹性体内腔1另一表面上开设与其余凹槽相连通的凹槽用于放置温度补偿传感器5，开槽深度与温度补偿传感器5尺寸相匹配。温度补偿传感器5放置凹槽的位置并不唯一。凹槽的开槽形式及截面形式、尺寸有多种组合方式，选取不同的方式其本质与本实例并无显著差异。应当指出，凹槽的开槽深度应与组装好的光纤光栅串2的深度相匹配，以满足弹性体内腔1与布设、组装好的光纤光栅串2可一同嵌入外壳3内的要求。光纤光栅串2上共串联了7个光纤光栅，其串联形式可通过在一根光纤上刻制多个光栅或将多个光纤光栅串联熔接等方式实现，本实例推荐在一根光纤上刻制多个光栅，以减少传感元件本身在监测传输线路中的损耗；在光纤光栅串2的光纤段部分外套透明的软质护管4，材料可采用但不限于铁氟龙管，用于保护光纤防止其在组装过程中发生脆断，并观察光栅刻制位置便于后续固定。6个应变感知光栅及其两侧的软质护管4由粘合剂粘贴固定于弹本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器，其特征在于：所述一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器包括弹性体内腔(1)、光纤光栅串(2)、外壳(3)和温度传感器封装组件(5)，弹性体内腔(1)设置在外壳(3)内，光纤光栅串(2)设置在弹性体内腔(1)的预制凹槽处，光纤光栅串(2)末端的感知光栅由温度传感器封装组件(5)封装为温度补偿传感器。/n

【技术特征摘要】
1.一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器，其特征在于：所述一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器包括弹性体内腔(1)、光纤光栅串(2)、外壳(3)和温度传感器封装组件(5)，弹性体内腔(1)设置在外壳(3)内，光纤光栅串(2)设置在弹性体内腔(1)的预制凹槽处，光纤光栅串(2)末端的感知光栅由温度传感器封装组件(5)封装为温度补偿传感器。


2.根据权利要求1所述一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器，其特征在于：所述一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器还包括软质护管(4)，软质护管(4)套装在光纤光栅串(2)的光纤段上。


3.根据权利要求1所述一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器，其特征在于：所述一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器还包括铠装线(6)，铠装线(6)套装在光纤光栅串(2)的引出端。


4.根据权利要求3所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马宪永，张冀雯，董泽蛟，曹宪成，郭宝春，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23