一种灵敏度可调的光纤光栅应变传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于光纤传感领域，主要设及一种灵敏度可调的光纤光栅应变传感 器。
【背景技术】
[0002] 光纤光栅是20世纪90年代W来在国际上新兴的一种基础性光纤无源器件。光纤光 栅对应变、溫度都敏感，是制备传感器的优良器件，且具有抗电磁干扰、体积小、重量轻、寿 命长、复用性好和组网能力强等优点。因此，光纤光栅传感器广泛应用于桥梁、隧道、大巧、 边坡和矿井等工程领域中。
[0003] 在结构安全监测行业中，不同应用场合和不同材质结构所需的应变分辨率和应变 量程存在区别，比如混凝±结构的弹性形变小于钢结构的弹性形变。目前，绝大部分光纤光 栅应变传感器没有采用增敏结构，其应变量程一般为± 1500ye，应变灵敏度为1.2pmAxe，在 桥梁、大巧等结构的安全监测中，该量程的指标能够满足其测试要求。但在桥梁定期检测 中，桥梁的最大应变值一般为20化e~30化e，导致绝大部分传感器应变量程过大，但应变灵 敏度偏低
[0004] 目前，研究人员提出了一些增敏结构，如专利2 0 1 2 2 0 1 5 4 8 8 3 . 8和专利 201220207094,其主要途径是通过减小光纤光栅固定点的间距，从而降低了光栅固定间距 与传感器标距之比。但该方法只能得到某一个特定的应变灵敏度和对应的应变量程，即只 能适用于某一个特定领域的应变测试，而无法满足不同的应用场合。
[0005] 光纤光栅应变传感器的溫度补偿技术主要采取的两种方式，一是结构的自补偿技 术，如专利200810079639.8和专利200810104456.7，通过结构体的热胀冷缩特性来补偿光 纤光栅由热效应引起的波长漂移。但自补偿技术要求精密的封装技术，无疑增加了传感器 的生产成本，且当溫度快速变化时(如，早晨和傍晚的溫度变化较快），空气溫度和结构体的 溫度存在差异，导致传感器的补偿误差较大;二是通过光纤光栅溫度传感器对应变传感器 进行补偿，该方法简单方便，广泛应用于结构体的安全监测项目中。但它与前者存在相同的 问题，即当溫度快速变化时，溫度传感器的溫度和结构体的溫度存在差异，导致传感器的补 偿误差较大，且额外增加了传感器的数量和成本。因此，目前光纤光栅应变传感器的溫度补 偿还无法满足溫度变化较快的场合。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术中存在的问题，而提供一种灵敏度 可调的光纤光栅应变传感器，该传感器可W调节应变灵敏度和量程，从而满足不同测试量 程的应用场合。同时，该技术可W进行应变传感器的溫度实时补偿，减少溫度快速变化引起 的补偿误差。
[0007] 本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的。运种灵敏度可调的光纤光栅应 变传感器，包括应变测试光纤光栅、溫度补偿光纤光栅、细弹性基体、粗弹性基体、安装底 座、尾纤、盖板、盖板固定螺丝、底座安装孔和螺帽，所述的应变测试光纤光栅通过胶粘或低 溫玻璃焊料粘接于细弹性基体;溫度补偿光纤光栅通过胶粘或低溫玻璃焊料粘接于粗弹性 基体;安装底座采用胶粘、螺丝固定或焊接方式固定于待测结构表面，其固定位置为底座安 装孔，通过螺帽将盖板和细弹性基体或粗弹性基体固定于安装底座;安装底座有两道平行 的滑槽，滑槽底部宽度大于上部宽度，使得盖板固定螺丝能够在滑槽内自由移动，通过改变 盖板的位置调整弹性基体的固定间距。
[0008] 所述滑槽标有刻度，能够读取盖板固定位置的坐标。
[0009] 本实用新型的有益效果为:通过调节光纤光栅弹性基体的固定间距来调整传感器 灵敏度的光纤光栅应变传感器，可根据不同的应用场合来调整传感器的灵敏度，得到最佳 的应变测量范围和应变分辨率。在应变测试光纤光栅的相似位置安装溫度补偿光纤光栅来 对传感器进行溫度实时补偿，减小了溫度快速变化而引起的补偿误差。
【附图说明】
[0010] 图1是本实用新型的结构示意图；
[0011] 图2是本实用新型的剖面图；
[0012] 附图标记说明：1、应变测试光纤光栅;2、溫度补偿光纤光栅;3、细弹性基体;4、粗 弹性基体;5、安装底座;6、尾纤;7、盖板;8、滑槽;9、盖板固定螺丝；10、底座安装孔；11、螺 帽。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明：
[0014] 如图1-2所示，运种灵敏度可调的光纤光栅应变传感器，包括应变测试光纤光栅1、 溫度补偿光纤光栅2、细弹性基体3、粗弹性基体4、安装底座5、尾纤6、盖板7、盖板固定螺丝 9、底座安装孔10和螺帽11，所述的应变测试光纤光栅1通过胶粘或低溫玻璃焊料粘接于细 弹性基体3;溫度补偿光纤光栅2通过胶粘或低溫玻璃焊料粘接于粗弹性基体4;安装底座5 采用胶粘、螺丝固定或焊接方式固定于待测结构表面，其固定位置为底座安装孔10,通过螺 帽11将盖板7和细弹性基体3或粗弹性基体4固定于安装底座5;安装底座5有两道平行的滑 槽8,滑槽8底部宽度大于上部宽度，使得盖板固定螺丝9能够在滑槽8内自由移动，通过改变 盖板7的位置调整弹性基体的固定间距。所述滑槽8标有刻度，能够读取盖板7固定位置的坐 标。
[0015] 弹性基体的弹性模量远小于不诱钢，安装底座和盖板采用不诱钢之类的高弹性模 量的金属材质。应变测试光纤光栅采用光纤胶水或低溫玻璃焊料粘接于细弹性基体，溫度 补偿光纤光栅W同样粘接方式固定于粗弹性基体。安装底座配有移动滑槽，盖板可W在移 动滑槽上进行移动，并通过螺丝将弹性基体固定于安装底座，因此，通过改变盖板的位置可 W调整弹性基体的固定间距。
[0016] 传感器底座通过胶粘、膨胀螺丝或焊接等方式固定于待测结构表面，两个底座固 定点的间距即为传感器的标距化）。当待测结构产生变形时，安装底座将会产生相变形量 (A L)，而安装底座的模量远大于弹性基体，安装底座形变可W忽略不计，形变主要集中在 弹性基体上（AL)。因此，
[0017]对于传感器而言，其应变为 [001 引
CD
[0019]其中，A L= A Li+A L2, A L功细弹性基体的形变量，A L劝粗弹性基体的形变量。
[0020] 而弹性基体的形变量为
[0021] Al^i = EiXb (2)
[0022] AL2=￡2XL2 (3)
[0023] 其中，ei、E2分别为细、粗弹性基体的应变值，Li、L2分别为细、粗弹性基体的固定长 度。
[0024] 由于细、粗弹性基体的弹性模量一致，所受的拉伸/压缩力也一致，所W细弹性基 体和粗弹性基体所受的应力相同，即
[0025] (4)
[00%]其中，F为弹性基体所有的作用力，E为弹性基体的弹性模量。
[0027]因此，
[002引
[0029] (b)
[0030] 因此，増敏系数K为
[0031] (7)
[0032] 其中，0<L1 < 1/化；0<L2< 1/2LA1 <A2;
[0033] 当L1=L2 = 1/化，A1=A2时，传感器的増敏系数K = l，即无増敏效果；
[0034] 当L1 = L2=1/化，A1 = 1/3A2时，传感器的増敏系数K = 3,即传感器应变灵敏度增 至原先值的3倍。
[0035] 因此，可W通过改变盖板的固定位置(调整Ll和L2的长度)来调节传感器的应变灵 敏度。
[0036] 应变测试光纤光栅和溫度补偿光纤光栅的波长会随着溫度改变而发生漂移，其波 长公式为
[0037] Ai = KeiXe+KxiX AT (8)
[003引 入2 = Ke2Xe+KT2X AT (9)
[0039] UO)
[0040] 其中，Al和A2分别为应变测试光纤光栅和溫度补偿光纤光栅的波长值;Kel和Ke2分 别为应变测试光纤光栅和溫度补偿光纤光栅的应变系数;Kti和Kt2分别为应变测试光纤光 栅和溫度补偿光纤光栅的溫度系数；e为传感器的应变值，A T为传感器的溫度变化值，B = KtiKe2-时化 El
[0041] 通过标定可W得到系数Kel、时1、Ke2和时2,因此，可W根据两个传感器的波长值反推 出传感器的应变和溫度。
[0042] 除上述实施例外，本实用新型还可W有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变 换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种灵敏度可调的光纤光栅应变传感器，其特征在于:包括应变测试光纤光栅（1)、 温度补偿光纤光栅(2)、细弹性基体(3)、粗弹性基体(4)、安装底座(5)、尾纤(6)、盖板(7)、 盖板固定螺丝(9)、底座安装孔（10)和螺帽（11)，所述的应变测试光纤光栅（1)通过胶粘或 低温玻璃焊料粘接于细弹性基体(3);温度补偿光纤光栅(2)通过胶粘或低温玻璃焊料粘接 于粗弹性基体(4);安装底座(5)采用胶粘、螺丝固定或焊接方式固定于待测结构表面，其固 定位置为底座安装孔（10)，通过螺帽（11)将盖板(7)和细弹性基体(3)或粗弹性基体(4)固 定于安装底座(5);安装底座(5)有两道平行的滑槽(8)，滑槽(8)底部宽度大于上部宽度，使 得盖板固定螺丝(9)能够在滑槽(8)内自由移动，通过改变盖板(7)的位置调整弹性基体的 固定间距。2. 根据权利要求1所述的灵敏度可调的光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述滑槽 (8)标有刻度，能够读取盖板(7)固定位置的坐标。
【专利摘要】本实用新型涉及一种灵敏度可调的光纤光栅应变传感器，属于光纤传感技术领域。本实用新型包括应变测试光纤光栅、温度补偿光纤光栅、细弹性基体、粗弹性基体、安装底座、尾纤、盖板、滑槽、固定螺丝、底座安装孔和螺帽，应变测试光纤光栅内置于细弹性基体，温度补偿光纤光栅内置于粗弹性基体，盖板通过固定螺丝将弹性基体固定于安装底座，盖板可以在安装底座的滑槽内进行移动。本实用新型的有益效果为：改变盖板在滑槽中的位置来调节光纤光栅固定间距，从而改变了传感器的应变灵敏度，获得最佳的应变灵敏度和应变量程，满足不同测试量程的应用场合。该传感器适用于土木工程的结构应变检测。
【IPC分类】G01B11/16
【公开号】CN205373656
【申请号】CN201521078307
【发明人】杨樟成, 桑卫兵, 冯亚非, 郑欢, 何少灵, 郝凤欢, 刘鹏飞, 曹云龙
【申请人】中国船舶重工集团公司第七一五研究所
【公开日】2016年7月6日
【申请日】2015年12月22日