CN107478364A - 一种应用于单点应力监测的光纤光栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明通过固定在待测结构表面的光纤光栅温度传感器(TS1)和焊接被测钢结构表面的三个串联光纤光栅应变传感器(SS1、SS2、SS3)，来实现对待测结构测点三个方向(0°、45°、90°)的结构应力监测。该方法替代传统的电阻应变花测量方法和测点部位安装三个光纤光栅传感器的测量方法，具有抗电磁干扰、防水、耐腐蚀、稳定性好、体积小、安装方便等特点，能够实现待测结构的长期单点应力监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅传感器装置。
背景技术
目前行业中针对应力测试的手段包括电阻应变法、光纤光栅法、X射线衍射法、中子衍射法、磁性法、超声波法、电子散斑干涉法等。但大多测试手段仅限于测试，不适用于长期监测。
现有的光纤光栅应变传感器通常只能监测待测结构单个方向的应力状态，对于工程结构而言，结构疲劳裂纹通常是该点最大主应力引起的，因此需要测量单个结构或两个结构之间在多个方向上的应变量，以确定结构最大主应力，从而以满足结构工程应力状态监测的需求，避免结构裂纹失效导致工程事故的发生。
三向应变测量装置有4个传感器24个接线端子，一根导线9个接线端子，使用时该装置测量时，按照给定的方式接线时在测点部位需要接12根信号线和12根电源线，接线复杂，任何一根线连接错误都可能会导致无结果或结果不准确。
传统的应变监测手段在使用中往往受到限制，一是测试的准备工作和实施过程工作量很大，效率不高；二是应变片本身存在测量漂移，只能开展短期应变测量，不能对金属结构应变进行长期的监测，更不能满足大型设备高精度、远距离、分布式监测的技术要求。
发明内容
光纤光栅应变传感器多为单轴应变监测，常规电阻应变花由三个应变片组成，根据应变片之间的不同角度，应变花可以有多种形式，包括直角应变花、等边三角形应变花等等，无法实现被测结构测点单点应力状态的长期监测。本发明结合工程实践，利用光纤应变花原理和光纤光栅波分复用技术实现被测结构测点单点应力状态的长期监测。
本发明公开了一种应用于单点应力监测的光纤光栅传感器，其目的在于实现被测结构测点单点应力状态的长期监测。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是结合电阻应变花原理和光纤光栅波分复用技术，设计出应用于单点应力监测的光纤光栅传感器。
波分复用技术指两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经合波器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经分波器将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号，从而分别得到四个传感器的波长变化信息。
本发明中SS1、SS2、SS3和TS1四种不同波长的传感器串联，用一根光纤进行传输采用的即为波分复用技术。
应变花的应力计算：
式中：
——εss1、εss2、εss3分别为所测得的SS1、SS2和SS3光纤光栅传感器的应变；
——E为材料的弹性模量；
——μ为材料泊松比。
本发明的技术方案如下：
一种应用于单点应力监测的光纤光栅传感器，由基体、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器、焊接螺栓柱、外壳组成。基体按照设计的结构形式进行加工，三个光纤光栅应变传感器分别固定在待测结构表面0°、45°、90°三个方向，光纤光栅温度传感器固定在45°与90°应变传感器之间，四个传感器串联。三个光纤光栅应变传感器两端分别择胶水粘接或焊接在四个焊接螺栓柱内部，光纤光栅温度传感器两端松弛固定。外壳由上、下两部分组成，螺柱孔带有一定的活动余量。单点应力监测光纤光栅传感器使用时，用螺柱焊机分别从对角方向进行焊接固定。
附图说明
图1为光纤光栅应力监测传感器的等轴视图；
图2为光纤光栅应力监测传感器的上视图；
图3为光纤光栅应力监测传感器基体上视图；
图4为光纤光栅应力监测传感器基体下视图；
图5为光纤光栅应力监测传感器基体等轴视图。
具体实施方式
下面结合附图对具体实施方式进行说明：
本发明的核心是提供一种应用于单点应力监测的光纤光栅传感器，能够实现对待测结构多个轴向应力进行长期监测。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参照图1-图5，图1为本发明所提供的光纤光栅应力监测传感器一种具体实施方式的等轴视图；图2为本发明所提供光纤光栅应力监测传感器一种具体实施方式的上视图；图3为本发明所提供光纤光栅应力监测传感器基体上视图；图4为本发明所提供光纤光栅应力监测传感器基体下视图；图5为本发明所提供光纤光栅应力监测传感器基体等轴视图。
如图1、图2所示，光纤光栅应力监测传感器的最外层设置了外壳，由于光纤光栅纤细易断，外壳设计实现了传感器封装，不仅使传感器外形简单、更加有效的保护了光纤传感器，尤其是裸露悬空的光纤光栅温度传感器。外壳螺栓孔为活动槽，留有一定的余量，螺柱受力拉伸或压缩变形时，避免螺栓柱与外壳接触影响测试结果。
如图3、图4、图5所示，基体设置是传感器的核心部分，基体四个角上面分布有四个圆柱1、2、3、4，该圆柱为焊接螺栓柱，图3的上视图示出了传感器与螺柱焊机固定端，图4的下视图示出了基体与被测结构焊接点。焊接点上有突出的小圆柱，为焊接材料。焊接时，光纤光栅螺柱焊机分别固定在两斜对角上依次进行焊接固定，焊机放电使小圆柱融化与被测表面粘接。0°、45°、90°三个方向上的传感器基体分别采用增敏结构，如图5中O1、O2、O3、O4、O5、O6，这种O型增敏结构，能够让被测结构位移变化更灵敏、准确的反映到光纤光栅应变传感器上。光纤光栅温度传感器TS1两端自由固定，不与待测结构完全接触。待测结构产生的应变不会经由基体传递至补偿光栅，不会导致光纤光栅温度传感器的波长产生变化，从而起到温度补偿的效果。光纤光栅应变传感器包括SS1、SS2、SS3，光纤光栅温度传感器包括TS1，传感器相互之间通过螺栓柱1、2、3、4连接；其中基体包括0°、45°、90°三个方向上的传感器基体组成，每个传感器基体采用增敏结构设计。四个传感器通过串联方式连接，其中1为外部光源连接端。三个光纤光栅应变传感器SS1、SS2、SS3方向的基体上分别刻有凹槽C1、C2、C3，三个光纤光栅应变传感器传感器分别放在基体上的三个凹槽里面，凹槽的主要目的是增大光纤光栅与基底的接触面积，使其形成有机的整体，同时起到保护光栅的目的。基体直接与被测结构接触，并用胶點剂或者点挥方式与被测结构相互粘牢。弹性敏感基体的作用是使光纤光栅与被测结构共同变形，以便准确的把试件变形传递给光纤光栅；同时也起着保护光纤光栅不受损害的作用。好的弹性敏感基体材料必须具有优良的综合性能，不仅要具有足够高的机械强度，还要有足够的线性范围，以保证在测量过程中不会因为变形过大导致基底被撕裂或者出现非线型问题；此外，还需要具有足够小的蠕变和机械滞后性，以满足机械结构长期健康监测的要求。
本发明通过固定在待测结构表面的光纤光栅温度传感器TS1和焊接被测钢结构表面的三个串联光纤光栅应变传感器SS1、SS2、SS3，来实现对待测结构测点三个方向(0°、45°、90°)的结构应力监测。该方法替代传统的电阻应变花测量方法和测点部位安装三个光纤光栅传感器的测量方法，具有抗电磁干扰、防水、耐腐蚀、稳定性好、体积小、安装方便等特点，能够实现待测结构的长期应力监测。
Claims (10)
1.一种应用于单点应力监测的光纤光栅传感器装置，其特征在于：由基体、光纤光栅温度传感器(TS1)、光纤光栅应变传感器(SS1、SS2、SS3)、焊接螺栓柱(1、2、3、4)、外壳组成；所述的外壳封装在基体外层所述的光纤光栅应变传感器(SS1、SS2、SS3)安装于基体凹槽内部，两端固定，所述光纤光栅温度传感器(TS1)安装于45°和90°光纤光栅应变传感器之间，两端松弛固定；所述单点应力监测的光纤光栅传感器装置通过四个螺栓柱焊接在待测结构表面；0°方向光纤光栅应变传感器(SS1)的一端与光纤光栅解调仪连接。
2.如权利要求1所述的单点应力监测光纤光栅传感器装置，其特征在于：外壳由上、下两部分组成，外壳开孔为活动孔。
3.如权利要求1所述的单点应力监测光纤光栅传感器装置，其特征在于：基体由三个方向的增敏O形结构组成，每个方向上有两个O形增敏结构，基体上有四个焊接螺栓柱(1、2、3、4)，每个焊接螺栓柱(1、2、3、4)上各有1个焊点，焊点材质与增敏结构材质相同。
4.如权利要求1所述的单点应力监测光纤光栅传感器装置，其特征在于：三个光纤光栅应变传感器(SS1、SS2、SS3)与1个光纤光栅温度传感器(TS1)串联，三个光纤应变传感器(SS1、SS2、SS3)共用焊接螺栓柱一个固定端4作为固定点。
5.如权利要求1所述的单点应力监测光纤光栅传感器装置，其特征在于：三个光纤光栅应变传感器(SS1、SS2、SS3)分别固定在待测结构表面0°、45°、90°三个方向。
6.如权利要求1所述的单点应力监测光纤光栅传感器装置，其特征在于：在使用该装置时，用螺柱焊机分别从对角方向进行焊接固定。
7.如权利要求1所述的单点应力监测光纤光栅传感器装置，其特征在于：3个应变传感器(SS1、SS2、SS3)共用一个焊接点，光纤光栅与焊接螺栓柱用树脂胶固定。
8.如权利要求1-6之一所述的单点应力监测光纤光栅传感器装置，其特征在于：三个光纤光栅应变传感器(SS1、SS2、SS3)方向的基体上分别刻有凹槽(C1、C2、C3)。
9.如权利要求1-7之一所述的单点应力监测光纤光栅传感器装置，其特征在于：为实现被测结构测点单点应力状态的长期监测，结合电阻应变花原理和光纤光栅波分复用技术。
10.如权利要求8所述的单点应力监测光纤光栅传感器装置，其特征在于：
应变花的应力计算：
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式中：
——、εss2、εss3分别为所测得的SS1、SS2和SS3光纤光栅传感器的应变；
——E为材料的弹性模量；
——μ为材料泊松比。
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|---|---|
| CN (1) | CN107478364A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114034261A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-02-11 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 一种小型化三向光纤光栅应变传感器 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN202101648U (zh) * | 2011-04-29 | 2012-01-04 | 大连理工大学 | 用于沥青混凝土路面应变、裂纹测试的封装fbg传感器 |
| CN103383246A (zh) * | 2012-05-04 | 2013-11-06 | 电子科技大学 | 一种高灵敏度光纤光栅应变传感器 |
| CN203940886U (zh) * | 2013-10-24 | 2014-11-12 | 河海大学 | 一种空间二维三向应力应变监测平台 |
| CN205561774U (zh) * | 2016-03-30 | 2016-09-07 | 上海海迅机电工程有限公司 | 船用三向光纤布拉格光栅传感器 |
| CN206095165U (zh) * | 2016-05-12 | 2017-04-12 | 中国计量大学 | 一种方形结构光纤光栅反向差动应变检测传感器件 |
| CN106840018A (zh) * | 2016-11-02 | 2017-06-13 | 北京信息科技大学 | 一种光纤光栅应变传感器封装方法 |
-
2017
- 2017-06-30 CN CN201710522811.1A patent/CN107478364A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN202101648U (zh) * | 2011-04-29 | 2012-01-04 | 大连理工大学 | 用于沥青混凝土路面应变、裂纹测试的封装fbg传感器 |
| CN103383246A (zh) * | 2012-05-04 | 2013-11-06 | 电子科技大学 | 一种高灵敏度光纤光栅应变传感器 |
| CN203940886U (zh) * | 2013-10-24 | 2014-11-12 | 河海大学 | 一种空间二维三向应力应变监测平台 |
| CN205561774U (zh) * | 2016-03-30 | 2016-09-07 | 上海海迅机电工程有限公司 | 船用三向光纤布拉格光栅传感器 |
| CN206095165U (zh) * | 2016-05-12 | 2017-04-12 | 中国计量大学 | 一种方形结构光纤光栅反向差动应变检测传感器件 |
| CN106840018A (zh) * | 2016-11-02 | 2017-06-13 | 北京信息科技大学 | 一种光纤光栅应变传感器封装方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 雷化南: "《矿山岩体力学》", 30 April 1983 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114034261A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-02-11 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 一种小型化三向光纤光栅应变传感器 |
| CN114034261B (zh) * | 2021-12-03 | 2024-01-26 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 一种小型化三向光纤光栅应变传感器 |
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