CN102829901A - 波形槽柱体光纤传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波形槽柱体光纤传感装置，在柱体（10）上分布有波形槽（4），波形槽（4）的相对两面上分别具有相互交错对应的波峰和波谷，且在波形槽（4）的相对两面的波峰之间夹有第一信号光纤（6）。当柱体（10）在应力下变形时，在柱体（10）上的波形槽（4）内的相对两侧的波峰之间的距离会改变，从而使夹持于两者波峰间的第一信号光纤（6）的弯曲曲率变化，导致第一信号光纤（6）的弯曲损耗变化，通过测试单元（5）和处理单元（7）可推算出柱体（10）所受应力的大小。通过将柱体（10）和微弯结构的波形槽（4）的有机结合而构成了新型传感装置。

Description

波形槽柱体光纤传感装置
技术领域
本发明属光纤应力传感装置，尤其是涉及一种基于光纤微弯损耗变化的柱体状应力传感装置。
 
背景技术
[0002] 由于对滑坡、泥石流、地震、以及大型人工建筑物健康监测的需要，应力参数监测是技术人员最关心的重要参数之一，传统的以电和磁为核心的传感器由于耐久性、抗干扰能力等方面的缺陷导致其应用范围比较狭窄。随着对光纤理解的深入以及光纤技术的发展，越来越多的学者倾向于采用光纤技术方案对应力进行点式和分布式监测，中国专利申请号200410073021.2《埋入式微弯光纤传感器和微弯光纤传感器埋入与测试方法》的专利文献中，提出了一种包含有光纤的多节短套管构成的蛇形微弯光纤传感器，其套管间形成微弯点，相对于传统的传感器，其优点是抗电磁干扰、适用于多种岩体的检测、测试精度高、可以实现分布式监测，但该方案中，套管间形成的微弯点的弯曲曲率是随机的，也可能较大，也可能较小，当曲率过小时，光纤的强度就会受到影响，甚至很快就断裂了，造成传感装置的失效，另外微弯点处光纤的保护也明显不足，但若加强保护，又可能失去以微弯检测的条件，或者需要特殊的装置来保护，又无形中增加了成本。这些都限制了该发明的光纤传感器的推广使用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种在柱体表面上分布有波纹槽的光纤应力传感装置，采用的是预制的光纤微弯结构，不仅可以监测到应力的变化，同时可以计算出应力的大小。使本发明的光纤应力监测装置具有使用寿命长、精度高、用途广的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种波形槽柱体光纤传感装置，其特征在于：在柱体上分布有波形槽，波形槽的相对两面上分别具有相互交错对应的波峰和波谷，且在波形槽的相对两面的波峰之间夹有第一信号光纤，第一信号光纤通过延长光纤接测试单元，在测试单元后面接处理单元。
当柱体在应力下变形时，波形槽的宽度变化，使位于波形槽的相对两面上的波峰之间的距离也会改变，从而使夹持于波峰间的第一信号光纤的弯曲曲率变化，这又使第一信号光纤的弯曲损耗变化，通过测试单元可得到第一信号光纤弯曲损耗变化的大小，并传递给处理单元，处理单元推算出柱体所受应力的大小。由于在柱体上的波形槽的相对两侧有众多相互对应的波峰和波谷，从而使第一信号光纤的有效弯曲部分的长度大大延长，一方面减少了第一信号光纤的弯曲曲率，另一方面提高该装置的精度，同时也大大延长了第一信号光纤的使用寿命。
所述的波形槽的分布方向是横向的，即与柱体的轴向垂直。
所述的波形槽的分布方向是纵向的，即与柱体的轴向平行。
所述的波形槽的分布方向是倾斜的，即与柱体的轴向的夹角是大于零度小于九十度的。
有两条或两条以上的波形槽分布于柱体上。
两条或两条以上的波形槽是互相平行的。
所述的波形槽以螺旋的方式分布于柱体上。
所述的波形槽分布于柱体的外表面上。
所述的波形槽分布于柱体的内表面上。
所述的波形槽是包含于柱体内部的结构。
所述的波形槽中的相对两侧的波峰间、与第一信号光纤并排夹持有第二信号光纤。
所述的波形槽中的波峰顶端有凹槽，如V形槽，第一信号光纤安置于该凹槽内。
所述的波形槽的宽度从柱体的一端到另一端是相同的。
所述的波形槽的宽度从柱体的一端到另一端是变化的。
从柱体的一端至另一端、分布于柱体上波形槽内的波峰的高度、波峰间距或波峰顶端的曲率是变化的，如波峰高度是递增或递减的、波峰间距是递增或递减的、波峰顶端的曲率是递增或递减的。
所述的第一信号光纤或第二信号光纤被防水材料包覆。
所述的防水材料是阻水油膏。
所述第一信号光纤或第二信号光纤为外部包有多层保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述第一信号光纤或第二信号光纤也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤。
 
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、一种波形槽柱体光纤传感装置，是将柱体与光纤微弯结构结合起来，充分发挥各自结构的优点，并互相补充，使该传感器的结构简单、坚固耐用、设计合理、操作方便且使用方式灵活、灵敏度高；
2、一种波形槽柱体光纤传感装置，可以根据需要设计适当的光纤微弯结构，包括增加第一信号光纤或第二信号光纤的有效弯曲长度，从而一方面增加了检测的精度和灵敏度，并可以减少第一信号光纤或第二信号光纤的弯曲曲率，从而延长了第一信号光纤或第二信号光纤的使用寿命，使该光纤传感装置具有使用寿命长、精度高的特点；
3、一种波形槽柱体光纤传感装置由于可以采用增加第一信号光纤或第二信号光纤长度的光纤微弯结构，从而可以使本装置可以响应更大的应力以及更大的应力作用距离，扩展了该装置的使用范围;
4、一种波形槽柱体光纤传感装置中的柱体可以是经特殊加工的钢筋、钢棒或钢管，或其他坚固耐用的材料，安置于建筑物中或需监测的山体及岩体上，由于该结构具有较强的环境适应能力，和高灵敏的监测性，所以是一种良好的应力监测传感器;
5、一种波形槽柱体光纤传感装置中的柱体可以是复合材料构成，如钢塑复合材料、玻璃纤维增强塑料等材料构成，从可以有效适应实际工程条件的需求。
综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，汇集了柱体与光纤微弯结构的优势，并使其具有的优势进一步的放大，使本发明的装置具有更好的精度、更长的使用寿命、以及更优异的环境适应能力。
下面通过附图和实施例，对发明的技术方案做进一步的详细描述。
 
附图说明
 
图1为本发明第一具体实施方式的结构示意图。
图2为图1中柱体沿的A-A’的剖面结构示意图。
图3为本发明第二具体实施方式的结构示意图。
图4为本发明第三具体实施方式的结构示意图。
 
附图标记说明:
1—延长光纤；4—波形槽；5—测试单元；6—第一信号光纤；
7—处理单元；8—第二信号光纤；10—柱体；12—凹槽。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2所示，本发明包括在柱体10上分布有波形槽4，波形槽4的相对两面上分别具有相互交错对应的波峰和波谷，且在波形槽4的相对两面的波峰之间夹有第一信号光纤6，第一信号光纤6通过延长光纤1接测试单元5，在测试单元5后面接处理单元7。
优选的，所述的柱体10是圆柱体，当柱体10在应力下变形时，波形槽4的宽度变化，使位于波形槽4的相对两面上的波峰之间的距离也会改变，从而使夹持于波峰间的第一信号光纤6的弯曲曲率变化，这又使第一信号光纤6的弯曲损耗变化，通过测试单元5可得到第一信号光纤6弯曲损耗变化的大小，并传递给处理单元7，处理单元7推算出柱体10所受应力的大小。由于在柱体10上的波形槽4的相对两侧有众多相互对应的波峰和波谷，从而使第一信号光纤6的有效弯曲部分的长度大大延长，一方面减少了第一信号光纤6的弯曲曲率，另一方面提高该装置的精度，同时也大大延长了第一信号光纤6的使用寿命。
优选的是所述的波形槽4以螺旋形分布于柱体10的外表面、内表面或柱体10的内部。
优选的，有两条或两条以上的波形槽4布设于柱体10上，进一步优选的是多条波形槽4是互相平行的。
一种优选的做法是，所述的波形槽4的宽度从柱体的一端到另一端是相同的。
一种优选的做法是，所述的波形槽4的宽度从柱体的一端到另一端是变化的，这样可以进一步加大柱体10的变形范围。
所述的柱体10的材料是不锈钢、高分子材料、铜合金材料或复合材料。
从柱体10的一端至另一端、分布于柱体10上波形槽4内的波峰的高度、波峰间距或波峰顶端的曲率是变化的，如波峰高度是递增或递减的、波峰间距是递增或递减的、波峰顶端的曲率是递增或递减的。
所述第一信号光纤6为外部包有多层保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述第一信号光纤6也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤；或是多根第一信号光纤6并排夹持于波形槽4相对面的波峰间，或是多根第一信号光纤6通过树脂合并为信号光纤束或信号光纤带。
所述第一信号光纤6和延长光纤1外部包覆有防水材料，如防水油膏，可进一步防止水分子对第一信号光纤6和延长光纤1的侵蚀，延长了第一信号光纤6和延长光纤1的使用寿命。
 
实施例2
如图3所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述的波形槽4中的波峰顶端有凹槽12，优选的，所述的凹槽12是V形槽，第一信号光纤6安置于该凹槽内。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
 
实施例3
如图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述的波形槽4中的相对两侧的波峰间、与第一信号光纤6并排夹持有第二信号光纤8。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
 
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种波形槽柱体光纤传感装置，其特征在于：在柱体（10）上分布有波形槽（4），波形槽（4）的相对两面上分别具有相互交错对应的波峰和波谷，且在波形槽（4）的相对两面的波峰之间夹有第一信号光纤（6），第一信号光纤（6）通过延长光纤（1）接测试单元（5），在测试单元（5）后面接处理单元（7）。
2.按照权利要求1所述的一种波形槽柱体光纤传感装置，其特征在于：有两条或两条以上的波形槽（4）布设于柱体（10）上。
3.按照权利要求2所述的一种波形槽柱体光纤传感装置，其特征在于：两条或两条以上的波形槽（4）是互相平行的。
4.按照权利要求1所述的一种波形槽柱体光纤传感装置，其特征在于：所述的波形槽（10）以螺旋的方式分布于柱体（10）上。
5.按照权利要求1所述的一种波形槽柱体光纤传感装置，其特征在于：所述的波形槽（4）的宽度从柱体（10）的一端到另一端是相同的。
6.按照权利要求1所述的一种波形槽柱体光纤传感装置，其特征在于：所述的波形槽（4）的宽度从柱体（10）的一端到另一端是变化的。
7.按照权利要求1所述的一种波形槽柱体光纤传感装置，其特征在于：从柱体（10）的一端至另一端、分布于柱体（10）上波形槽（4）内的波峰的高度、波峰间距或波峰顶端的曲率是变化的。
8.按照权利要求1所述的一种波形槽柱体光纤传感装置，其特征在于：所述的波形槽（4）中的波峰顶端有凹槽（12）。
9.按照权利要求1所述的一种波形槽柱体光纤传感装置，其特征在于：所述的波形槽（4）中的相对两侧的波峰间、与第一信号光纤（6）并排夹持有第二信号光纤（8）。
10.按照权利要求1所述的一种波形槽柱体光纤传感装置，其特征在于：所述的第一信号光纤（6）被防水材料包覆。
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