光纤光栅土压力传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型属于压力测量及光纤光栅传感领域，具体的说是一种光纤光栅土压力传感器，包括壳体(1)，设置在壳体(1)的腔体内的金属薄片(2)，以及设置在壳体(1)内侧的补偿金属薄片(4)；其中，金属薄片(2)的表面上设置有光栅传感器(3)，补偿金属薄片(4)的表面上设置有补偿光栅传感器(5)，光栅传感器(3)和补偿光栅传感器(5)的光纤引出端均通过壳体(1)的两侧孔引出。结合不锈钢膜片的特性，该传感器通过不锈钢膜片与双拱形结构将纵向分布的压力转化为膜片横向的应变，从而达到测量纵向分布压力的目的。它用于土压力监测的测量精度高，抗电磁干扰、稳定性好，方便现场安装，温度可自补偿，能够排除粘贴对传感性能影响。
【专利说明】
光纤光栅土压力传感器
技术领域
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[0001]本实用新型属于光纤光栅传感在建筑体、桥梁、滑坡等土压力应用领域，具体涉及一种光纤光栅土压力传感器。
【背景技术】
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[0002]光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器是利用Bragg波长对温度、应力的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器，在光纤传感技术领域中备受青睐。目前市场上有很多电子类的压力传感器，在一些特殊环境中，如防火防爆防静电的工作环境使用会带来安全隐患，而利用即光纤布拉格光栅制作的压力传感器属于无源器件，因此不会存在上述安全隐患，但是其传感器的结构复杂，测量灵敏度不高。并且土压力传感器一般工作在潮湿和酸碱盐等腐蚀性环境中，这些电式传感器耐腐蚀能力差，寿命短，不能长期可靠工作。王俊杰等人设计了差动式光纤光栅土压力传感器(参看文献“差动式光纤光栅土压计及其温度特性的研究”，来自《光电子.激光》，2007年4月，第18卷第4期)，他们将平面圆形薄板和悬臂梁组成一复合结构，两光纤光栅对称贴于悬臂梁的上下表面实现差动式测量，并实现温度补偿。但是，该传感器在复杂的土壤环境中由于受力的不均匀性将导致测量结果误差较大。胡志新等人设计了一种圆壳式硬心膜片式FBG压力传感器(参看文献“温度补偿式光纤光栅土压力传感器”，来自《应用光学》，2010年I月，第31卷第I期)，该传感器的灵敏度为1550pm/MPa，能够进行温度自补偿，但迟滞和静态误差比较大，不适合长期使用。专利号为200720021750.2的中国专利“岩土用光纤光栅压力传感器”是将光纤光栅粘贴在呈倒L形的等强度梁上，土压力通过缸体上盖作用到等强度梁上，从而使粘贴其上的光纤光栅发生变形，光纤光栅又通过光纤与自由不受力状态的光纤光栅温度传感器串接消除温度的影响，该传感器的测量结果也存在受力分布的影响问题。
【实用新型内容】:
[0003]本实用新型目的是针对现有技术存在的上述问题，设计了一种高灵敏度、高精度、抗电磁干扰、稳定性好、温度自补偿的光纤光栅土压力传感器，以便能长期监测滑坡体变形、路基沉降、隧道顶部变形、桥梁变形。
[0004]为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案来实现的:
[0005]光纤光栅土压力传感器，包括壳体，设置在壳体的腔体内的金属薄片，以及设置在壳体内侧的补偿金属薄片;其中，
[0006]金属薄片的表面上设置有光栅传感器，补偿金属薄片的表面上设置有补偿光栅传感器，光栅传感器和补偿光栅传感器的光纤引出端均通过壳体的两侧孔引出。
[0007]本实用新型进一步的改进在于，补偿金属薄片设置在壳体底部的内侧。
[0008]本实用新型进一步的改进在于，金属薄片上刻有定位线，光栅传感器光栅与定位线对准。
[0009]本实用新型进一步的改进在于，金属薄片与壳体之间采用环氧胶连接在一起。
[0010]本实用新型进一步的改进在于，补偿金属薄片采用环氧胶将其固定在壳体的底部内侧上。
[0011]本实用新型进一步的改进在于，壳体的两侧孔包括光纤引出左端和光纤引出右端，其中，光纤引出左端和光纤引出右端均设置有密封体，密封体用于将光纤引出左端和光纤引出右端与两侧孔密封。
[0012]本实用新型进一步的改进在于，壳体结构中a = 30°，li = 20mm;金属薄片呈为工形结构，bi = 16mm，b2 = 10mm，其中α表示壳体与金属薄片的夹角，I1表示壳体水平结构的长度，bi为金属薄片最外部结构的宽度，b2为金属薄片的中间结构的宽度。
[0013]本实用新型进一步的改进在于，壳体材料选用45号钢制成，弹性模量E为200GPa。
[0014]本实用新型进一步的改进在于，金属薄片和补偿金属薄片材料选用平面不锈钢304金属膜片制成，其弹性模量E为194GPa，泊松比v为0.3，厚度h为0.25mm，中h表示金属薄片和补偿金属薄片材料的厚度。
[0015]与现有技术相比，本实用新型的优点在于:1、测量灵敏度高，精度高，避免了因粘贴引起的本体噪声;2、实现了温度补偿，同时可以测量环境温度;3、结构简单、成本低，适合与产业化生产;4、弹性壳体两侧均有光纤引出孔，便于串联和组成传感网络;5、将光纤光栅悬浮，保证了光栅的线性变化。
【附图说明】
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[0016]图1是本实用新型实施例结构示意图。
[0017]图2是金属薄片的结构示意图。
[0018]图中:1、壳体;2、金属薄片;3、光栅传感器;4、补偿金属薄片；5、补偿光栅传感器；
6、光纤引出左端;7、光纤引出右端。
【具体实施方式】
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[0019]下面结合实施例附图对本实用新型作进一步说明。
[0020]如图1所示，本实用新型提供的光纤光栅土压力传感器，包括壳体1、金属薄片2、光栅传感器3、补偿金属薄片4和补偿光栅传感器5，其中，补偿光栅传感器5通过环氧胶将补偿金属薄片4固定在壳体I的腔体下侧面上。金属薄片2上刻有定位线，光栅传感器3中光栅与定位线对准，给予适当拉力，使用环氧胶将与金属薄片2粘为一体。壳体I与金属薄片2用环氧胶连接在一起，固定光栅传感器3。壳体I两侧有侧孔，光栅传感器2和补偿光栅传感器5的光纤引出端通过壳体I的两侧孔引出，通过壳体I的两侧引出孔有密封体，密封体将光纤引出左端6和光纤引出右端7与两侧孔密封。金属薄片2和补偿金属薄片4材料相同。壳体I结构中a = 30°，Ii = 20mm;金属薄片2设计为工形结构，如图2所示，bi = 16mm，b2 = 10mm。其中α表不壳体(I)与金属薄片的夹角，Ii表不壳体(I)水平结构的长度。bi为金属薄片(2)最外部结构的宽度，b2为金属薄片(2)的中间结构的宽度。壳体I材料选用45号钢，弹性模量E为200GPa;金属薄片2和补偿金属薄片4材料选用平面不锈钢304金属膜片，其弹性模量E为194GPa，泊松比V为0.3，厚度h为0.25mm。其中h表示金属薄片2和补偿金属薄片4材料的厚度。
[0021]本实用新型利用双拱形结构壳体，配合工形金属薄片将纵向分布的压力转化为薄片横向的应变，通过薄片结构传递应变给光纤光栅传感器，从而达到测量
[0022]纵向分布压力的目的。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在其纤芯形成的空间相位光栅。当一束光进入光纤光栅时，根据光栅理论，满足Bragg条件的光波被反射，该光波波长被称为光纤光栅的中心波长λΒ Ab与光栅周期Λ和纤芯折射率nrff际有关，即
[0023]AB = 2neff A 公式(I)
[0024]式中λΒ为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周期，neff为纤芯折射率。
[0025]FBG光纤光栅传感的基本原理是，当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而使光纤光栅的中心波长产生位移Δ λΒ，通过检测光栅波长的位移情况，即可获得待测物理量的变化情况。即
[0026]ΔλΒ = Κε.Δ ε+Κτ.ΔΤ 公式(2)
[0027]式中ΔλΒ为中心波长产生的位移，Δε表示光栅的应变变化值，Κε为应变传感灵敏度系数，A T为光栅的温度变化值，Kt为光纤光栅温度传感灵敏度系数。
[0028]根据上述特性，首先使用光纤光栅解调仪测量出光纤光栅的波长变化，而后根据标定的应变-波长对应关系即可得到应变值。同时，本实用新型自动实现了温度补偿，将温度补偿光栅和测力光栅置于了相同的状态，即可作温度补偿，也可以测量温度。
[0029]与传统的电阻式应变传感器相比，本实用新型的优点非常明显:
[0030]1、抗电磁干扰:一般电磁福射的频率比光波低很多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。
[0031]2、电绝缘性能好，安全可靠:光纤本身是由电介质构成的，而且无需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。
[0032]3、难腐蚀，化学性能稳定:由于制作光纤的材料-石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。
[0033]4、测量范围广:可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、液位、液体浓度、成分等。
[0034]5、传输容量大:可实现多点分布式测量。
【主权项】
1.光纤光栅土压力传感器，其特征在于，包括壳体(I)，设置在壳体(I)的腔体内的金属薄片(2)，以及设置在壳体(I)内侧的补偿金属薄片(4);其中， 金属薄片(2)的表面上设置有光栅传感器(3)，补偿金属薄片(4)的表面上设置有补偿光栅传感器(5)，光栅传感器(3)和补偿光栅传感器(5)的光纤引出端均通过壳体(I)的两侧孔引出。2.根据权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，补偿金属薄片(4)设置在壳体(I)底部的内侧。3.根据权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，金属薄片(2)上刻有定位线，光栅传感器(3)光栅与定位线对准。4.根据权利要求3所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，金属薄片(2)与壳体(I)之间采用环氧胶连接在一起。5.根据权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，补偿金属薄片(4)采用环氧胶将其固定在壳体(I)的底部内侧上。6.根据权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，壳体(I)的两侧孔包括光纤引出左端(6)和光纤引出右端(7)，其中，光纤引出左端(6)和光纤引出右端(7)均设置有密封体，密封体用于将光纤引出左端(6)和光纤引出右端(7)与两侧孔密封。7.根据权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，壳体(I)结构中α= 30°，Ii = 20mm;金属薄片(2)呈为工形结构，bi = 16mm，b2= 10mm，其中α表示壳体(I)与金属薄片(2)的夹角，Ii表不壳体(I)水平结构的长度，bi为金属薄片(2)最外部结构的宽度，b2为金属薄片(2)的中间结构的宽度。8.根据权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，壳体(I)材料选用45号钢制成，弹性模量E为200GPa。9.根据权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，金属薄片(2)和补偿金属薄片(4)材料选用平面不锈钢304金属膜片制成，其弹性模量E为194GPa，泊松比V为0.3，厚度h为0.25mm，中h表示金属薄片(2)和补偿金属薄片(4)材料的厚度。
【文档编号】G01L1/24GK205449355SQ201620245343
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】张鹏, 赖金星, 刘厚全, 程飞, 周慧, 冯志华
【申请人】长安大学