一种量程可调的光纤光栅应变传感器及其制备和使用方法技术

一种量程可调的光纤光栅应变传感器及其制备和使用方法，包括刻有光栅的光纤、夹持杆、连接管、弹簧、支座固定件、传感器保护管、跳线保护管。光栅两端分别用胶粘剂粘贴在两个夹持杆上，两个夹持杆之间套上弹簧，两端分别用连接管旋进夹持杆压紧弹簧，对光纤预加预拉应力。两端连接管与两支座固定件相连，两支座固定件之间设有传感器保护管，外端设有跳线保护管。本发明专利技术通过改变光栅两端粘贴点之间的距离与两支座固定件之间的距离比值来调整光栅监测量程，此量程可调的光纤光栅应变传感器，可跟据被测对象需要定制量程，可调范围大，灵敏度高，线性度和重复性好，由于传感器结构刚度低，支座尽需微小的力即可固定，采用夹持或焊接均可，安装方便可靠、测量精确，耐久性高。可适用于桥梁、钢结构、混凝土结构等各类结构构件的应力应变测量。件的应力应变测量。件的应力应变测量。

【技术实现步骤摘要】
一种量程可调的光纤光栅应变传感器及其制备和使用方法


[0001]本专利技术涉及光纤光栅应变监测装置
，具体涉及一种量程可调的光纤光栅应变传感器及其制备和使用方法。

技术介绍

[0002]光纤光栅技术通过栅格反射波长和移动来感知外界物理量的微小变化。光纤光栅应变传感器通过光纤光栅技术来感应和测量被测结构的应变变化，其性能稳定，精度高，且为绝对的、准分布式数字测量，具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、耐高温、抗疲劳、耐久性强等优点，特别适用于桥梁、钢结构、混凝土结构、岩土结构等各类结构构件的应力应变测量。
[0003]然而各类结构构件应变测量需求不同，光纤光栅应变传感器需扩大其监测量程以适应被测结构的大应变测量，或需增加其监测灵敏度以适应被结构的小应变测量。为扩大其监测量程，201510761374.X公开了一种耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝及其使用方法，利用预应力原理，在制作传感器时通过预拉被测构件钢丝对其凹槽内嵌的光纤光栅产生压应变，使得传感器在服役时利用被预压应变的恢复来监测构件的前期拉应变，从而扩大其监测量程。但此方法需对被测构件进行凹槽预拉处理，无法现场安装，应用范围受到限制；目前市场上其他主流的光纤光栅应变传感器是通过改变光栅测量段的刚度来扩大其监测量程或增加其监测灵敏度系数，但这个刚度改变是有限的，同时其刚度较大时，安装后的稳定性越难以满足。因此亟待有一种新的技术来解决现有技术存在的问题。

技术实现思路

[0004]为解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种量程可调的光纤光栅应变传感器及其制备和使用方法。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]一种量程可调的光纤光栅应变传感器，包括刻有光栅的光纤(1)、夹持杆(2)、连接管(3)、弹簧(4)、支座固定件(5)、传感器保护管(6)、跳线保护管(7)；
[0007]所述光纤(1)两端分别用胶粘剂粘贴在两个夹持杆(2)上，两夹持杆(2)之间套上弹簧(4)，弹簧(4)两端分别用两个连接管(3)旋进夹持杆(2)从而压紧弹簧(4)，对光纤(1)预加预拉应力；两连接管(3)背向弹簧(4)的外端分别与两支座固定件(5)相连，两支座固定件(5)之间设有传感器保护管(6)，两支座固定件(5)外端设有跳线保护管(7)。
[0008]进一步的，所述光纤(1)上刻有应变光栅(11)，所述应变光栅(11)长度范围内/不限于此范围内套有裸纤保护管(12)，两端有铠装跳线(13)；当所述传感器设有温度补偿时，所述光纤(1)上还另刻有温度光栅(14)。
[0009]进一步的，所述夹持杆(2)为304不锈钢圆形杆，直径4～8mm、长度不小于40mm，全长设有外螺纹(21)，纵向设置凹槽(22)；所述夹持杆(2)数量为两个。
[0010]进一步的，所述连接管(3)为304不锈钢圆管，整体长度25mm、壁厚3mm；全长设置有内螺纹(31)，与夹持杆(2)的外螺纹(21)配套；所述连接管(3)外侧端部设置有外螺纹(32)，
外螺纹长5mm；所述连接管(3)内侧端部外径内收约1mm，内收长度3mm；所述连接管(3)数量为两个。
[0011]进一步的，所述弹簧(4)的外径与连接管(3)中间端非外螺纹处的外径相同，所述弹簧(4)的内径以刚好套进连接管(3)内侧端部为宜；所述弹簧(4)的长度根据与两连接管(3)中间端内侧净距相等。
[0012]进一步的，所述支座固定件(5)为304不锈钢圆管，长度25mm、壁厚3.5mm；所述支座固定件(5)内侧端设有内螺纹(51)，并与连接管(3)外侧端外螺纹(32)配套；所述支座固定件(5)外侧端设有M5内螺纹(52)，长度5mm；所述支座固定件(5)数量为两个。
[0013]进一步的，所述传感器保护管(6)为304不锈钢圆管，长度与两支座固定件(5)之间净距离相等；所述传感器保护管(6)外径与支座固定件(5)外径相同，内径以刚好套进连接管(3)为宜。
[0014]进一步的，所述跳线保护管(7)为304不锈钢圆管，长度25mm、壁厚2mm、外径7mm；内侧端设有外螺纹(71)，与支座固定件(5)外侧端内螺纹(52)配套；所述跳线保护管(7)数量为两个。
[0015]基于上述任一所述的一种量程可调的光纤光栅应变传感器的制备方法，具体制作步骤如下：
[0016]步骤一、根据监测要求和光纤光栅应变传感器量程可调原理，确定应变光栅(11)两端外侧的光纤在两夹持杆(2)的粘贴点之间的距离为l和两支座固定件(5)中点间的距离l0；所述光纤光栅应变传感器量程可调的原理：应变光栅(11)两端外侧的光纤在两夹持杆(2)的粘贴点之间的距离为l，应变光栅(11)的应变为ε，两支座固定件(5)中点间的距离为l0，设被测对象的应变ε0，由于夹持杆(2)和远远大于光纤(1)的刚度，则l的变形量Δl与l0在被测对象受力产生的变形量Δl0近似相等，则有：
[0017]即有：
[0018]从上面公式可知：应变光栅(11)的应变ε和被测对象的应变ε0之比与两支座固定件(5)中点间的距离为l0和光纤在两夹持杆(2)的粘贴点之间的距离l之比相等，即改变l0和l之间的比值，即可调所述整光纤光栅应变传感器的量程；当被测对象的应变ε0远小于光纤光栅的极限应变4000
‑
7000με时，根据需要可适当增加光纤光栅的灵敏度，即使光纤光栅所监测的应变为ε大于ε0，只需使l小于l0即可；当被测对象的应变ε0大于光纤光栅的极限应变时，根据需要可增大光纤光栅的监测量程，即使光纤光栅所监测的应变为ε小于ε0，只需使l大于l0即可，具体做法是有一小段光纤放在夹持杆(2)的凹槽(22)内不粘贴，留此一段光纤自由长度后往夹持杆(2)外侧粘贴光纤；
[0019]步骤二、依据步骤一所确定l，确定应变光栅(11)两外侧端光纤上两个粘贴起始点：取光纤(1)，摆成直线状，以应变光栅(11)为对称中心量出l的长度，在光纤上标识出l长度的两端点，此两端点即为光纤在夹持杆(2)的凹槽(22)的两个粘贴起始点，同时在l的长度范围内套上裸纤保护管(12)，确保裸纤保护管(12)比l稍长；
[0020]步骤三、计算夹持杆长度并确定凹槽上的粘贴点：根据步骤一已确定的l0和l的大小关系，确定光纤粘贴点在夹持杆(2)的位置，计算出夹持杆(2)的长度:当l＜l0时，夹持杆(2)的长度为光纤粘贴长度；当l≥l0时，夹持杆(2)的长度为光纤粘贴长度加上(l
‑
l0)，其中
粘贴长度不小于40mm。取长度满足要求的两个夹持杆(2)，确定光纤在夹持杆(2)的粘贴位置，用光纤粘贴专用胶(8)将光纤从两个粘贴起始点往外侧对称地粘贴在两夹持杆(2)的凹槽(22)内，粘贴长度不小于40mm；待粘贴胶完全固化后待用；
[0021]步骤四、粘贴温补光栅(14)：当所述传感器设有温度补偿时，用光纤粘贴专用胶(8)将所述光纤(1)上刻有的温补光栅(14)全程粘贴在任一一个夹持杆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种量程可调的光纤光栅应变传感器，其特征在于，包括刻有光栅的光纤(1)、夹持杆(2)、连接管(3)、弹簧(4)、支座固定件(5)、传感器保护管(6)、跳线保护管(7)；所述光纤(1)两端分别用胶粘剂粘贴在两个夹持杆(2)上，两夹持杆(2)之间套上弹簧(4)，弹簧(4)两端分别用两个连接管(3)旋进夹持杆(2)从而压紧弹簧(4)，对光纤(1)预加预拉应力；两连接管(3)背向弹簧(4)的外端分别与两支座固定件(5)相连，两支座固定件(5)之间设有传感器保护管(6)，两支座固定件(5)外端设有跳线保护管(7)。2.根据权利要求1所述的一种量程可调的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述光纤(1)上刻有应变光栅(11)，所述应变光栅(11)长度范围内/不限于此范围内套有裸纤保护管(12)，两端有铠装跳线(13)；当所述传感器设有温度补偿时，所述光纤(1)上还另刻有温度光栅(14)。3.根据权利要求1所述的一种量程可调的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述夹持杆(2)为304不锈钢圆形杆，直径4～8mm、长度不小于40mm，全长设有外螺纹(21)，纵向设置凹槽(22)；所述夹持杆(2)数量为两个。4.根据权利要求1所述的一种量程可调的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述连接管(3)为304不锈钢圆管，整体长度25mm、壁厚3mm；全长设置有内螺纹(31)，与夹持杆(2)的外螺纹(21)配套；所述连接管(3)外侧端部设置有外螺纹(32)，外螺纹长5mm；所述连接管(3)内侧端部外径内收约1mm，内收长度3mm；所述连接管(3)数量为两个。5.根据权利要求1所述的一种量程可调的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述弹簧(4)的外径与连接管(3)中间端非外螺纹处的外径相同，所述弹簧(4)的内径以刚好套进连接管(3)内侧端部为宜；所述弹簧(4)的长度根据与两连接管(3)中间端内侧净距相等。6.根据权利要求1所述的一种量程可调的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述支座固定件(5)为304不锈钢圆管，长度25mm、壁厚3.5mm；所述支座固定件(5)内侧端设有内螺纹(51)，并与连接管(3)外侧端外螺纹(32)配套；所述支座固定件(5)外侧端设有M5内螺纹(52)，长度5mm；所述支座固定件(5)数量为两个。7.根据权利要求1所述的一种量程可调的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述传感器保护管(6)为304不锈钢圆管，长度与两支座固定件(5)之间净距离相等；所述传感器保护管(6)外径与支座固定件(5)外径相同，内径以刚好套进连接管(3)为宜。8.根据权利要求1所述的一种量程可调的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述跳线保护管(7)为304不锈钢圆管，长度25mm、壁厚2mm、外径7mm；内侧端设有外螺纹(71)，与支座固定件(5)外侧端内螺纹(52)配套；所述跳线保护管(7)数量为两个。9.基于权利1～8任一所述的一种量程可调的光纤光栅应变传感器的制备方法，其特征在于，具体制作步骤如下：步骤一、根据监测要求和光纤光栅应变传感器量程可调原理，确定应变光栅(11)两端外侧的光纤在两夹持杆(2)的粘贴点之间的距离为l和两支座固定件(5)中点间的距离l0；所述光纤光栅应变传感器量程可调的原理：应变光栅(11)两端外侧的光纤在两夹持杆(2)的粘贴点之间的距离为l，应变光栅(11)的应变为ε，两支座固定件(5)中点间的距离为l0，设被测对象的应变ε0，由于夹持杆(2)和远远大于光纤(1)的刚度，则l的变形量Δl与l0在被测对象受力产生的变形量Δl0近似相等，则有：
即有：从上面公式可知：应变光栅(11)的应变ε和被测对象的应变ε0之比与两支座固定件(5)中点间的距离为l0和光纤在两夹持杆(2)的粘贴点之间的距离l之比相等，即改变l0和l之间的比值，即可调所述整光纤光栅应变传感器的量程；当被测对象的应变ε0远小于光纤光栅的极限应变4000
‑
7000με时，根据需要可适当增加光纤光栅的灵敏度，即使光纤光栅所监测的应变为ε大于ε0，只需使l小于l0即可；当被测对象的应变ε0大于光纤光栅的极限应变时，根据需要可增大光纤光栅的监测量程，即使光纤光栅所监测的应变为ε小于ε0，只需使l大于l0...

【专利技术属性】
技术研发人员：覃荷瑛，刘丰荣，朱万旭，张贺丽，黄家柱，苏泳旗，
申请(专利权)人：桂林汉西鸣科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：