一種靈敏度可調的光纖光柵應變傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于光纖傳感領域，主要設及一種靈敏度可調的光纖光柵應變傳感 器。
【背景技術】
[0002] 光纖光柵是20世紀90年代W來在國際上新興的一種基礎性光纖無源器件。光纖光 柵對應變、溫度都敏感，是制備傳感器的優良器件，且具有抗電磁干擾、體積小、重量輕、壽 命長、復用性好和組網能力強等優點。因此，光纖光柵傳感器廣泛應用于橋梁、隧道、大巧、 邊坡和礦井等工程領域中。
[0003] 在結構安全監測行業中，不同應用場合和不同材質結構所需的應變分辨率和應變 量程存在區別，比如混凝±結構的彈性形變小于鋼結構的彈性形變。目前，絕大部分光纖光 柵應變傳感器沒有采用增敏結構，其應變量程一般為± 1500ye，應變靈敏度為1.2pmAxe，在 橋梁、大巧等結構的安全監測中，該量程的指標能夠滿足其測試要求。但在橋梁定期檢測 中，橋梁的最大應變值一般為20化e~30化e，導致絕大部分傳感器應變量程過大，但應變靈 敏度偏低
[0004] 目前，研究人員提出了一些增敏結構，如專利2 0 1 2 2 0 1 5 4 8 8 3 . 8和專利 201220207094,其主要途徑是通過減小光纖光柵固定點的間距，從而降低了光柵固定間距 與傳感器標距之比。但該方法只能得到某一個特定的應變靈敏度和對應的應變量程，即只 能適用于某一個特定領域的應變測試，而無法滿足不同的應用場合。
[0005] 光纖光柵應變傳感器的溫度補償技術主要采取的兩種方式，一是結構的自補償技 術，如專利200810079639.8和專利200810104456.7，通過結構體的熱脹冷縮特性來補償光 纖光柵由熱效應引起的波長漂移。但自補償技術要求精密的封裝技術，無疑增加了傳感器 的生產成本，且當溫度快速變化時(如，早晨和傍晚的溫度變化較快），空氣溫度和結構體的 溫度存在差異，導致傳感器的補償誤差較大;二是通過光纖光柵溫度傳感器對應變傳感器 進行補償，該方法簡單方便，廣泛應用于結構體的安全監測項目中。但它與前者存在相同的 問題，即當溫度快速變化時，溫度傳感器的溫度和結構體的溫度存在差異，導致傳感器的補 償誤差較大，且額外增加了傳感器的數量和成本。因此，目前光纖光柵應變傳感器的溫度補 償還無法滿足溫度變化較快的場合。 【實用新型內容】
[0006] 本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術中存在的問題，而提供一種靈敏度 可調的光纖光柵應變傳感器，該傳感器可W調節應變靈敏度和量程，從而滿足不同測試量 程的應用場合。同時，該技術可W進行應變傳感器的溫度實時補償，減少溫度快速變化引起 的補償誤差。
[0007] 本實用新型的目的是通過如下技術方案來完成的。運種靈敏度可調的光纖光柵應 變傳感器，包括應變測試光纖光柵、溫度補償光纖光柵、細彈性基體、粗彈性基體、安裝底 座、尾纖、蓋板、蓋板固定螺絲、底座安裝孔和螺帽，所述的應變測試光纖光柵通過膠粘或低 溫玻璃焊料粘接于細彈性基體;溫度補償光纖光柵通過膠粘或低溫玻璃焊料粘接于粗彈性 基體;安裝底座采用膠粘、螺絲固定或焊接方式固定于待測結構表面，其固定位置為底座安 裝孔，通過螺帽將蓋板和細彈性基體或粗彈性基體固定于安裝底座;安裝底座有兩道平行 的滑槽，滑槽底部寬度大于上部寬度，使得蓋板固定螺絲能夠在滑槽內自由移動，通過改變 蓋板的位置調整彈性基體的固定間距。
[0008] 所述滑槽標有刻度，能夠讀取蓋板固定位置的坐標。
[0009] 本實用新型的有益效果為:通過調節光纖光柵彈性基體的固定間距來調整傳感器 靈敏度的光纖光柵應變傳感器，可根據不同的應用場合來調整傳感器的靈敏度，得到最佳 的應變測量范圍和應變分辨率。在應變測試光纖光柵的相似位置安裝溫度補償光纖光柵來 對傳感器進行溫度實時補償，減小了溫度快速變化而引起的補償誤差。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本實用新型的結構示意圖；
[0011] 圖2是本實用新型的剖面圖；
[0012] 附圖標記說明：1、應變測試光纖光柵;2、溫度補償光纖光柵;3、細彈性基體;4、粗 彈性基體;5、安裝底座;6、尾纖;7、蓋板;8、滑槽;9、蓋板固定螺絲；10、底座安裝孔；11、螺 帽。
【具體實施方式】
[0013] 下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明：
[0014] 如圖1-2所示，運種靈敏度可調的光纖光柵應變傳感器，包括應變測試光纖光柵1、 溫度補償光纖光柵2、細彈性基體3、粗彈性基體4、安裝底座5、尾纖6、蓋板7、蓋板固定螺絲 9、底座安裝孔10和螺帽11，所述的應變測試光纖光柵1通過膠粘或低溫玻璃焊料粘接于細 彈性基體3;溫度補償光纖光柵2通過膠粘或低溫玻璃焊料粘接于粗彈性基體4;安裝底座5 采用膠粘、螺絲固定或焊接方式固定于待測結構表面，其固定位置為底座安裝孔10,通過螺 帽11將蓋板7和細彈性基體3或粗彈性基體4固定于安裝底座5;安裝底座5有兩道平行的滑 槽8,滑槽8底部寬度大于上部寬度，使得蓋板固定螺絲9能夠在滑槽8內自由移動，通過改變 蓋板7的位置調整彈性基體的固定間距。所述滑槽8標有刻度，能夠讀取蓋板7固定位置的坐 標。
[0015] 彈性基體的彈性模量遠小于不誘鋼，安裝底座和蓋板采用不誘鋼之類的高彈性模 量的金屬材質。應變測試光纖光柵采用光纖膠水或低溫玻璃焊料粘接于細彈性基體，溫度 補償光纖光柵W同樣粘接方式固定于粗彈性基體。安裝底座配有移動滑槽，蓋板可W在移 動滑槽上進行移動，并通過螺絲將彈性基體固定于安裝底座，因此，通過改變蓋板的位置可 W調整彈性基體的固定間距。
[0016] 傳感器底座通過膠粘、膨脹螺絲或焊接等方式固定于待測結構表面，兩個底座固 定點的間距即為傳感器的標距化）。當待測結構產生變形時，安裝底座將會產生相變形量 (A L)，而安裝底座的模量遠大于彈性基體，安裝底座形變可W忽略不計，形變主要集中在 彈性基體上（AL)。因此，
[0017]對于傳感器而言，其應變為 [001 引
CD
[0019]其中，A L= A Li+A L2, A L功細彈性基體的形變量，A L勸粗彈性基體的形變量。
[0020] 而彈性基體的形變量為
[0021] Al^i = EiXb (2)
[0022] AL2=￡2XL2 (3)
[0023] 其中，ei、E2分別為細、粗彈性基體的應變值，Li、L2分別為細、粗彈性基體的固定長 度。
[0024] 由于細、粗彈性基體的彈性模量一致，所受的拉伸/壓縮力也一致，所W細彈性基 體和粗彈性基體所受的應力相同，即
[0025] (4)
[00%]其中，F為彈性基體所有的作用力，E為彈性基體的彈性模量。
[0027]因此，
[002引
[0029] (b)
[0030] 因此，増敏系數K為
[0031] (7)
[0032] 其中，0<L1 < 1/化；0<L2< 1/2LA1 <A2;
[0033] 當L1=L2 = 1/化，A1=A2時，傳感器的増敏系數K = l，即無増敏效果；
[0034] 當L1 = L2=1/化，A1 = 1/3A2時，傳感器的増敏系數K = 3,即傳感器應變靈敏度增 至原先值的3倍。
[0035] 因此，可W通過改變蓋板的固定位置(調整Ll和L2的長度)來調節傳感器的應變靈 敏度。
[0036] 應變測試光纖光柵和溫度補償光纖光柵的波長會隨著溫度改變而發生漂移，其波 長公式為
[0037] Ai = KeiXe+KxiX AT (8)
[003引 入2 = Ke2Xe+KT2X AT (9)
[0039] UO)
[0040] 其中，Al和A2分別為應變測試光纖光柵和溫度補償光纖光柵的波長值;Kel和Ke2分 別為應變測試光纖光柵和溫度補償光纖光柵的應變系數;Kti和Kt2分別為應變測試光纖光 柵和溫度補償光纖光柵的溫度系數；e為傳感器的應變值，A T為傳感器的溫度變化值，B = KtiKe2-時化 El
[0041] 通過標定可W得到系數Kel、時1、Ke2和時2,因此，可W根據兩個傳感器的波長值反推 出傳感器的應變和溫度。
[0042] 除上述實施例外，本實用新型還可W有其他實施方式，凡采用等同替換或等效變 換形成的技術方案，均落在本實用新型要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種靈敏度可調的光纖光柵應變傳感器，其特征在于:包括應變測試光纖光柵（1)、 溫度補償光纖光柵(2)、細彈性基體(3)、粗彈性基體(4)、安裝底座(5)、尾纖(6)、蓋板(7)、 蓋板固定螺絲(9)、底座安裝孔（10)和螺帽（11)，所述的應變測試光纖光柵（1)通過膠粘或 低溫玻璃焊料粘接于細彈性基體(3);溫度補償光纖光柵(2)通過膠粘或低溫玻璃焊料粘接 于粗彈性基體(4);安裝底座(5)采用膠粘、螺絲固定或焊接方式固定于待測結構表面，其固 定位置為底座安裝孔（10)，通過螺帽（11)將蓋板(7)和細彈性基體(3)或粗彈性基體(4)固 定于安裝底座(5);安裝底座(5)有兩道平行的滑槽(8)，滑槽(8)底部寬度大于上部寬度，使 得蓋板固定螺絲(9)能夠在滑槽(8)內自由移動，通過改變蓋板(7)的位置調整彈性基體的 固定間距。2. 根據權利要求1所述的靈敏度可調的光纖光柵應變傳感器，其特征在于：所述滑槽 (8)標有刻度，能夠讀取蓋板(7)固定位置的坐標。
【專利摘要】本實用新型涉及一種靈敏度可調的光纖光柵應變傳感器，屬于光纖傳感技術領域。本實用新型包括應變測試光纖光柵、溫度補償光纖光柵、細彈性基體、粗彈性基體、安裝底座、尾纖、蓋板、滑槽、固定螺絲、底座安裝孔和螺帽，應變測試光纖光柵內置于細彈性基體，溫度補償光纖光柵內置于粗彈性基體，蓋板通過固定螺絲將彈性基體固定于安裝底座，蓋板可以在安裝底座的滑槽內進行移動。本實用新型的有益效果為：改變蓋板在滑槽中的位置來調節光纖光柵固定間距，從而改變了傳感器的應變靈敏度，獲得最佳的應變靈敏度和應變量程，滿足不同測試量程的應用場合。該傳感器適用于土木工程的結構應變檢測。
【IPC分類】G01B11/16
【公開號】CN205373656
【申請號】CN201521078307
【發明人】楊樟成, 桑衛兵, 馮亞非, 鄭歡, 何少靈, 郝鳳歡, 劉鵬飛, 曹云龍
【申請人】中國船舶重工集團公司第七一五研究所
【公開日】2016年7月6日
【申請日】2015年12月22日