CN218270618U - 一种光纤应变传感器及包括其的应变测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤应变传感器及包括其的应变测量装置，光纤应变传感器包括空芯反谐振光纤、无芯光纤和两个单模光纤，且空芯反谐振光纤、无芯光纤和两个单模光纤均同轴设置并彼此熔接。应变测量装置包括光纤应变传感器、光源设备、光谱仪、被测件、工作台和配重块，其中一个单模光纤与光源设备连接，另一个单模光纤与光谱仪连接，空芯反谐振光纤和无芯光纤均贴接在被测件上，被测件的第一端固定在工作台上，配重块悬吊在被测件的第二端。本实用新型通过采用空芯反谐振光纤来提升测量灵敏度，使得光纤应变传感器的测量更为精准。本实用新型涉及光纤传感器技术领域。

Description

一种光纤应变传感器及包括其的应变测量装置

技术领域

本实用新型涉及光纤传感器技术领域中的一种光纤应变传感器及包括其的应变测量装置。

背景技术

传统的应变传感器是以电信号为基础，并用导线来传输电信号，因此容易受到电磁场以及环境的影响。例如，环境湿度太大容易引起短路，高温易燃易爆环境中容易引起火灾等，除此之外，还存在难以实现长期实时检测等问题。因此，为解决上述问题，不断有新型传感器被开发出来，而光纤应变传感器就是其中一种新型应变传感器。

光纤应变传感器是一种利用光纤传感器技术对应变进行检测的器件，具有体积小，可远程监控等优点。目前，光纤应变感器主要分为光强调制型、偏振型以及相位调制型三类，其中对弯曲应变的测量一般会采用光强调制型应变传感器。其工作原理为应变使得传感器产生弯曲应变，会导致光纤内模场泄露或者发生耦合，改变传感器的透射功率，以此来探测应变。

但是，目前的光纤应变传感器大多仅使用单模光纤或空芯光纤作为主要结构，其检测灵敏度较低，不适用于高精度测量领域。

实用新型内容

本实用新型的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种光纤应变传感器及包括其的应变测量装置，具有更高的测量灵敏度。

根据本实用新型第一方面实施例，提供一种光纤应变传感器，包括：

空芯反谐振光纤，其呈管状；

无芯光纤，其呈管状，所述无芯光纤与所述空芯反谐振光纤熔接；

两个单模光纤，其中一个所述单模光纤与所述无芯光纤熔接，另一个所述单模光纤与所述空芯反谐振光纤熔接；

其中，所述空芯反谐振光纤、所述无芯光纤和两个所述单模光纤均同轴设置。

根据本实用新型第一方面实施例，进一步地，所述空芯反谐振光纤的包层直径范围为43.8至96.3μm。

根据本实用新型第一方面实施例，进一步地，所述空芯反谐振光纤的纤芯横截面为正六边形。

根据本实用新型第一方面实施例，进一步地，所述正六边形的边长范围为24至26μm。

根据本实用新型第一方面实施例，进一步地，所述无芯光纤的直径范围为124至126μm。

根据本实用新型第一方面实施例，进一步地，所述单模光纤的包层直径范围为124至126μm。

根据本实用新型第一方面实施例，进一步地，所述单模光纤的纤芯直径范围为8至9μm。

根据本实用新型第二方面实施例，提供一种应变测量装置，包括：上述中任一所述的光纤应变传感器、光源设备、光谱仪、被测件、工作台和配重块，其中一个所述单模光纤与所述光源设备连接，另一个所述单模光纤与所述光谱仪连接，所述空芯反谐振光纤和所述无芯光纤均贴接在所述被测件上，所述被测件的第一端固定在所述工作台上，所述配重块悬吊在所述被测件的第二端。

根据本实用新型第二方面实施例，进一步地，所述被测件的第二端的宽度小于所述被测件的第一端的宽度，所述被测件的第一端渐变过渡至所述被测件的第二端。

根据本实用新型第二方面实施例，进一步地，所述配重块为砝码。

本实用新型实施例的有益效果至少包括：本实用新型通过采用空芯反谐振光纤来提升测量灵敏度，使得光纤应变传感器的测量更为精准。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。

图1是本实用新型第一方面实施例的结构图；

图2是本实用新型第一方面实施例中空芯反谐振光纤的纤芯截面图；

图3是本实用新型第二方面实施例的结构图；

图4是本实用新型第二方面实施例测量应变后的光谱变化图；

图5是本实用新型第二方面实施例测量应变后的灵敏度线性拟合图。

附图标记：100-空芯反谐振光纤、200-无芯光纤、300-单模光纤、400-光源设备、500-光谱仪、600-被测件、700-工作台、800-配重块。

具体实施方式

本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型第一方面实施例提供了一种光纤应变传感器，其包括空芯反谐振光纤、无芯光纤和两个单模光纤，彼此间通过熔接工艺进行连接。空芯反谐振光纤是一种利用反谐振理论进行导光的光纤类型，在空芯反谐振光纤中设有石英内壁，当石英壁的厚度确定时，超过一定波长的光会在石英中发生谐振。此种传输的光损耗很小，从而减小了光纤应变传感器中光损耗所造成的测量误差，提升最终测量的灵敏度。

本实用新型第二方面实施例提供了一种应变测量装置，其包括上述所述的光纤应变传感器以及相关检测装置。通过将光纤应变传感器贴接在被测件上，当被测件受外力而发生弯曲时，光纤应变传感器也随之发生弯曲，从而改变内部的光传播，并在光谱仪上将变化读数显示出来，间接计算得被测件的弯曲程度。

说明书附图1展示了光纤应变传感器的结构图。本光纤应变传感器包括空芯反谐振光纤100、无芯光纤200和两个单模光纤300。空芯反谐振光纤100为本光纤应变传感器的核心感应器件，其能够减少光传播所造成的光损耗，从而提升最终的测量精度。无芯光纤200与空芯反谐振光纤100熔接，其功能在于将来自单模光纤300的光进行扩散。单模光纤300的作用在于外接光源设备400和光谱仪500(参照图3)，其质地柔软可弯曲，从而减少对本光纤应变传感器的安装干涉，便于将光纤应变传感器设置在被测件600上。其中一个单模光纤300与无芯光纤200熔接，并与光源设备400连接；另一个单模光纤300与空芯反谐振光纤100熔接，并与光谱仪500连接。而且，空芯反谐振光纤100、无芯光纤200和两个单模光纤300均同轴设置，减少光线在传播过程中因反射造成的损耗。本光纤应变传感器内光路传播方向如图1中箭头方向所示，光先从单模光纤300进入，并通过无芯光纤200进行光扩散，进入空芯反谐振光纤100中发生光路变化，然后再通过另一个单模光纤300输出至光谱仪500中进行数据分析。

说明书附图2展示了空芯反谐振光纤100的纤芯截面图，其中央为六边形结构，具有较好的支撑性能，而且纤芯的六边形结构也可以使得纤芯的机械性能更好，受到外力挤压后不易变形。

说明书附图3展示了应变测量装置的结构图，被测件600的第一端与工作台700固定连接，被测件600的第二端悬挂有配重块800。被测件600呈悬臂结构，且受到配重块800的拉力会发生弯曲。同时，为了减少被测件600自重对弯矩的影响，被测件600的第二端宽度要小于第一端宽度，且两端之间渐变过渡，减少局部应力集中。

空芯反谐振光纤100和无芯光纤200作为一个整体贴接在被测件600的表面，且两个单模光纤300分别连接至光源设备400和光谱仪500上。进行应变测量时，被测件600受压弯曲，导致本光纤应变传感器随之发生弯曲，通过光谱仪500中对光谱变化情况的分析，即可间接得出被测件600的弯曲情况。

说明书附图4展示了应变测量装置进行测量应变后的光谱变化图。

说明书附图5展示了应变测量装置进行测量应变后的灵敏度线性拟合图。

参照图1，本实用新型第一方面实施例中的光纤应变传感器，包括管状的空芯反谐振光纤100、管状的无芯光纤200和单模光纤300。其中，空芯反谐振光纤100为本光纤应变传感器的核心结构，其包层直径范围为43.8至96.3μm，优选为96.3μm。参照图2，空芯反谐振光纤100的纤芯横截面为正六边形，其边长范围为24至26μm，优选为25.3μm，起到支撑空芯反谐振光纤100的作用。

无芯光纤200的直径范围为124至126μm，优选为125μm，作用在于将单模光纤300引入的光线进行扩散。其通过熔接的工艺与空芯反谐振光纤100相固定。本申请中，熔接工艺指的是通过CO₂激光加热的方式使两个物体局部熔化，熔化面相互贴合并冷却凝固后即可实现两者间的紧密连接。

单模光纤300的包层直径范围为124至126μm，优选为125μm；纤芯的直径范围为8至9μm，优选为8.3μm。单模光纤300的数量为两个，分别用于引入和导出光线。其中一个单模光纤300与无芯光纤200熔接，另一个单模光纤300与空芯反谐振光纤100熔接。

具体地，空芯反谐振光纤100、无芯光纤200和两个单模光纤300均同轴设置，确保光线顺利传播。

下面，介绍本光纤应变传感器的制作过程：

S1.先将单模光纤300与无芯光纤200熔接，然后将无芯光纤200的一段切割，形成单模光纤300与无芯光纤200相结合的结构，并使无芯光纤200的长度为7mm；

S2.利用钨钢切割刀将空芯反谐振光纤100的两端切平，为了后面与其他光纤进行更好的熔接，并使得切平端面后的空芯反谐振光纤100的长度为18mm；

S3.将两端切平的空芯反谐振光纤100放入熔接机中，分别将无芯光纤200与另一个单模光纤300熔接在空芯反谐振光纤100的两端，完成本光纤应变传感器的制作。

参照图3，本实用新型第二方面实施例中的应变测量装置，包括上述光纤应变传感器、光源设备400、光谱仪500、被测件600、工作台700以及配重块800。被测件600的第一端固定连接在工作台700上，被测件600的第二端向外延伸，形成悬臂梁结构。配重块800悬吊在被测件600的第二端，通过配重块800对被测件600施加的压力，使得被测件600向下弯曲。空芯反谐振光纤100和无芯光纤200贴接在被测件600的表面，具体可采用粘接或螺栓紧固的方式，或其他可实现相同技术效果的贴接连接方式，在此不再赘述。其中一个单模光纤300与光源设备400连接，另一个单模光纤300与光谱仪500连接。测量开始时，打开光源设备400并投射光线，光线经过光纤应变传感器后到达光谱仪500中，在配重块800对被测件600施加压力并造成弯曲后，连带光纤应变传感器发生弯曲，从而通过光谱仪500中分析光谱的变化能够间接得出被测件600的弯曲程度。

进一步地，被测件600的第二端宽度要小于被测件600的第一端宽度，从而减小被测件600悬空的第二端因自重影响到最终的测量结果。被测件600的第一端渐变过渡至被测件600的第二端，减小局部应力集中，且也使得被测件形成一个等强度的悬臂梁结构。

进一步地，配重块800为砝码，能够根据实验要求改变重量，从而方便进行不同弯矩程度的测量。

下面，以长度为330mm、最大宽度为45mm、厚度为4mm，且为Q235钢材质的被测件600为例介绍本应变测量装置的测量流程：

S1.将空芯反谐振光纤100和无芯光纤200固定在被测件600上；

S2.将靠近无芯光纤200的单模光纤300与光源设备400连接，另一个单模光纤300与光谱仪500连接；

S3.在0至9.52×10^-5ε的应变范围内对被测件600施加应变，光纤应变传感器随之产生应变；

S4.参照图4，用光谱仪500收集不同应变下光纤应变传感器的透射光谱，参照图5，将结果进行拟合，计算光纤应变传感器的灵敏度；

S5.分析后认为本光纤应变传感器的灵敏度达到了23.02dB/mε，认为能够满足高灵敏度测量的要求。

以上是对本实用新型的较佳实施方式进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种光纤应变传感器，其特征在于，包括：

空芯反谐振光纤，其呈管状；

无芯光纤，其呈管状，所述无芯光纤与所述空芯反谐振光纤熔接；

两个单模光纤，其中一个所述单模光纤与所述无芯光纤熔接，另一个所述单模光纤与所述空芯反谐振光纤熔接；

其中，所述空芯反谐振光纤、所述无芯光纤和两个所述单模光纤均同轴设置。

2.根据权利要求1所述的光纤应变传感器，其特征在于：所述空芯反谐振光纤的包层直径范围为43.8至96.3μm。

3.根据权利要求1所述的光纤应变传感器，其特征在于：所述空芯反谐振光纤的纤芯横截面为正六边形。

4.根据权利要求3所述的光纤应变传感器，其特征在于：所述正六边形的边长范围为24至26μm。

5.根据权利要求1所述的光纤应变传感器，其特征在于：所述无芯光纤的直径范围为124至126μm。

6.根据权利要求1所述的光纤应变传感器，其特征在于：所述单模光纤的包层直径范围为124至126μm。

7.根据权利要求1所述的光纤应变传感器，其特征在于：所述单模光纤的纤芯直径范围为8至9μm。

8.一种应变测量装置，其特征在于，包括：权利要求1至7中任一所述的光纤应变传感器、光源设备、光谱仪、被测件、工作台和配重块，其中一个所述单模光纤与所述光源设备连接，另一个所述单模光纤与所述光谱仪连接，所述空芯反谐振光纤和所述无芯光纤均贴接在所述被测件上，所述被测件的第一端固定在所述工作台上，所述配重块悬吊在所述被测件的第二端。

9.根据权利要求8所述的应变测量装置，其特征在于：所述被测件的第二端的宽度小于所述被测件的第一端的宽度，所述被测件的第一端渐变过渡至所述被测件的第二端。

10.根据权利要求8所述的应变测量装置，其特征在于：所述配重块为砝码。

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