一种高灵敏度的三向光纤光栅应变传感器制造技术

本发明专利技术属于光纤传感器技术领域，公开了一种高灵敏度的三向光纤光栅应变传感器，包括三向的增敏封装基底

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度的三向光纤光栅应变传感器


[0001]本专利技术属于光纤传感器
，具体涉及一种具有温度自补偿功能的高灵敏度三向光纤光栅应变传感器
。

技术介绍

[0002]随着光纤制作工艺与光纤传感技术的不断提高，光纤光栅传感器在航空航天
、
土木和化工等领域得以应用
。
与传统传感器相比，光纤光栅传感器具有电绝缘性能好
、
抗电磁干扰能力强，可挠性以及不带电等独特优点
。
在测量结构应变时，对于主应变未知的结构，需要同时测量结构三个方向的应变，方可计算得到测点处主应变大小与方向
。
为此本专利技术公开一种具有温度自补偿功能的三向光纤光栅应变传感器，该应变传感器由四个光栅区串联连接组成，实现了光纤解调仪单通道应变测量
。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种具有温度自补偿功能的高灵敏度三向光纤光栅应变传感器，以解决上述
技术介绍
中提到的问题
。
本专利技术公开的光纤光栅应变传感器采用基片式设计，体积小，方便安装，通过一根光纤能够同时测量0°
、120
°
和
240
°
的应变，并具有温度自补偿功能，测量结构应变的光纤封装基底设有环型增敏结构，温度补偿光纤通过铠装套管进行保护
。
[0004]本专利技术的技术方案：
[0005]一种高灵敏度的三向光纤光栅应变传感器，包括封装基底
、
铠装套管和光纤，三向光纤光栅应变传感器内写入四个光栅区，其中三个光栅区用于测量结构应变，一个光栅区用于温度补偿；封装基底在三个方向上分别设有环型增敏结构；三个环型增敏结构之间由中心封装基底连接，三个环型增敏结构外端分别连接外侧封装基底；封装基底沿光纤布置方向设置有光纤定位槽，在中心封装基底的几何中心设置直径为
2mm、
用于固定光纤的中心固定孔，应变测量光纤布置在光纤定位槽内；温度补偿光纤通过铠装套管进行保护
。
[0006]所述环型增敏结构由三个环形结构串联而成，两侧环形较短，中间环形较长，三个环形内外径相同，环形与环形
、
环形与封装基底片之间连接方式相同
。
理论上，环型增敏结构在垂直于光纤定位槽方向的长度越大，则其刚度越小，增敏效果越好，但环型增敏结构过长会导致传感的线性度下降，因此，两侧较短的环形可以保证该处结构的线性度
。
[0007]在得到测点三向应变数据后，根据应变花测量原理，任一方向的应变大小可按下式算出：
[0008][0009]代入得：
[0010]ε0°
＝
ε
x
[0011][0012][0013]于是：
[0014][0015][0016]得到主应变的大小和方向：
[0017][0018][0019]其中，
ε
α
为
α
方向的应变值，
ε
x
、
ε
y
、
γ
xy
分别为轴向应变
(0
°
方向
)、
横向应变
(90
°
方向
)
和切应变，
ε0°
、
ε
120
°
、
ε
240
°
分别为3个方向光纤光栅区所测应变值，
α0为主应变方向，
ε
max
、
ε
min
为最大主应变和最小主应变
。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021](1)
本专利技术设计的一种高灵敏度的三向光纤光栅应变传感器，采用基片式封装方式，体积小
、
易安装，封装基底采用三向设计，可测量结构三向应变，利于分辨结构最危险的受力方向
。
[0022](2)
本专利技术所述光纤光栅应变传感器可进行温度自补偿
。
[0023](3)
本专利技术所述光纤光栅应变传感器利用光栅区内外刚度差，设计了新型的环状串联增敏结构，提高了光纤光栅灵敏度
。
[0024](4)
本专利技术所述光纤光栅应变传感器仅使用一根光纤，实现光纤解调仪单通道应变测量
。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的增敏型单向光纤光栅应变传感器示意图
。
[0026]图2为本专利技术的增敏型三向光纤光栅应变传感器示意图
。
[0027]图3为本专利技术的单向应变传感器尺寸优化示意图
。
[0028]图4为本专利技术的单向应变传感器寻优历程图
。
[0029]图5为本专利技术的三向应变传感器光谱图
。
[0030]图6为本专利技术的三向应变传感器标定曲线图
。
[0031]图中：1第一光栅区，2第二光栅区，3第四光栅区，4外侧封装基底，5环型增敏结构，6中心封装基底，7光纤定位槽，8中心固定孔，9第三光栅区，
10
铠装套管
。
具体实施方式
[0032]下面结合技术方案和附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明
。
[0033]实施例1[0034]图1所示为本专利技术所述一种增敏的单向光纤光栅应变传感器的实施方式
。
[0035]本专利技术采用基片式设计，设计了如图1所示的环型增敏结构
。
理论上，光纤光栅区刚度越小，光纤光栅以外区域刚度越大，增敏效果越好，即光纤光栅区内外刚度差与增敏倍数呈正相关，但过小的光栅区刚度会导致传感器线性度下降，不利于测量精度
。
因此，将增敏区域设计为中间环形长，两侧环形短的形状，有利于传感器增敏倍数与线性度的平衡，中间较长的环形区域，可以提高增敏效果，利于结构微应变测量，降低两侧环形结构长度，可以增大光纤光栅区的刚度，保证传感器的线性度
。
[0036]根据上述理论，优化传感器设计方案，找到传感器尺寸最优解，本专利技术运用仿真软件
Abaqus
与优化软件
Isight
对中间环形的长度为
H1，两侧环形的长度为
H2，环形的外径为
R1，环形的内径为
R2进行联合优化，优化结果如图4所示，最终确定环形区域的尺寸：
H1＝
11.5mm、H2＝
14.5mm、R1＝
0.7mm、R2＝
1.2mm
，并由此得到传感器的增敏系数为
3.15。
[0037]本实施例中，优化目标函数
S
由下式计算，其表示增敏区域的应变集中倍数：
[0038][0039]其中，
Δ
l1为环型增敏区域变形量，
l1为环型增敏区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高灵敏度的三向光纤光栅应变传感器，其特征在于，该三向光纤光栅应变传感器包括封装基底
、
铠装套管和光纤，三向光纤光栅应变传感器内写入四个光栅区，其中三个光栅区用于测量结构应变，一个光栅区用于温度补偿；封装基底在三个方向上分别设有环型增敏结构；三个环型增敏结构之间由中心封装基底连接，三个环型增敏结构外端分别连接外侧封装基底；封装基底沿光纤布置方向设置有光纤定位槽，在中心封装基底的几何中心设置用于固定光纤的中心固定孔，应变测量光纤布置在光纤定位槽内；温度补偿光纤通过铠装套管进行保护
。2.
根据权利要求1所述的高灵敏度的三向光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述环型增敏结构由三个环形结构串联而成，两侧环形较短，中间环形较长，三个环形内外径相同，...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔洪宇，徐环球，胡昊明，尹晓开，张希栋，王政，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：