CN104279974A - 一种分体式光纤应变传感器组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分体式光纤应变传感器组件，在不影响光纤光栅预应力封装的前提下将封装与装配方式去耦合，通过将封装金属防护件和装配基座相分离，从而解决传感器一次安装后无法再次重用的问题。具体包括传感元件、封装防护件和装配基座；所述传感元件为光纤光栅，封装防护件为金属管；所述光纤光栅穿过金属管后，通过超声波焊接的方式将光纤光栅和金属管之间的空隙焊接紧固；光纤从金属管两端引出；所述金属管的两端分别通过法兰盘箍紧；封装有传感元件的金属管支撑在所述装配基座上，金属管两端的法兰盘与装配基座相连。

Description

一种分体式光纤应变传感器组件

技术领域

本发明涉及一种传感器组件，具体涉及一种分体式光纤应变传感器组件，属于光纤光栅测量传感技术领域。

背景技术

光纤光栅因具有灵敏度高、抗干扰能力强、环境适应性好、体积小、能够远距离传输、易于分布式多点组网测量等优点，被广泛应用于振动、位移、加速度、温度、应变等传感测量领域。在结构安全监测领域，主要使用光纤光栅应变传感器来监测和评估建筑物的安全，如机场、体育馆、大桥、隧道等，测量其位移、应变、振动等力学参数的变化，然后定期保存历史数据、设定测点报警阈值等。其基本原理是利用光纤布拉格光栅，让紫外光通过掩膜光栅照射到裸光纤上，引起裸光纤纤芯折射率的永久性变化，形成布拉格光栅；在受到应力应变变化时，光栅的栅距同时发生变化，从而精确地测量应变。

由于裸的光纤光栅直径只有125μm，在恶劣的结构安全监测工程环境中容易损伤，只有对其进行保护性的封装与装配设计，才能赋予光纤光栅更稳定的性能，确保其可靠实用。由于传感器应用环境和条件的不同，光纤光栅应变传感器大多都是依据特定安装条件设计具体的装配结构和封装工艺，不具备通用性。而且目前大多传感器都是将其金属防护件和装配基座一体化加工成型，使得在每次结构检测完成后传感器不易拆卸检修和更换，一次安装后无法再次使用，无法满足快速部署、可重用的需求，从经济成本和使用维修效率上都不合算。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种分体式光纤应变传感器组件，将封装防护件和装配基座分离，从而解决传感器一次安装后无法再次重用的问题，使光纤光栅传感器具有较强的环境适应性。

所述的分体式光纤应变传感器组件包括传感元件、封装防护件和装配基座；所述传感元件为光纤光栅，封装防护件为金属管；所述光纤光栅穿过金属管后，通过超声波焊接的方式将光纤光栅和金属管之间的空隙焊接紧固；光纤从金属管两端引出；所述金属管的两端分别通过法兰盘箍紧；封装有传感元件的金属管支撑在所述装配基座上，金属管两端的法兰盘与装配基座相连。

作为本发明的一种优选方式，将位于金属管外的光纤的外表面以及封装防护件的内表面进行镀金处理。

作为本发明的一种优选方式，所述装配基座包括两个L形的支撑座，封装防护件的两端分别支撑在两个支撑座上；封装防护件两侧法兰盘分别和两个支撑座采用螺接的方式相连。有益效果：

(1)对光纤应变传感器采用分体式装配结构，使光纤光栅的封装防护件和装配基座可分离拆卸，便于光纤应变传感器的安装布设和重用。整体结构简单可靠，可维修性强，有较强的环境适应性。

(2)装配基座采用一体化方式加工制作，保证其结构强度、冲击和耐压性能。

(3)封装防护件两侧的法兰盘和装配基座之间用螺接的方式固定，保证了光纤光栅预应力的稳定，能够有效地提高传感器的测量精度。

(4)穿过光纤光栅封装防护件的光纤部分外层镀金，封装防护件外层表面也进行镀金，能够有效防止海水腐蚀和盐雾对光纤的侵蚀和破坏。

附图说明

图1为金属防护件封装示意图；

图2为该传感器组件的整体结构示意图。

其中：1-传感元件、2-光栅、3-封装防护件、4-支撑座

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种运用于结构安全监测的分体式光纤应变传感器组件，该传感器组件的封装防护件和装配基座可分离拆卸，从而便于光纤光栅传感器的安装布设和重用。

该分体式光纤应变传感器组件包括传感元件2、封装防护件3和装配基座。其中传感元件2为波长为λ_B的光纤Bragg光栅，封装防护件3为钢管。该钢管采用一次加工成型，仅留一微小轴向空隙使得光纤光栅能够穿过，以保证其结构强度，同时使其具备冲击和耐压性能。光纤光栅穿过毛细钢管内壁后，在光纤光栅和钢管内壁之间存在微小空隙，通过超声波焊接的方式将该微小空隙焊接紧固，使得封装后的光纤光栅保持张紧状态，如图1所述。光纤1从钢管两端的小孔中引出，为防止外界腐蚀和盐雾对光纤的侵蚀破坏，将裸露在钢管外光纤1的外表面镀金，同时在钢管内表面也进行镀金。另外，钢管两端分别用法兰盘箍紧，并用激光焊接将槽道缝隙封死，以便于钢管和装配基座的对接锁紧。

当钢管受拉或受压时，光纤Bragg光栅将随之在纵向拉伸或压缩。光纤中的应变引起光栅间距和折射率的光弹效应，当光纤的纵向应变为ε_f时，Bragg光栅的波长偏移Δλ_B为：

Δλ_B＝λ_B(1-β)ε_f

其中β为光纤的有效光弹常数。

通过测量光纤光栅反射波长的变化即可得知该点处结构的应变。但为准确监测结构应变，必须首先明确Bragg光栅所测应变与结构真实应变的关系，即应考虑将光纤光栅封装入金属钢管后的应变传递问题。

本实施例中将光纤光栅通过超声焊接直接粘贴在钢管内壁，这样在光纤光栅与钢管内壁之间存在中间层，使得光纤光栅所感受到的应变为焊接层内表面的应变，与钢管内壁实际应变不同。由于光纤与钢管内壁粘贴后形成了应变梯度，Bragg光栅的波长偏移Δλ_B与钢管应变ε_c之间的关系可表示为：

Δλ_B＝μλ_B(1-β)ε_c

其中μ为光纤与钢管间的粘黏系数，有ε_f＝με_c。

于是： $\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B/{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\ϵ}}_c}=\mathrm{\μ}(1-\mathrm{\β})$

由此可见光纤光栅所感受到的应变与封装防护件的实际应变是一个稳定的线性关系，依据该线性关系便可准确的监测结构应变。

装配基座包括两个L形的支撑座4，如图2所示。支撑座4的竖直面上加工有用于放置钢管的切口。将钢管的两端分别支撑在两个支撑座上，钢管两端的法兰盘与支撑座之用螺接的方式固定，一方面便于拆卸更换和重用，另一方面也能够保证光纤光栅预应力的稳定，使得光纤光栅、钢管以及装配基座之间保持一个稳定良好的受力关系。本实施例中通过内六角螺钉将法兰盘和支撑座紧固，给光纤光栅施加一定的预应力，通过调节施加的光纤光栅预应力的大小，能够使光纤光栅、封装防护件以及装配基座之间保持一个稳定良好的受力关系。在外界温度变化时，传感器有良好的稳定性和可重复性。

为有效保护传感器的光纤光栅以及连接部分，采用氩弧焊方式把装配基座点焊固定在安装面上，以保证尽可能低的焊接温度和尽可能少的作业接触面。紧固前调整光纤光栅封装金属件、装配基座间的相对位置关系，便于装配基座的点焊操作空间。以实现光纤光栅封装防护件与装配基座平行，偏差不大于±1°(此要求可根据实际需求进行调整)。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种分体式光纤应变传感器组件，其特征在于，包括传感元件、封装防护件和装配基座；所述传感元件为光纤光栅，封装防护件为金属管；所述光纤光栅穿过金属管后，通过超声波焊接的方式将光纤光栅和金属管之间的空隙焊接紧固；光纤从金属管两端引出；所述金属管的两端分别通过法兰盘箍紧；封装有传感元件的金属管支撑在所述装配基座上，金属管两端的法兰盘与装配基座相连。

2.如权利要求1所述的一种分体式光纤应变传感器组件，其特征在于，将位于金属管外的光纤的外表面以及封装防护件的内表面进行镀金处理。

3.如权利要求1所述的一种分体式光纤应变传感器组件，其特征在于，所述装配基座包括两个L形的支撑座，封装防护件的两端分别支撑在两个支撑座上；封装防护件两侧法兰盘分别和两个支撑座采用螺接的方式相连。