CN112833809A - 一种光纤光栅高温应变片及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅高温应变片，包括传感器基片、设置在所述传感器基片上的光纤安装臂以及光纤，所述传感器基片为圆形环状，所述光纤安装臂沿所述传感器基片的内周向内延伸形成，所述光纤沿所述传感器基片的直径方向布置；所述光纤包括一根用于只感受温度的温度光纤；所述传感器基片上设置有不同高度的凸台，所述凸台用于固定所述光纤，所述凸台用于避免不同光纤之间的交叉接触。本发明的光纤光栅高温应变片，剔除了温度对应变测量的影响；传感器基片上的凸台设计，可有效避免FBG光纤交叉接触带来的啁啾现象；应变片具有结构简单、多向应变同步测量、温度补偿、测量精度高等优点，可用于结构表面多方向应变的同步测量。

Description

一种光纤光栅高温应变片及其标定方法

技术领域

本发明属于结构应变测量和传感器设计领域，具体涉及一种光纤光栅高温应变片及该应变片的标定方法。

背景技术

应变是结构健康监测的重要参数之一，可以有效反应结构内部的受力情况。常用的应变测量方法为电阻应变片测量法，但对于高温、潮湿、强电磁干扰环境下的应变测量，存在粘贴胶水固化时间长、应变片边缘脱胶、电磁干扰严重、零漂、应变片腐蚀、测量信号异常等难题。同时，高温环境下电阻应变片的使用寿命较短，安装存活率低，很难用于结构应变的长期监测。

光纤光栅传感技术是一种基于光信号的测量技术，所采用的光纤光栅敏感元件具有耐腐蚀、体积小、可串接复用、测量精度高、抗电磁干扰等优点，已广泛应用于温度、应变、压力、流量等参数的敏感测量。但目前常用的光纤光栅应变传感器仅能实现结构表面单一方向的应变测量，无法实现结构多方向应变的同步测量。同时，由于光纤光栅对应变和温度同时敏感，因此必须消除温度对应变测量的影响。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种光纤光栅高温应变片，能够消除温度对结构应变测量的影响以及避免出现啁啾现象。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种光纤光栅高温应变片，包括传感器基片、设置在所述传感器基片上的光纤安装臂以及光纤，所述传感器基片为圆形环状，所述光纤安装臂沿所述传感器基片的内周向内延伸形成，所述光纤沿所述传感器基片的直径方向布置；所述光纤包括一根用于只感受温度的温度光纤；所述传感器基片上设置有不同高度的凸台，所述凸台用于固定所述光纤，所述凸台用于避免不同光纤之间的交叉接触。

根据本发明的一些优选实施方面，所述光纤包括第一光纤、第二光纤、第三光纤以及第四光纤，所述第一光纤、第二光纤、第三光纤相互交叉设置，所述第一光纤、第二光纤和第三光纤的重叠点为所述传感器基片的圆心；所述第四光纤与所述第一光纤平行设置，所述第一光纤、第二光纤、第三光纤安装在不同的高度，所述第一光纤和第四光纤位于相同的高度，所述第四光纤为所述温度光纤。

在本发明的一些实施例中，光纤为FBG光纤，其中第一光纤和第四光纤安装在光纤安装槽中，第二光纤和第三光纤对称分布于安装槽两侧且分别与安装槽轴线呈45°和-45°夹角。所述第一光纤、第二光纤和第三光纤同时感受结构的应变和温度信息，第四光纤只感受结构的温度信息，用作温度补偿。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第一光纤和第四光纤安装在所述光纤安装臂上；所述第二光纤和第三光纤对称分布于所述第一光纤的两侧；所述第二光纤和第三光纤安装在不同高度的所述凸台上。

第一光纤、第二光纤和第三光纤固定时需要进行一定程度的预拉伸，使应变片既可测量拉伸应变也可测量压缩应变。第二光纤和第三光纤在传感器基片上的固定位置设置有不同高度的凸台，以保证第一光纤、第二光纤和第三光纤相互交叉但不接触，避免出现啁啾现象。

根据本发明的一些优选实施方面，包括拉伸装置，所述拉伸装置沿所述传感器基片的外周向外延伸形成，所述拉伸装置用于所述应变片的标定，并在所述标定结束后将所述拉伸装置从所述传感器基片上切除。

根据本发明的一些优选实施方面，所述拉伸装置远离所述传感器基片的一端开设有拉伸圆孔，所述拉伸圆孔贯穿所述拉伸装置的厚度方向，所述拉伸圆孔用于所述应变片的标定。

根据本发明的一些优选实施方面，包括两个所述光纤安装臂和六个所述拉伸装置，两个所述光纤安装臂沿所述传感器基片的直径方向延伸，六个所述拉伸装置沿所述传感器基片的直径方向延伸，且其中两个所述拉伸装置与所述光纤安装臂的延伸方向相同。所述拉伸装置的延伸方向对应所述光纤的安装方向设置，所述第一光纤和第四光纤安装在所述光纤安装臂上。光纤安装臂沿所述环形传感器基片直径方向对称布置于传感器基片中心两侧。所述光纤安装臂一端固定在所述传感器基片上，另一端为自由端，指向应变片的中心，光纤安装臂上开设有安装槽，用于容纳第一光纤和第四光纤。

根据本发明的一些优选实施方面，包括防护罩，所述防护罩的尺寸与所述传感器基片的外径相匹配，所述防护罩的边缘均匀间隔分布有连接部，所述防护罩与所述传感器基片通过所述连接部连接，用于保护FBG光纤。防护罩为金属。

根据本发明的一些优选实施方面，包括套设在所述光纤外的尾纤保护套以及套设在多个所述光纤外的绝缘套管。FBG光纤从传感器基片伸出后，在光纤表面套有耐高温光纤尾纤保护套。其中第一光纤和第四光纤套在同一个耐高温光纤尾纤保护套中，第二光纤和第三光纤表面各有一个耐高温光纤光栅尾纤保护套。三根耐高温光纤尾纤保护套从应变片两端伸出后合并在一起，然后套上绝缘套管进行防护。

根据本发明的一些优选实施方面，所述光纤具有聚酰亚胺涂层，即所采用的FBG光纤为聚酰亚胺耐高温涂层光纤，适用于350℃环境下结构应变的长期测量。

根据本发明的一些优选实施方面，所述传感器基片背面设有安装点，用于所述应变片的定位和安装。

本发明还提供了一种根据如上所述的光纤光栅高温应变片的标定方法，包括如下步骤：

1)将第一光纤两端对应的两个拉伸装置通过拉伸圆孔固定在应力传感器标定平台上；

2)通过拉伸位移法获得光纤的拉伸位移为ΔL_i时，第一光纤的波长漂移量Δλ_i，其中i＝1,2,3,…,n；

3)测量第一光纤两个固定端之间的长度L，计算应变片在第一光纤方向的应变ε_i＝ΔL_i/L；

4)将若干对测量点(Δλ_i，ε_i)进行线性拟合，拟合直线的斜率K₁为应变片在第一光纤方向的应变灵敏度；

5)依次对第二光纤和第三光纤重复步骤1)～步骤4)，分别获得应变片在第二光纤和第三光纤方向的应变灵敏度K₂和K₃，标定结束。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的光纤光栅高温应变片，通过并联一根只感受温度，不感受结构变形的FBG光纤，剔除了温度对应变测量的影响；传感器基片上的凸台设计，可有效避免FBG光纤交叉接触带来的啁啾现象；应变片具有结构简单、多向应变同步测量、温度补偿、测量精度高等优点，可用于结构表面多方向应变的同步测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要的附图进行简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例中光纤光栅高温应变片的主视图；

图2为本发明优选实施例中应变片的仰视图；

图3为本发明优选实施例中应变片封装后的立体图；

附图中：传感器基片-10，光纤安装臂-11，拉伸装置-12，拉伸圆孔-13，凸台-14，光纤固定点-15，应变片安装点-16，光栅-20，第一光纤-21，第二光纤-22，第三光纤-23，第四光纤-24，防护罩-30，尾纤保护套-31，绝缘套管-32。

具体实施方式

为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1光纤光栅高温应变片

参照附图3，本实施例的光纤光栅高温应变片包括圆形环状的传感器基片10、设置在传感器基片10上的光纤安装臂11、光纤以及防护罩30，光纤安装臂11沿传感器基片10的内周向内延伸形成，光纤沿传感器基片10的直径方向布置。光纤安装臂11与传感器基片10位于同一平面内。防护罩30的尺寸与传感器基片10的外径相匹配，防护罩30的边缘均匀间隔分布有连接部，防护罩30与传感器基片10通过连接部连接，用于保护光纤，防护罩30为金属材质。

传感器基片10的刚度小于被测结构的刚度，可采用不锈钢、合金钢或铝片。当采用粘贴方式时，应考虑与被测材料及胶水的相容性。本实施例中传感器基片10的外径为20mm，厚度为0.18mm。

本实施例中的光纤为FBG光纤，包括第一光纤21、第二光纤22、第三光纤23以及第四光纤24，第一光纤21、第二光纤22、第三光纤23相互交叉设置，第一光纤21、第二光纤22和第三光纤23的重叠点为传感器基片10的圆心；第四光纤24与第一光纤21平行设置，第一光纤21、第二光纤22、第三光纤23安装在不同的高度，第一光纤21和第四光纤24位于相同的高度。第一光纤21、第二光纤22和第三光纤23同时感受结构的应变和温度信息，第四光纤24为只感受结构温度信息的温度光纤，用作温度补偿。

光纤安装臂11的一端固定在传感器基片10上，另一端为自由端，指向应变片的中心。光纤安装臂11上具有光纤安装槽，第一光纤21和第四光纤24安装在光纤安装槽内，并通过光纤固定点15固定在传感器基片10上。第二光纤22和第三光纤23对称分布于安装槽两侧且分别与安装槽轴线呈45°和-45°夹角，如图1所示。

传感器基片10上设置有不同高度的凸台14，凸台14用于避免不同光纤之间的交叉接触。第二光纤22和第三光纤23安装在不同高度的凸台14上。具体的，第二光纤22两个固定端下设计有高度为0.5mm的凸台14，第三光纤23两个固定端下的凸台14高度为1.0mm，确保第一光纤21、第二光纤22和第三光纤23相互交叉但不接触，避免出现啁啾现象。

第一光纤21、第二光纤22和第三光纤23封装固定时需要进行预拉伸，预拉伸长度应大于50μm，使其可以同时测量结构三个方向的拉伸应变和压缩应变。第四光纤24在封装时不需要预拉伸，在两个固定端中间应预留2～3mm的松弛长度。

如图1和2所示，本实施例中的光纤光栅高温应变片还包括拉伸装置12，拉伸装置12沿传感器基片10的外周向外延伸形成，拉伸装置12用于应变片的标定，并在标定结束后从传感器基片10上将拉伸装置12切除。拉伸装置12远离传感器基片10的一端开设有拉伸圆孔13，拉伸圆孔13贯穿拉伸装置12的厚度方向，拉伸圆孔13用于应变片的标定。本实施例中的拉伸装置12即为拉伸板，拉伸板、光纤安装臂11以及传感器基片10位于同一平面。

具体的，本实施例中设置有六个拉伸装置12，六个拉伸装置12沿传感器基片10的直径方向延伸，且其中两个拉伸装置12与光纤安装臂11的延伸方向相同。拉伸装置12的延伸方向对应光纤的安装方向设置。

本实施例中的FBG光纤从传感器基片10伸出后，在光纤表面套有耐高温光纤尾纤保护套31。其中第一光纤21和第四光纤24套在同一个耐高温光纤尾纤保护套31中，第二光纤22和第三光纤23表面各有一个耐高温光纤光栅尾纤保护套31。三根耐高温光纤尾纤保护套31从应变片两端伸出后合并在一起，然后套上绝缘套管32进行防护。

本实施例中的光纤具有聚酰亚胺涂层，即所采用的FBG光纤为聚酰亚胺耐高温涂层光纤，光纤的两端通过耐高温环氧树脂胶粘贴或者玻璃点焊的方式进行固定，适用于350℃环境下结构应变的长期测量。

如图2所示，本实施例中在传感器基片10背面沿圆环均匀设置有8个应变片安装点16，用于应变片的定位和固定。

本实施例中四根FBG光纤的固定位置为光栅20栅区外的两端，栅区没有被粘接剂粘贴，消除了粘接剂对应变传递的影响，提高了应变片的测量精度。

实施例2标定方法

基于实施例1中的应变片，本实施例中的标定方法按照如下步骤进行：

1)将第一光纤两端对应的两个拉伸装置通过拉伸圆孔固定在应力传感器标定平台上；

2)通过拉伸位移法获得拉伸位移为ΔL_i时，第一光纤的波长漂移量Δλ_i，其中i＝1,2,3,…,n；

3)测量第一光纤两个固定端之间的长度L，计算应变片在第一光纤方向的应变ε_i＝ΔL_i/L(i＝1,2,…,n)；

4)将若干对测量点(Δλ_i，ε_i)进行线性拟合，拟合直线的斜率K₁即为应变片在第一光纤方向的应变灵敏度；

5)依次对第二光纤、第三光纤重复步骤1)～4)，分别获得应变片在第二光纤和第三光纤方向的应变灵敏度K₂和K₃，标定结束。

本发明的光纤光栅高温应变片，具有如下优势：1)通过三根互成一定角度的FBG光纤实现了结构三个方向应变的同步测量。通过并联一根只感受温度，不感受结构变形的FBG光纤，剔除了温度对应变测量的影响；2)传感器基片上的凸台设计，可有效避免三根FBG光纤交叉接触带来的啁啾现象；3)为了解决三向应变片的标定问题，在传感器基片对应位置设有金属拉伸装置，用于对应变片三个方向FBG光纤的应变灵敏度进行标定，应变片标定后，需要去除金属拉伸装置，减小应变片的结构尺寸；4)采用耐高温聚酰亚胺涂层光纤，实现350℃环境下结构应变测量。通过上述设计，本发明具有结构简单、多向应变同步测量、温度补偿、测量精度高等优点，可用于结构表面多方向应变的同步测量。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤光栅高温应变片，其特征在于，包括传感器基片、设置在所述传感器基片上的光纤安装臂以及光纤，所述传感器基片为圆形环状，所述光纤安装臂沿所述传感器基片的内周向内延伸形成，所述光纤沿所述传感器基片的直径方向布置；所述光纤包括一根用于只感受温度的温度光纤；所述传感器基片上设置有不同高度的凸台，所述凸台用于固定所述光纤，所述凸台用于避免不同光纤之间的交叉接触。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅高温应变片，其特征在于，所述光纤包括第一光纤、第二光纤、第三光纤以及第四光纤，所述第一光纤、第二光纤、第三光纤相互交叉设置，所述第一光纤、第二光纤和第三光纤的重叠点为所述传感器基片的圆心；所述第四光纤与所述第一光纤平行设置，所述第一光纤、第二光纤、第三光纤安装在不同的高度，所述第一光纤和第四光纤位于相同的高度，所述第四光纤为所述温度光纤。

3.根据权利要求2所述的光纤光栅高温应变片，其特征在于，所述第一光纤和第四光纤安装在所述光纤安装臂上；所述第二光纤和第三光纤对称分布于所述第一光纤的两侧；所述第二光纤和第三光纤安装在不同高度的所述凸台上。

4.根据权利要求2所述的光纤光栅高温应变片，其特征在于，包括拉伸装置，所述拉伸装置沿所述传感器基片的外周向外延伸形成，所述拉伸装置用于所述应变片的标定，并在所述标定结束后将所述拉伸装置从所述传感器基片上切除。

5.根据权利要求4所述的光纤光栅高温应变片，其特征在于，所述拉伸装置远离所述传感器基片的一端开设有拉伸圆孔，所述拉伸圆孔贯穿所述拉伸装置的厚度方向，所述拉伸圆孔用于所述应变片的标定。

6.根据权利要求4所述的光纤光栅高温应变片，其特征在于，包括两个所述光纤安装臂和六个所述拉伸装置，两个所述光纤安装臂沿所述传感器基片的直径方向延伸，六个所述拉伸装置沿所述传感器基片的直径方向延伸，且其中两个所述拉伸装置与所述光纤安装臂的延伸方向相同。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的光纤光栅高温应变片，其特征在于，包括防护罩，所述防护罩的尺寸与所述传感器基片的外径相匹配，所述防护罩的边缘均匀间隔分布有连接部，所述防护罩与所述传感器基片通过所述连接部连接。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的光纤光栅高温应变片，其特征在于，包括套设在所述光纤外的尾纤保护套以及套设在多个所述光纤外的绝缘套管。

9.根据权利要求1-6任意一项所述的光纤光栅高温应变片，其特征在于，所述光纤具有聚酰亚胺涂层。

10.一种根据权利要求2-9任意一项所述的光纤光栅高温应变片的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将第一光纤两端对应的两个拉伸装置通过拉伸圆孔固定在应力传感器标定平台上；

2)通过拉伸位移法获得光纤的拉伸位移为ΔL_i时，第一光纤的波长漂移量Δλ_i，其中i＝1,2,3,…,n；

3)测量第一光纤两个固定端之间的长度L，计算应变片在第一光纤方向的应变ε_i＝ΔL_i/L；

4)将若干对测量点(Δλ_i，ε_i)进行线性拟合，拟合直线的斜率K₁为应变片在第一光纤方向的应变灵敏度；

5)依次对第二光纤和第三光纤重复步骤1)～步骤4)，分别获得应变片在第二光纤和第三光纤方向的应变灵敏度K₂和K₃，标定结束。

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