CN210862557U

CN210862557U - 光纤光栅传感器装置

Info

Publication number: CN210862557U
Application number: CN201921909350.4U
Authority: CN
Inventors: 郭科峰; 张军; 杨永宏
Original assignee: Beijing Xizhuo Information Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Xizhuo Information Technology Co ltd
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2029-11-06

Abstract

本申请公开了一种光纤光栅传感器装置。该光纤光栅传感器装置包括基体和四个检测组，四个检测组分别设置于基体的四个不同方向上，每个检测组包括至少一个光纤光栅应变传感器。通过上述方式，本申请提供的光纤光栅传感器装置能够提高应力检测精度。

Description

光纤光栅传感器装置

技术领域

本申请涉及光传感检测技术领域，特别是涉及一种光纤光栅传感器装置。

背景技术

随着我国经济及科学技术的发展，越来越多的大型设备或工程结构在使用期间不可避免地受到各种各样的冲击、疲劳等因素的影响，进而产生结构裂纹。这些结构裂纹如若不及早发现，便会随着使用时间的增长发生扩展，不仅会对结构部位产生损坏，极有可能影响到设备的安全运行或结构的稳定。

光纤布拉格光栅(Fiber Brag grating，FBG)传感器(或称光纤光栅传感器)具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可靠性高、易串接复用和不影响宿主材料结构特性等优点，广泛应用于监测待测结构的应力状态。

目前，光纤光栅应变传感技术己被国内外很多研究者应用于结构裂纹的检测，但应力检测精度仍有待进一步提高。

实用新型内容

本申请主要提供一种光纤光栅传感器装置，以提高应力检测精度。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种光纤光栅传感器装置。该光纤光栅传感器装置包括基体和四个检测组，四个检测组分别设置于基体的四个不同方向上，每个检测组包括至少一个光纤光栅应变传感器。

在一具体实施例中，四个检测组之间并联连接。

在一具体实施例中，每个检测组均包括两个光纤光栅应变传感器，每个检测组的两个光纤光栅应变传感器串联，且每个检测组的两个光纤光栅应变传感器具有不同的中心波长。

在一具体实施例中，四个不同的方向分别为0°方向、90°方向、45°方向和135°方向；或者四个不同的方向分别为0°方向、90°方向、60°方向和120°方向。

在一具体实施例中，基体由四个不同方向的基片组成，每个基片均设置有一个检测组；其中三个基片组成等腰三角形结构，另外一个基片的一端连接等腰三角形的顶点位置，另一端与等腰三角形的底边垂直连接。

在一具体实施例中，每个基片均包括增敏结构，每个基片上的增敏结构位于两个光纤光栅应变传感器之间，每个基片上的增敏结构的数量为两个、三个或四个。

在一具体实施例中，每个基片上均设置有凹槽，光纤光栅应变传感器嵌设在凹槽内。

在一具体实施例中，光纤光栅应变传感器通过焊接或胶黏工艺固定在凹槽内。

在一具体实施例中，光纤光栅传感器装置还包括光纤光栅温度传感器，每个检测组均由一个光纤光栅应变传感器组成，光纤光栅温度传感器分别与四个光纤光栅应变传感器串联，且光纤光栅温度传感器的中心波长与四个光纤光栅应变传感器的中心波长均不同。

在一具体实施例中，基体一体成型。

本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请公开了一种光纤光栅传感器装置。通过将四个检测组分别设置于基体的四个不同方向上，且每个检测组包括至少一个光纤光栅应变传感器，实现对待测结构测点的四个方向的应力测试，并利用平面应变状态分析原理获取待测结构测点的主应力信息，能够提高应力检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本申请的光纤光栅传感器装置一实施例的立体结构示意图；

图2是本申请的光纤光栅传感器装置一实施例的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。此外，术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

平面应变状态分析的基本原理为：

经紫外线照射形成的光纤光栅应变传感器其折射率沿纤芯轴向周期性变化。其传感基本原理是通过对布拉格中心反射波长λ_B漂移的测量实现对应变、温度变化的测量。布拉格波长满足的表达式为：

λ_B ＝2n_effΛ (1)

式(1)中:Λ为光栅周期；n_eff为纤芯有效折射率。可知，n_eff和Λ的变化都可以导致布拉格中心波长的漂移。当光纤光栅受到外界应变作用时，光栅区拉伸会导致Λ变化，同时光弹效应会导致n_eff变化；当外界温度作用于光栅时，材料热膨胀，会使其Λ变化，n_eff也会随着温度变化。Λ、n_eff变化将最终导致布拉格波长漂移。通过对应变的测量还可以实现对其他物理量的测量，如位移、振动等。布拉格波长漂移与应变、温度关系为：

Δλ/λ_B＝(1-ρ_e)Δε+(α+ξ)ΔT (2)

式(2)中，Δλ为布拉格波长变化量；ρ_e＝n_eff[Ρ₁₂-υ(Ρ₁₁+Ρ₁₂)]/2为光纤的有效弹光系数；Ρ₁₁和Ρ₁₂为弹光系数，υ为光纤纤芯材料的泊松比；Δε为FBG所受的轴向应变，ΔT为温度的变化量；α和ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数。式(2)也可以写为：

Δλ/λ_B＝K_εΔε+K_TΔT (3)

式中K_ε、K_T为应变、温度灵敏系数，K_ε、K_T可以通过试验标定获得。

本申请根据光纤光栅波分复用原理，将四个波长各异的检测组分别设置于基体的四个不同方向上，并利用平面应变状态分析原理判断待测点主应变方向及其大小。具体请参见如下内容。

请结合参阅图1和图2。图1是本申请的光纤光栅传感器装置一实施例的立体结构示意图，图2是本申请的光纤光栅传感器装置一实施例的俯视结构示意图。

光纤光栅传感器装置100包括基体110和四个检测组121、122、123以及124。

四个检测组121、122、123、124分别设置于基体110的四个不同方向上，每个检测组121、122、123、124包括至少一个光纤光栅应变传感器a。

本实施例所提供的光纤光栅传感器装置100，通过将四个检测组121、122、123、124分别设置于基体110的四个不同方向上，且每个检测组121、122、123、124包括至少一个光纤光栅应变传感器a，实现对待测结构测点的四个方向的应力测试，并利用平面应变状态分析原理获取待测结构测点的主应力信息，能够提高应力检测精度。

可选地，四个检测组121、122、123、124之间并联连接。

四个检测组121、122、123、124之间并联连接，即每个检测组121、122、123、124都是单端出纤，便于组网布设，形成能够检测不同方向应力值的光纤光栅应变花。

在一些应用场景中，检测组121、122、123、124采用单端出纤方式，能够使得光纤光栅应变传感器a尺寸更小，安装更加灵活，便于安装于空间狭小的管状、狭缝中进行应力测量。

本实施例中，每个检测组121、122、123、124均包括两个光纤光栅应变传感器a，每个检测组121、122、123、124中的两个光纤光栅应变传感器a串联，且每个检测组121、122、123、124的两个光纤光栅应变传感器a具有不同的中心波长。

通过每个检测组121、122、123、124均包括两个光纤光栅应变传感器a，每个检测组121、122、123、124的两个光纤光栅应变传感器a串联，且每个检测组121、122、123、124的两个光纤光栅应变传感器a具有不同的中心波长，从而当两个光纤光栅应变传感器a所受温度和应变同时改变时，两个光纤光栅应变传感器a表现出相同的温度响应特性，但应变响应特性不同，从而能够起到温度补偿的效果，精准计算应变量。

进一步地，基体110可由四个不同方向的基片111、112、113、114组成。每个基片111、112、113、114还可均包括增敏结构m，每个基片111、112、113、114上的增敏结构m位于两个光纤光栅应变传感器a之间，每个基片111、112、113、114上的增敏结构m的数量为两个、三个或四个。

增敏结构m可以是如图1和图2中所示的0型增敏结构m，能够让被测结构的位移变化更灵敏、准确的反映到光纤光栅应变传感器a上，从而进一步提高检测精度。

在其他实施例中，光纤光栅传感器装置100还包括光纤光栅温度传感器(图未示)，每个检测组121、122、123、124均由一个光纤光栅应变传感器a组成，光纤光栅温度传感器分别与四个光纤光栅应变传感器a串联，且光纤光栅温度传感器的中心波长与四个光纤光栅应变传感器a的中心波长均不同。

可以理解的是，在使用时，光纤光栅温度传感器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110传递至光纤光栅温度传感器，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。

可选地，四个检测组121、122、123、124对应的四个不同的方向可分别为0°方向、90°方向、45°方向和135°方向。

可选地，四个检测组121、122、123、124对应的四个不同的方向还可以分别为0°方向、90°方向、60°方向和120°方向。

在一些应用场景中，检测组121可以检测横向应变值，检测组122可以检测竖向应变值，检测组123、124可以检测剪切向应变值。

可选地，基体110的每个基片111、112、113、114均设置有一个检测组121、122、123、124；其中三个基片111、113、114组成等腰三角形结构，另外一个基片112的一端连接等腰三角形的顶点位置，另一端与等腰三角形的底边垂直连接。

基体110由四个不同方向的基片111、112、113、114组成，即基片111、112、113、114可分别设置为0°方向、90°方向、45°方向和135°方向，或者基片111、112、113、114可分别设置为00°方向、90°方向、60°方向和120°方向。使得检测组121、122、123、124一一对应地设置在基片111、112、113、114上后，能够相应地位于所述基体110的上述四个不同方向上。

可选地，每个基片111、112、113、114上均设置有凹槽c，光纤光栅应变传感器a嵌设在凹槽c内。

光纤光栅应变传感器a嵌设在凹槽c内，凹槽c能够增大光纤光栅应变传感器a与基片111、112、113、114的接触面积，两者形成有机的整体，使光纤光栅应变传感器a与被测结构共同变形，以便准确的把结构变形传递给光纤光栅应变传感器a同时还能够起到保护光纤光栅应变传感器a的目的。

可选地，光纤光栅应变传感器a通过焊接或胶黏工艺固定在凹槽c内。

在一具体实施方式中，光纤光栅应变传感器a可通过高温胶固定在凹槽c内。

在一具体实施方式中，光纤光栅应变传感器a还可通过烧结工艺嵌设于凹槽c内。

可选地，基体110一体成型。基体110一体成型能够增强基体110的结构稳定性，且在使用时，基体110可以直接与被测结构接触，例如通过胶黏与被测结构固定，减少安装难度，能够实现待测结构的长期单点应力监测。

区别于现有技术的情况，本实施例公开了一种光纤光栅传感器装置，通过将四个检测组分别设置于基体的四个不同方向上，且每个检测组包括至少一个光纤光栅应变传感器，实现对待测结构测点的四个方向的应力测试，并利用平面应变状态分析原理获取待测结构测点的主应力信息，能够提高应力检测精度。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims

1.一种光纤光栅传感器装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器装置包括：

基体；和

四个检测组，分别设置于所述基体的四个不同方向上，每个所述检测组包括至少一个光纤光栅应变传感器。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器装置，其特征在于，四个所述检测组之间并联连接。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器装置，其特征在于，每个所述检测组均包括两个所述光纤光栅应变传感器，每个所述检测组的两个所述光纤光栅应变传感器串联，且每个所述检测组的两个所述光纤光栅应变传感器具有不同的中心波长。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅传感器装置，其特征在于，所述四个不同的方向分别为0°方向、90°方向、45°方向和135°方向；或者

所述四个不同的方向分别为0°方向、90°方向、60°方向和120°方向。

5.根据权利要求4所述的光纤光栅传感器装置，其特征在于，所述基体由四个不同方向的基片组成，每个所述基片均设置有一个所述检测组；

其中三个所述基片组成等腰三角形结构，另外一个所述基片的一端连接所述等腰三角形的顶点位置，另一端与所述等腰三角形的底边垂直连接。

6.根据权利要求5所述的光纤光栅传感器装置，其特征在于，每个所述基片均包括增敏结构，每个所述基片上的所述增敏结构位于两个所述光纤光栅应变传感器之间，每个所述基片上的增敏结构的数量为两个、三个或四个。

7.根据权利要求5所述的光纤光栅传感器装置，其特征在于，每个所述基片上均设置有凹槽，所述光纤光栅应变传感器嵌设在所述凹槽内。

8.根据权利要求7所述的光纤光栅传感器装置，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器通过焊接或胶黏工艺固定在所述凹槽内。

9.根据权利要求2所述的光纤光栅传感器装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器装置还包括光纤光栅温度传感器，每个所述检测组均由一个所述光纤光栅应变传感器组成，所述光纤光栅温度传感器分别与四个所述光纤光栅应变传感器串联，且所述光纤光栅温度传感器的中心波长与四个所述光纤光栅应变传感器的中心波长均不同。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的光纤光栅传感器装置，其特征在于，所述基体一体成型。