CN106382894A - 一种光纤光栅多维传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种光纤光栅多维传感器。一种光纤光栅多维传感器，包括复合材料封装光纤光栅传感器1，每个复合材料封装光纤光栅传感器通过L型支架2固定在角钢3上。本发明所提供的光纤光栅多维应变传感器，与现有的基于电阻应变片组桥测量原理的多维应变传感器相比，具有可靠性高，抗干扰能力强等优势。

Description

一种光纤光栅多维传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种光纤光栅多维传感器。

背景技术

随着城市的发展，各种大型露天结构日益增多。重大工程结构如桥梁、高层建筑、大跨度空间结构、水坝、核电站、输电、输油等网络***的健康诊断和安全监测一直是国内外工程领域广泛关注的重要研究课题。其常规技术多以点式电测电传方式为主,但这些技术存在着根本性的缺陷,如对测点物性的影响；耐久性差；易受强电磁场干扰；不能分布测量、导致信息量有限等。

以光纤布拉格光栅为核心的传感器与具有灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、可靠性高、体积小等优点。方便实现对桥梁，水坝，飞行器，舰船，油井等的实时监测，目前光纤光栅传感技术的应用越来越广泛。光纤光栅应变传感器是在工程领域中应用最广泛，技术最成熟的光纤传感器。由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用，同时，封装结构的设计变化又会对传感器的灵敏度等参数进行优化改良。

根据R.Maaskant，T.Alavie和G.Tadros等人的Fiber-optic Bragg GratingSensors for Bridge Monitoring一文，早在1993年，加拿大卡尔加里的Beddingtontrail大桥首先使用了光纤光栅进行应力测量,并用此方法长期监测桥梁结构。光纤光栅传感器在工程结构中的应用,是继电测技术之后的测试

技术新阶段的开始，该技术的发展，将为重大工程结构的安全监测提供了新的方法和手段。

传统的多维应变传感器多是基于电阻应变片组桥测量原理而设计的，电阻应变片受温度、潮湿、电磁干扰的影响大，难以胜任野外复杂环境下的监测工作。而与之相比较，光纤光栅传感器则完全可以胜任这一监测工作。

现有的光纤光栅应变传感器，如授权公告号CN 202158841 U的实用新型专利“一种光纤光栅应变传感器”，需要将传感器粘贴在被测物体上，对被测物体表面要求高，传感器无法重复利用，传感器的灵敏度受到胶的性能影响较大，胶体也容易老化，在使用期限上和使用范围上有一定局限。授权公告号CN 203587254 U的实用新型专利“一种三维光纤光栅传感器”，仅能应用于测量地应力，应用范围很窄，传感器结构较为复杂，制作有一定难度，同时该传感器使用了9根光纤光栅，数据分析量大，直观度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的光纤光栅多维传感器。

本发明的目的是这样实现的：

一种光纤光栅多维传感器，包括复合材料封装光纤光栅传感器1，每个复合材料封装光纤光栅传感器通过L型支架2固定在角钢3上。

所述的复合材料封装光纤光栅传感器1有三个，三个复合材料封装光纤光栅传感器位于角钢同等圆周位置的三个不同面上，在每个面上的相对位置均不相同。

三个所述的复合材料封装光纤光栅传感器安装方向与角钢3的长度方向平行。

所述的复合材料封装光纤光栅传感器1两端设有金属锚头，每个复合材料封装光纤光栅传感器由2个L型支架固定在角钢3上。

所述的L型支架2与角钢3之间的连接方式为刚性连接，L型支架2上设有安装孔，与复合材料封装光纤光栅传感器1刚性连接。

所述的角钢3采用等边角钢。

本发明的有益效果在于：

本发明所提供的光纤光栅多维应变传感器，与现有的基于电阻应变片组桥测量原理的多维应变传感器相比，具有可靠性高，抗干扰能力强等优势。

本发明所提供的光纤光栅多维应变传感器，与现有的其他光纤光栅多维应变传感器相比，具有结构简单，可反复使用，应用范围广，对被测物体形貌没有要求，使用的敏感元件少等优势。

附图说明

图1为本发明的传感器整体结构示意图；

图2为本发明的传感器整体结构正视图；

图3为本发明的传感器整体结构侧视图；

图4为本发明的传感器整体结构俯视图；

图5为本发明的L型支架结构示意图；

图6为本发明的复合材料封装光纤光栅传感器结构示意图；

图7为角钢沿X方向连续形变时，三个光纤光栅传感器波长漂移示意图；

图8为角钢沿X方向发生某定量形变时，三个光纤光栅传感器波长漂移示意图；

图9为角钢沿Y方向连续形变时，三个光纤光栅传感器波长变化示意图；

图10为角钢沿Y方向发生某定量形变时，三个光纤光栅传感器波长漂移示意图；

图11为角钢沿Z方向连续形变时，三个光纤光栅传感器波长漂移示意图；

图12为角钢沿Z方向发生某定量形变时，三个光纤光栅传感器波长漂移示意图；

图13为角钢绕Z轴连续旋转时，三个光纤光栅传感器波长漂移示意图；

图14为角钢绕Z轴连续旋转某定量角度时，三个光纤光栅传感器波长漂移示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明涉及一种用于测量大型结构应变的光纤光栅多维应变传感器。该光纤光栅多维应变传感器，包括三个复合材料封装光纤光栅传感器，六个L型支架和一根角钢。每一个复合材料封装光纤光栅传感器通过两个L型支架固定在角钢上，三个复合材料封装光纤光栅传感器分别固定在角钢不同面不同位置上。由于角钢本身应变分布特性和本传感器结构特性，三个传感器分别对某一方向或某两方向的应变不敏感，使用时通过对三组数据进行比较分析可以得到被测结构的应变大小与方向。本发明可通过夹具固定在多种大型结构上，应用广泛，可进行实时、长期、有效的监测。

本发明提供了一种用于大型结构应变检测的光纤光栅多维应变传感器。角钢作为封装结构的一部分，一端固定在被测结构上，一端固定在固定平面(如地面等)或结构上。当被测结构发生变化时，角钢发生变形，从而带动刚性固定在角钢上的L型支架间的布拉格光栅受到拉伸(压缩)，使布拉格波长发生漂移。光纤光栅应变传感器测量是基于被测量结构变化引起的光栅周期和有效折射率的变化，从而导致光栅特征波长的变化，通过测量特征波长的漂移量来测量被测结构应变量。

本发明的技术方案为：一种新型的光纤光栅多维应变传感器，包括复合材料封装光纤光栅传感器，L型支架，角钢。3个复合材料封装光纤光栅传感器分别由6个L型支架固定在角钢同一圆周的三个不同面上，圆周位置靠近角钢其中一端。角钢距离复合材料封装光纤光栅传感器距离较近的一端作为固定端，与固定平面或结构刚性连接，另一端通过夹具与被测结构刚性连接。当被测结构发生形变时，带动角钢发生形变，使得固定复合材料封装光纤光栅传感器的两个L型支架发生相对移动，令与两个L型支架刚性连接的复合材料封装光纤光栅传感器产生应变。由于角钢本身的应变分布特性与本传感器的结构特性，三个复合材料封装光纤光栅传感器分别对水平，竖直，扭转，拉伸/压缩四个方向的应变中的一个或两个不敏感。通过对三组测量数据的比较可以得到被测结构的应变大小与方向。

所述复合材料封装光纤光栅传感器的结构包括光纤布拉格光栅、FRP材料和锚头，光纤布拉格光栅竖直封装在圆柱形FRP材料中心，FRP材料两端与锚头连接。

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。本发明可以以多种不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的实施方式。提供以下具体实施方式的目的是便于对本发明更清楚透彻的理解，其中上、下、左、右、水平、竖直、扭转等指示方位方向的字词仅是针对所示结构在对应附图中的位置而言。

然而，本领域的技术人员可能会意识到其中一个或多个的具体细节描述可以被省略，或者还可以采用其他的方法、组件或材料。在一些例子中，一些实施方式并没有描述或没有详尽描述。

此外，本发明中记载的技术特征、技术方案还可以在一个或多个实施例中以任意合适的方式组合。

实施例：

光纤光栅多维应变传感器包括主体结构和复合材料封装光纤光栅传感器。

如图2所示，本传感器包括角钢1、L型支架2，L型支架3，L型支架4，复合材料封装光纤光栅传感器5，复合材料封装光纤光栅传感器6，复合材料封装光纤光栅传感器7。

角钢1采用Q235∠40×40×3。长度2000mm。

L型支架2距离角钢最上表面10mm。L型支架3距离角钢最右表面26mm。L型支架4距离角钢最右表面26mm。

如图2，图3，图4中的标示，角钢1具有相互垂直的第一轴向，第二轴向和第三轴向形成的三维坐标系(即以角钢的左端面直角顶点为原点O定义一个XYZ三维坐标系)。

如图3，图4所示，L型支架2，L型支架3，L型支架4最右平面距离角钢右端865mm。复合材料封装光纤光栅传感器5，复合材料封装光纤光栅传感器6，复合材料封装光纤光栅传感器7均与Z轴平行。

角钢1左右两端各200mm处设有孔位，用以安装固定用的夹具。夹具形状可以依据被测物体形貌进行设计修改，不影响本传感器正常使用。其中角钢右端为固定端，使用时与固定平面或结构刚性连接，角钢左端为测量端，与被测物体刚性连接。

如图5所示，L型支架底面尺寸为20*47mm，厚6mm，全高30mm。上表面中心位置开一安装孔用以与复合材料封装光纤光栅传感器刚性连接。安装孔直径6mm，深(L型支架上表面至圆心)16.5mm。

如图6所示，该复合材料封装光纤光栅传感器包括光纤布拉格光栅8，FRP封装材料9，锚头10。FRP封装材料长100mm，左右锚头各长18mm，直径6mm。

本发明传感器的敏感检测元件为光纤光栅，在角钢1的特定位置上布置光纤光栅后，利用光纤光栅的波长输出来表征角钢应变大小，从而得到被测物体的应变大小。

由于角钢本身的应变分布特性和本发明的结构特性，复合材料封装光纤光栅传感器5，复合材料封装光纤光栅传感器6，复合材料封装光纤光栅传感器7分别对角钢沿X轴向弯曲，沿Y轴向弯曲，沿Z轴向拉伸/压缩，绕Z轴旋转四个方向的应变中的一个或两个不敏感，分析三个复合材料封装光纤光栅传感器的波长漂移量，可以判断出角钢的应变方向，从而判断出被测结构的应变方向。

复合材料封装光纤光栅传感器5的波长漂移量为△。

复合材料封装光纤光栅传感器6的波长漂移量为△。

复合材料封装光纤光栅传感器7的波长漂移量为△。

波长漂移量等于形变后波长输量出减去初始状态下(施加预应力后)波长输出量，正负分别代表光栅被拉伸和压缩。

如图7，图8所示，当角钢在被测物体的牵引下发生沿X轴向弯曲形变时，复合材料封装光纤光栅传感器6和复合材料封装光纤光栅传感器7波长输出变化很小，复合材料封装光纤光栅传感器5波长输出有较大变化，且复合材料封装光纤光栅传感器5波长漂移量与复合材料封装光纤光栅传感器7波长漂移量正负相反。︱△︱＞＞△≈△。

如图9，图10所示，当角钢在被测物体的牵引下发生沿Y轴向弯曲形变时，复合材料封装光纤光栅传感器5和复合材料封装光纤光栅传感器6波长输出变化很小，复合材料封装光纤光栅传感器7波长输出有较大变化。且复合材料封装光纤光栅传感器5波长漂移量与复合材料封装光纤光栅传感器7波长漂移量正负相反。︱△︱＞＞△≈△。

如图11，图12所示，当角钢在被测物体的牵引下发生沿Z轴向的拉伸/压缩时，复合材料封装光纤光栅传感器5波长输出变化最大，复合材料封装光纤光栅传感器6波长输出变化居中，复合材料封装光纤光栅传感器7波长输出变化最小，且三个波长漂移量正负一致。△＞△＞△。

如图13，图14所示，当角钢在被测物体的牵引下发生绕Z轴旋转时，复合材料封装光纤光栅传感器5、复合材料封装光纤光栅传感器6和复合材料封装光纤光栅传感器7的波长输出均有变化，三个波长漂移量大小几乎相同，且三个波长漂移量正负一致。△≈△≈△。

可见，针对四种应变方向，三个波长漂移量各不相同，通过分析比较三个数据可以得到角钢的应变方向，从而得到被测物体的应变方向。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干推演或替换。

Claims (6)

1.一种光纤光栅多维传感器，包括复合材料封装光纤光栅传感器(1)，其特征在于：每个复合材料封装光纤光栅传感器通过L型支架(2)固定在角钢(3)上。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅多维传感器，其特征在于：所述的复合材料封装光纤光栅传感器(1)有三个，三个复合材料封装光纤光栅传感器位于角钢同等圆周位置的三个不同面上，在每个面上的相对位置均不相同。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅多维传感器，其特征在于：三个所述的复合材料封装光纤光栅传感器安装方向与角钢(3)的长度方向平行。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅多维传感器，其特征在于：所述的复合材料封装光纤光栅传感器(1)两端设有金属锚头，每个复合材料封装光纤光栅传感器由2个L型支架固定在角钢(3)上。

5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅多维传感器，其特征在于：所述的L型支架(2)与角钢(3)之间的连接方式为刚性连接，L型支架(2)上设有安装孔，与复合材料封装光纤光栅传感器(1)刚性连接。

6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅多维传感器，其特征在于：所述的角钢(3)采用等边角钢。