一种光纤光栅二维应变增敏传感器及其封装方法与流程

本发明涉及光纤光栅技术领域，具体涉及一种光纤光栅二维应变增敏传感器及其封装方法。

背景技术：

在重型矿山机械、大型工程机械、重型机床等领域，由于作业负荷大，作业连续性强，现场环境恶劣等因素，需要对机械设备大型结构件的健康状态进行监测，而应变作为一种监测手段常常被采用。目前机械设备的状态监测主要采用电磁类传感器，该类传感器具有测点单一、抗电磁干扰能力弱、不能进行应变增敏等局限性。

而利用光纤传感技术对机械设备进行实时监测，具有防爆、抗电磁干扰、耐高温高压、可进行分布式测量、可对应变进行增敏等电磁类传感器无法比拟的优势。

然而，大型结构件的变形很小，产生的应变也很小，将光纤光栅直接粘贴于大型结构件上测量的灵敏度不高，并且大型结构件表面的应变并不是单一方向而是两个方向同时作用。根据光纤光栅应变传递原理可知裸光纤光栅的应变测量灵敏度为1.2με/pm，无法满足对大型结构件微小应变的测量需求。在专利号CN201410160233.8提出的一种光纤光栅差动应变片，消除了温度对应变测量的影响，并未提出对应变进行增敏及测量二维应变的方法。因此，迫切需要提出一种既能进行应变增敏，又能同时测量两垂直方向应变的二维应变增敏传感器。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种光纤光栅二维应变增敏传感器及其封装方法，结构简单，制造成本低，安装方便，具有较高的应变增敏系数，有较高的一致性和可靠性，便于重复性使用，可同时测量两垂直方向的应变，并且在两个方向均有相同的增敏效果。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种光纤光栅二维应变增敏传感器，包括一个二维应变增敏基片和两个光纤光栅，两个光纤光栅相互垂直设置于二维应变增敏基片中心，两个光纤光栅分别为Ⅰ号光纤光栅和Ⅱ号光纤光栅；

其中，二维应变增敏基片包括四个固定板和圆环，四个固定板沿环向均匀分布于圆环四周，四个固定板分别为左固定板、右固定板、上固定板和下固定板，Ⅰ号光纤光栅、左固定板和右固定板分布于圆环的水平中心线上，Ⅱ号光纤光栅、上固定板和下固定板分布于圆环的竖直中心线上，两个光纤光栅的两端均固定于圆环上，同时Ⅰ号光纤光栅的两端分别与左固定板和右固定板连接，Ⅱ号光纤光栅的两端分别与上固定板和下固定板连接，两个光纤光栅中部的栅区均悬空于圆环的环内。

按照上述技术方案，固定板包括连接臂和安装板，安装板通过连接臂与圆环连接。

按照上述技术方案，光纤光栅通过粘接剂或焊接剂与二维应变增敏基片连接。

按照上述技术方案，所述的粘接剂为有机胶水，焊接剂为玻璃。

按照上述技术方案，圆环上设有两个半圆细槽，两个半圆细槽分布于圆环的水平中心线上，Ⅰ号光纤光栅的两端分别放置于两个半圆细槽内。

按照上述技术方案，固定于二维应变增敏基片的光纤光栅上设有一定的预应力。

按照上述技术方案，光纤光栅上的预应力施加于光纤光栅的栅区两端。

按照上述技术方案，固定于二维应变增敏基片上的Ⅰ号光纤光栅与Ⅱ号光纤光栅并不互相接触。

一种光纤光栅二维应变增敏传感器的封装方法，包括以下步骤：

1)将二维应变增敏基片固定于水平封装台上；

2)在Ⅰ号光纤光栅两端施加一定的预紧力，将Ⅰ号光纤光栅的一端与二维应变增敏基片中的圆环和左固定板连接固定，将Ⅰ号光纤光栅的另一端与二维应变增敏基片中的圆环和右固定板连接固定；

3)在将Ⅰ号光纤光栅完全固定在二维应变增敏基片上后，将二维应变增敏基片从水平封装台上拆下，逆时针旋转90度后再将其固定在水平封装台上；

4)在Ⅱ号光纤光栅两端施加一定的预紧力，将Ⅱ号光纤光栅的一端与二维应变增敏基片中的圆环和上固定板连接固定，将Ⅱ号光纤光栅的另一端与二维应变增敏基片中的圆环和下固定板连接固定。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明结构简单，制造成本低，安装方便，具有较高的应变增敏系数，有较高的一致性和可靠性，便于重复性使用，本发明的光纤光栅二维应变增敏传感器通过二维应变增敏基片和两个光纤光栅形成的双十字结构可同时测量两垂直方向的应变，并且在两个方向均有相同的增敏效果，两个方向的增敏倍数均可达到裸光纤光栅的5倍。

2、二维应变增敏基片可通过调节连接臂的长度、宽度调节应变增敏的倍数。

附图说明

图1是本发明实施例中光纤光栅二维应变增敏传感器的主视图；

图2是本发明实施例中二维应变增敏基片的主视图；

图3是本发明实施例中二维应变增敏基片的简化模型图；

图4是本发明实施例中光纤光栅二维应变增敏传感器的立面图；

图中，1-光纤光栅，1-1-Ⅰ号光纤光栅，1-2-Ⅱ号光纤光栅，2-二维应变增敏基片，2-1-第一安装板，2-2-第二安装板，2-3-第三安装板，2-4-第四安装板，2-5-左连接臂，2-6-右连接臂，2-7-上连接臂，2-8-下连接臂，2-9-圆环，2-10-半圆细槽，3-粘接剂或焊接剂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图4所示，本发明提供的一个实施例中的光纤光栅二维应变增敏传感器，包括一个二维应变增敏基片2和两个光纤光栅1，两个光纤光栅1相互垂直设置于二维应变增敏基片2中心，两个光纤光栅1分别为Ⅰ号光纤光栅1-1和Ⅱ号光纤光栅1-2；

其中，二维应变增敏基片2包括四个固定板和圆环2-9，四个固定板沿环向均匀分布于圆环2-9四周，四个固定板分别为左固定板、右固定板、上固定板和下固定板，Ⅰ号光纤光栅1-1、左固定板和右固定板分布于圆环2-9的水平中心线上，Ⅱ号光纤光栅1-2、上固定板和下固定板分布于圆环2-9的竖直中心线上，Ⅰ号光纤光栅1-1的一端与圆环2-9和左固定板连接，Ⅰ号光纤光栅1-1的另一端与圆环2-9和右固定板连接，Ⅱ号光纤光栅1-2的一端与圆环2-9和上固定板连接，Ⅱ号光纤光栅1-2的另一端与圆环2-9和下固定板连接，两个光纤光栅中部的栅区均悬空于圆环2-9的环内。

进一步地，左固定板包括左连接臂2-5和第一安装板2-1，右固定板包括右连接臂2-6和第二安装板2-2，上固定板包括上连接臂2-7和第三安装板2-3，下固定板包括下连接臂2-8和第四安装板2-4。

进一步地，固定板包括连接臂和安装板，安装板通过连接臂与圆环2-9连接。

进一步地，所述的二维应变增敏基片是一个整体，可通过线切割加工一次成型，制造工艺简单，成本低。

进一步地，所述的连接臂为伸缩连接臂，通过调节上下左右四个连接臂的长度、宽度和调节圆环2-9的半径、宽度、厚度来改变应变增敏的倍数。

进一步地，光纤光栅通过粘接剂或焊接剂3与二维应变增敏基片2连接。

进一步地，所述的粘接剂为有机胶水，焊接剂为玻璃。

进一步地，光纤光栅通过有机胶水与二维应变增敏基片2粘接，或光纤光栅通过玻璃与二维应变增敏基片2焊接。

进一步地，圆环2-9上设有两个半圆细槽2-10，两个半圆细槽2-10分布于圆环2-9的水平中心线上，Ⅰ号光纤光栅1-1的两端分别放置于两个半圆细槽2-10内。

进一步地，两个光纤光栅的栅区设置于光纤光栅的中部，悬空于圆环2-9的环内。

进一步地，固定于二维应变增敏基片2的光纤光栅上设有一定的预应力，光纤光栅固定于二维应变增敏基片2之前，需要施加一定的预应力，以保证二维应变增敏基片2在被压缩时二维应变增敏传感器依然可测。

进一步地，光纤光栅上的预应力施加于光纤光栅的栅区两端。

进一步地，固定于二维应变增敏基片2上的Ⅰ号光纤光栅1-1与Ⅱ号光纤光栅1-2并不互相接触。

一种光纤光栅二维应变增敏传感器的封装方法，包括以下步骤：

1)将二维应变增敏基片2固定于水平封装台上；

2)在Ⅰ号光纤光栅1-1两端施加一定的预紧力，将Ⅰ号光纤光栅1-1的一端通过粘接剂或焊接剂3与二维应变增敏基片2中的圆环2-9和左固定板连接固定，将Ⅰ号光纤光栅1-1的另一端通过粘接剂或焊接剂3与二维应变增敏基片2中的圆环2-9和右固定板连接固定；

3)在将Ⅰ号光纤光栅1-1完全固定在二维应变增敏基片2上后，将二维应变增敏基片2从水平封装台上拆下，逆时针旋转90度后再将其固定在水平封装台上；

4)在Ⅱ号光纤光栅1-2两端施加一定的预紧力，将Ⅱ号光纤光栅1-2的一端通过粘接剂或焊接剂3与二维应变增敏基片2中的圆环2-9和上固定板连接固定，将Ⅱ号光纤光栅1-2的另一端通过粘接剂或焊接剂3与二维应变增敏基片2中的圆环2-9和下固定板连接固定。

本发明的一个实施例中，所述的光纤光栅二维应变增敏传感器包括：光纤光栅1，二维应变增敏基片2和粘接剂或焊接剂3，二维应变增敏基片2的结构包括上下左右四个安装板(四个安装板分别为第一安装板2-1，第二安装板2-2，第三安装板2-3，第四安装板2-4)，四个连接臂(四个连接臂分别为左连接臂2-5，右连接臂2-6，上连接臂2-7，下连接臂2-8)，圆环2-9，以及圆环2-9与左连接臂2-5和右连接臂2-6位置中心线上刻的用于放置光纤光栅的半圆细槽2-10；四个安装板与其相连的四个连接臂垂直布置，且沿环向对称均布在圆环2-9周围，左连接臂2-5和右连接臂2-6与其相连的圆环2-9的中心线上刻有半圆细槽2-10，半圆细槽2-10用于放置Ⅰ号光纤光栅1-1，确保Ⅰ号光纤光栅1-1的栅区悬空于圆环2-9的环内，在对Ⅰ号光纤光栅1-1固定之前通过一定的方法对Ⅰ号光纤光栅1-1栅区两端施加一定的预紧力，通过有机胶水粘接或者玻璃焊接的方式将已施加预紧力的Ⅰ号光纤光栅1-1固定在圆环2-9上；上连接臂2-7和下连接臂2-8及其相连的圆环2-9的中心线上放置Ⅱ号光纤光栅1-2，确保Ⅱ号光纤光栅1-2的栅区悬空于圆环2-9环内，在对Ⅱ号光纤光栅1-2固定之前通过一定的方法对Ⅱ号光纤光栅1-2的栅区两端施加一定的预紧力，通过有机胶水粘接或者玻璃焊接的方式将已施加预紧力的Ⅱ号光纤光栅1-2固定在圆环2-9上，左连接臂2-5和右连接臂2-6与其连接圆环2-9中心线位置有半圆细槽2-10，上连接臂2-7和下连接臂2-8与其连接圆环2-9位置中心线上无细槽，可保证Ⅰ号光纤光栅1-1与Ⅱ号光纤光栅1-2固定在圆环2-9上时并不相互接触。

进一步地，将左安装板2-1，右安装板2-2或者上安装板2-3，下安装板2-4之间的变形集中到Ⅰ号光纤光栅1-1或者Ⅱ号光纤光栅1-2的悬空段内，从而将应变放大达到应变增敏的目的。

进一步地，所述的上安装板、下安装板、左安装板和右安装板，上连接臂2-7、下连接臂2-8、左连接臂2-5和右连接臂2-6及圆环2-9为一整体结构；

进一步地，二维应变增敏基片2在结构上对两个方向的应变测量有耦合作用，可通过理论计算或静态标定的方式对其进行解耦。

上述光纤光栅二维应变增敏传感器的封装方法，具体步骤如下：

1.将二维应变增敏基片2固定于水平封装台上，将Ⅰ号光纤光栅1-1放置在左连接臂2-5、右连接臂2-6及其相连圆环2-9上的半圆槽内，确保Ⅰ号光纤光栅1-1的栅区悬空于圆环2-9的环内，在Ⅰ号光纤光栅1-1两端施加一定的预紧力。

2.通过有机胶水粘接或者玻璃焊接的方式将Ⅰ号光纤光栅1-1固定在二维应变增敏基片2上。

3.在将Ⅰ号光纤光栅1-1完全固定在二维应变增敏基片2上后，将二维应变增敏基片2从水平封装台上拆下，逆时针旋转90度后再将其固定在水平封装台上，将Ⅱ号光纤光栅1-2放置在上连接臂2-7和下连接臂2-8及其相连的圆环2-9上，确保Ⅱ号光纤光栅1-2栅区悬空于圆环2-9环内，在Ⅱ号光纤光栅1-2两端施加一定的预紧力。

4.通过有机胶水粘接或者玻璃焊接的方式将Ⅱ号光纤光栅1-2固定在二维应变增敏基片2上。

所述光纤光栅二维应变增敏传感器的工作原理如下：

将左右安装板或者上下安装板之间的变形集中到Ⅰ号光纤光栅1-1或者Ⅱ号光纤光栅1-2的悬空段内，从而将应变放大。当左右安装板之间水平方向发生了2Δl变形而上下安装板之间不发生变形时，水平方向的变形带动左连接臂2-5和右连接臂2-6均产生Δl₁的变形，假设连接臂的长度为l₁，圆环2-9半径为r，厚度为h₁，根据材料力学原理可得到应变的增敏倍数为：

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。