一种应力传感FBG探头的制作方法

本实用新型属于传感器技术领域，具体涉及一种应力传感fbg探头。

背景技术：

应力fbg传感器中，光纤光栅需要具有温度自补偿机制，以保证应力数值测量的准确性；而且，光纤光栅在高温下提前应变膨胀拉伸，在低温时提前收缩，即应力fbg会在受到拉压应力之前发生形变，会减少应力fbg所能承受的最大拉压应力，进而减少了应力应变量程。

发明人了解到：为了减少温度影响造成的应力应变量程减少及测量不准确的问题，一些方式中，应力fbg探头采用基于材料热应力的负膨胀温度补偿法，然而材料选型较困难，工艺要求高；另一种方法是采用结构自补偿法，但结构较复杂，补偿效果均不是很理想。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种应力传感fbg探头，克服现有应力fbg探头测量技术中温度自补偿结构复杂，温度变化影响光纤光栅的应变范围、应变量程的问题。

为实现上述目的，本实用新型的一个或多个实施例提供一种应力传感fbg探头，包括聚甲醛管，所述聚甲醛管的内腔中穿设有光纤，所述光纤的中部具有光纤光栅，所述光纤光栅中栅区的两侧分别固设有金属毛细管，所述金属毛细管的外壁与聚甲醛管的内壁固定连接。

所述聚甲醛管的中部设有通槽，所述光纤光栅的栅区暴露在通槽的区域，所述金属毛细管靠近光纤光栅的一端暴露在聚甲醛管的通槽的区域。

所述聚甲醛管和金属毛细管能够在温度变化时发生形变，以补偿光纤光栅中栅区受温度变化而产生的形变。

作为进一步的改进，所述聚甲醛管的两端分别固定连接有应力夹座，所述应力夹座套接在聚甲醛管的外部。

作为进一步的改进，所述光纤的两端分别从两个应力夹座中穿出，光纤的一端与激光发生装置连接，另一端与信号处理装置连接。

作为进一步的改进，所述聚甲醛管与金属毛细管之间通过胶粘的方式固定，所述金属毛细管与光纤之间通过胶粘的方式固定。

以上一个或多个技术方案的有益效果：

(1)采用光纤光栅应力传感器探头，利用已刻蚀在光纤上的光栅为敏感元件，可以实现无源化、全光化的传感终端，该探头在电磁敏感场合使用具有安全可靠的优势。

(2)利用光纤光栅应力传感器的波长区分特性可以实现波分复用功能，多个应力传感探头所用光纤光栅的中心波长不同，可串联在同一根光纤上实现波分复用。

(3)采用金属毛细管、聚甲醛细管与光纤光栅的探头组合，在不受温度变化的影响下，光纤光栅不会因为温度变化而提前收缩或膨胀，使得光纤光栅在设定范围内保持相同的应力应变量程。

相对于现有光纤光栅的温度补偿方法来说，聚甲醛管及金属毛细管容易获得，工艺要求低；且结构简单，温度补偿效果好。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本实用新型实施例中整体结构示意图。

图中：1、第一夹座；2、第二夹座；3、聚甲醛细管；4、光纤光栅；5、金属毛细管；6、防水套管；7、防水圈。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本实用新型中如果出现“上、下、左、右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,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设备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。

本实用新型的一种典型实施方式中，如图1所示，一种应力传感fbg探头，包括聚甲醛管3，所述聚甲醛管3的内腔中穿设有光纤，所述光纤的中部具有光纤光栅4，所述光纤光栅4中栅区的两侧分别固设有金属毛细管5，所述金属毛细管5的外壁与聚甲醛管3的内壁固定连接。

所述聚甲醛管3的中部设有通槽，所述光纤光栅4的栅区暴露在通槽的区域，所述金属毛细管5靠近光纤光栅4的一端暴露在聚甲醛管3的通槽的区域。

所述聚甲醛管3和金属毛细管5能够在温度变化时发生形变，以补偿光纤光栅4中栅区受温度变化而产生的形变。所述聚甲醛管3的两端分别固定连接有应力夹座，所述应力夹座套接在聚甲醛管3的外部。

具体的，应力夹座的数量为两个，分别为第一应力夹座1和第二应力夹座2，第一应力夹座1和第二应力夹座2用于连接待测量物体。

两个应力夹座之间固定设置有防水套管6，所述防水套管6套设在聚甲醛管3的外部。所述应力夹座与防水套管6之间设置有防水圈7，以避免外界水从应力夹座与防水套管6连接位置渗透进入防水套管6内腔。在一些实施方式中，所述防水套管6为钢管，钢管与应力夹座之间通过螺纹连接。在另外一些实施方式中，防水套管6可以采用其他材质。

所述金属毛细管5为可伐合金材料。具体的，金属毛细管5可以采用可伐合金材料4j29。

所述光纤的两端分别从两个应力夹座中穿出，光纤的一端与激光发生装置连接，另一端与信号处理装置连接。所述聚甲醛管3与金属毛细管5之间通过胶粘的方式固定，所述金属毛细管5与光纤之间通过胶粘的方式固定。

探头内集成光纤光栅应力传感器，光纤光栅两端的金属毛细管一端固定在聚甲醛细管内，另一端直接固定光栅，温度变化时金属两端由于热膨胀使金属变形，而聚甲醛细管不受温度影响或影响很小，当设计金属毛细管膨胀长度与光纤膨胀长度一样时，即在光纤光栅由温度引起的波长漂移量与金属毛细管的热伸展引起的波长漂移量一致，则光纤光栅的温度可以得到补偿。而探头两端受到拉压时，光纤光栅的光波长与拉压值成正比，从而测量出探头受到拉压应力值。所述防水套管的外圆侧面设置有外螺纹，所述应力夹座中设置有螺纹孔，外螺纹与螺纹孔中的内螺纹配合使用。

以下给出一种应力传感器fbg探头的具体参数设置：

聚甲醛毛细管的外径为4mm，内径为2mm,长度为260mm，中心位置开通槽，通槽宽为40.7mm。聚甲醛材料的弹性模量为2.6gpa，热膨胀系数为1.1×10-6/k。两端加工外螺纹，可以将第一应力夹座1和第二应力夹座2固定在聚甲醛管3上。光纤的热膨胀系数为0.51×10-6/k，固定光纤光栅的栅区长度为30mm。两边则采用可伐合金材料的金属毛细管5进行粘胶。可伐合金材料为4j29，其热膨胀系数为5.6×10-6/k，光纤栅区两边金属毛细管5长度为20mm,外径为1.9mm，内径为0.5mm。

通过理论计算，金属毛细管5总长度为10.7mm，所以单位温度对可伐材料引起的形变量为60.1×10-6mm/k；光纤光栅4的长度为30mm，单位温度对光纤材料引起的形变量为15.3×10-6mm/k；聚甲醛管3的开槽长度为40.7mm,单位温度对聚甲醛管3引起的形变量为44.8×10-6mm/k；由于可伐材料温度引起形变时，形变对光纤产生挤压的作用，而聚甲醛材料和光栅材料在温度引起形变时，形变对光纤产生拉伸的作用。所以15.3×10^-6+44.8×10^-6＝60.1×10^-6。

工作原理：光纤光栅4探头所感测到的应力信息以其中心波长的变化来体现，该波长变化可转化为远端光源输入到探头的激光的波长变化，通过传输光纤可将携带温湿度信息的激光远距离回传至远端信号处理设备进行温湿度数据解算。

聚甲醛细管受到温度的影响很小，温度对聚甲醛细管产生热胀冷缩，从而引起聚甲醛细管的变化量为δl1,细管长度为l1，聚甲醛材料热膨胀为p1，δl1＝p1·l1。

则光纤光栅4栅区长度为l2,受温度变化后产生长度变量为δl2，光纤材料热膨胀为p2，δl2＝p2·l2。

固定光纤光栅4两端的金属毛细管5总长度为l3,受温度变化产生长度变量为δl3，金属材料热膨胀为p3，δl3＝p3·l3。

聚甲醛毛细管开槽长度为l4,则下式成立时，

若使得光纤光栅4的温度影响变量可以为0，即不受温度影响。则可设计金属毛细管5长度:此时可以实现结构温度补偿。

本实施例还提供一种应力传感fbg探头的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，根据光纤光栅4的长度与热膨胀系数，计算设定热膨胀系数下，金属毛细管5的长度，并截取相应长度的金属毛细管5；

步骤2，将金属毛细管5套入光纤光栅4处，金属毛细管5与光纤光栅4之间点胶；

步骤3，金属毛细管5与光纤光栅4之间胶固化后，将光纤和金属毛细管5一并穿过聚甲醛管3内，使光纤光栅4的栅区处于通槽，两个金属毛细管5在通槽区域暴露的长度相同。将光纤光栅4两端加上预拉力，在金属毛细管5与聚甲醛管3之间点胶；

步骤4，在金属毛细管5与聚甲醛管3之间的胶固化后，安装配套部件。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。