CN106947985A - 一种用于现场粘接光纤传感器的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于现场粘接光纤传感器的装置，利用电镀原理将光纤光栅与金属基体贴合，该装置包括具有一开口的槽体(6)，所述槽体的内顶部设置有一阳极(4)，所述槽体的开口可与待镀基体贴合；所述槽体与待镀基体贴合时，槽体与待镀金属基体间形成一用于盛装电镀液(2)的密闭腔体。本发明将光纤光栅应变传感元件自动粘接在金属基体上，粘接的表面效果良好，其成活率高，灵敏度高，线性度高，而且其应变传递效率也都在0.98以上。

Description

一种用于现场粘接光纤传感器的装置

技术领域

本发明涉及一种光纤粘接装置，具体涉及一种用于现场粘接光纤传感器的装置。

背景技术

光纤光栅凭借其质量轻、体积小、多路复用、抗电磁干扰能力强等优点，已经被广泛应用在土木、航天、电力等领域中。它作为一种特殊的敏感元件，其中心波长λ_b与纤芯的有效折射率n_eff和光栅周期Λ有关，如式(1)，在不考虑温度的影响情况下，中心波长的变化量Δλ_b和光纤光栅受到的轴向应变ε_FBG成正比关系，如式(2)，其中K_ε为光纤光栅轴向应变与中心波长的灵敏度系数。若采用一定的措施将光纤光栅安装在被测结构上，通过其与被测对象的协同形变，光纤光栅应变传感器就可以感受到被测对象的应变信息，最后判断出被测结构的健康状态。

λ_b＝2n_effΛ(1)

采用适当的光源和光纤增敏技术可以在光纤上写入光栅，而光纤的制作材料主要为二氧化硅，这种材料质脆，外加光纤的直径仅在125um，这就造成光纤光栅在应用过程中极易受到损坏，从而使光纤光栅失效，严重影响光纤光栅应变传感器性能的发挥。

在实际使用中，为了确保FBG的存活率，必须事先将FBG元件封装成应变传感器，然后再将这样的FBG应变传感器安装在被测结构对象上。但这使得FBG不能直接感受被测结构的应变，只能通过封装与安装机构间接地感受被测结构的应变，因此FBG应变传感器的封装与安装环节必然会影响应变测量。

封装的简化力学模型如图1所示。当待测基体19有了应变时，应变会通过安装层18、封装结构层17、粘接层16，一层层将应变传递给FBG，由于应变的每一层传递过程都可能存在一定的应变损失，并以η_i表示各次应变传递的效率，则FBG实际的测量关系就由公式(2)演化公式(3)。式中，ε_sub为待测基体的应变，η_i为各个应变传递层的应变传递效率，由于η₁≠η₂≠η₃≠1，因此ε_FBG<ε_sub，光纤光栅应变传感器的这种多层应变传递结构降低了FBG传感器的应变测量灵敏度，而且粘接材料与安装机构的蠕变会引起各个传递层效率η_i的变化，从而影响其测量的稳定性。

由此看来，FBG的封装虽然可以增加其机械强度、保证其安装的成活率，但却是以降低FBG传感器的应变测量灵敏度、牺牲其测量的稳定性为代价的，而造成这个后果的主要原因在于多个传递过程中的应变损失。而且由于各个传递层应变损失的不确定性、因蠕变引起传递效率的波动性、各个传递层的累积性，使得实际应用中每支FBG传感器的应变测量灵敏度及其稳定性存在较大差异。因此，减少应变传递层，不但可以增大应变测量灵敏度，还可以减少测量的不稳定因素、提高测量的可靠性。

若将图1的多层结构简化为图2的单层结构，则待测基体的应变ε_sub只需通过单个粘接层即可传递给FBG应变传感元件，FBG的传感公式从式(3)简化为式(4)。

比较式(3)与式(4)可知，这种粘接方式有利于FBG传感器高精度应变测量，对于提高应变测量系数k有很大帮助。因此，直接粘接光纤光栅应变传感元件有利于高精度应变测量。

图2的单层粘接结构在应变传递效率及其稳定性方面优于图1的多层结构，但要想在现场实现图2的单层粘接结构确是困难的，需要解决以下问题：

现场的粘接条件恶劣，光纤光栅应变传感元件直径仅为125um，其粘接的成活率难以保证；需要保证光纤光栅应变传感器的高可靠性；应变测量元件的粘接需要保证一定的一致性、均匀性。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种用于现场粘接光纤传感器的装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种用于现场粘接光纤传感器的装置，利用电镀原理将光纤光栅与金属基体贴合，该装置包括具有一开口的槽体6，所述槽体的内顶部设置有一阳极4，所述槽体的开口可与待镀基体贴合；所述槽体与待镀基体贴合时，槽体与待镀金属基体间形成一用于盛装电镀液2的密闭腔体。

进一步，所述槽体的内顶部上设置有电镀液入口3和电镀液出口5。

进一步，所述槽体的开口处设置有密封条7。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明将光纤光栅应变传感元件自动粘接在金属基体上，粘接的表面效果良好，其成活率高，灵敏度高，线性度高，而且其应变传递效率也都在0.98以上。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为FBG封装传感器安装的简化力学模型；

图2为直接粘接FBG的简化模型；

图3为电镀原理图；

图4为光纤光栅粘接示意图；

图5为改进的电镀装置；

图6为图5的A-A视图；

图7为现场粘接示意图；

图8为光纤光栅中心波长与基体应变关系图，a为第一次加载，b为第二次加载，c为第三次加载。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

电镀就是利用电解原理在某些金属或非金属表面镀上一层其他金属或合金的过程，如图3所示。

电镀遵循法拉第电解定律，在工件表面沉积的金属质量与耗电量之间的关系是：

M＝η·K·Q (5)

其中，M为在阴极13上沉积的金属质量，η为阴极的电流效率，K为电化学当量，Q为耗电量。

在厚度沉积均匀的表面，沉积金属的厚度δ与耗电量之间的关系为:

其中，C为镀液的耗电系数，A为镀层面积。

由公式(6)可知，待镀工件表面沉积的金属厚度可通过控制耗电量实现。

因此，当阴极为金属化的光纤光栅和刻有小槽的金属基体作为阴极时，镀液15中的金属离子就会不断在它们表面析出，最终将金属基体和光纤光栅连接在一块，如图4所示。

对于现场金属粘接而言，由于对象多样，形状各异，将待镀基体放置在槽内电镀是很不现实，同时由于现场施工，金属粘接时间必须严格控制，应尽可能地短。因此，根据对象的不同改进阳极结构，使阳极14尽可能与待镀基体表面相仿，改进的阳极与待镀基体之间构成了局部电镀槽，从而对不同待镀基体进行监测提供了可能。

如图5、6所示，一种用于现场粘接光纤传感器的装置，利用电镀原理将光纤光栅与金属基体1贴合，该装置包括具有一开口的槽体6，所述槽体的内顶部设置有一阳极4，所述槽体的开口可与待镀基体贴合；所述槽体与待镀基体贴合时，槽体与待镀金属基体间形成一用于盛装电镀液2的密闭腔体。

所述槽体的内顶部上设置有电镀液入口3和电镀液出口5。

所述槽体的开口处设置有密封条7。

现场粘接操作如图7所示，将金属化预处理的光纤光栅放在粘接对象10的表面上，再将准备好的镀液12供给电镀装置9，镀液的加入量11由阀门控制，按图7所示接通电源，光纤光栅就可以粘接在被测对象上了。而且粘接对象表面无论是平面还是曲面，电镀装置都可以顺利将光纤光栅传感元件粘接在对象基体上。

粘接后光纤光栅的中心波长与基体应变之间的关系如图8所示，在三次加卸载过程中，相同的应变下，每次加卸载的中心波长基本重叠，并且在每次加卸载过程中，中心波长与应变之间呈现良好线性度，没有滞回，表明光纤光栅能够准确地感受基体的应变值，一致性良好。

拟合直线的斜率表示待测基体的应变与中心波长的灵敏度系数，都处于1.2pm/με左右，经计算，应变传递效率也都在0.98以上，拟合直线的线性相关度也达0.99以上，这说明力学传递线性度好。可见光纤应变传感元件粘接效果良好，光纤光栅传感器可靠性高。

可见，此方法可以将光纤光栅应变传感元件自动粘接在金属基体上，粘接的表面效果良好，其成活率达到了100％。在力学性能测试中，这种粘接方法不仅可以将FBG应变测量灵敏度提高到1.2pm/με左右，线性度达0.99以上，而且其应变传递效率也都在0.98以上，在每次加卸载过程中，无滞回现象，重复性和一致性也表现优良。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种用于现场粘接光纤传感器的装置，其特征在于：利用电镀原理将光纤光栅与金属基体(1)贴合，该装置包括具有一开口的槽体(6)，所述槽体的内顶部设置有一阳极(4)，所述槽体的开口可与待镀基体贴合；所述槽体与待镀基体贴合时，槽体与待镀金属基体间形成一用于盛装电镀液(2)的密闭腔体。

2.根据权利要求1所述的一种用于现场粘接光纤传感器的装置，其特征在于：所述槽体的内顶部上设置有电镀液入口(3)和电镀液出口(5)。

3.根据权利要求1所述的一种用于现场粘接光纤传感器的装置，其特征在于：所述槽体的开口处设置有密封条(7)。