一种分布式光纤形状传感器的定位粘贴装置及方法

本发明属于光纤传感器领域，涉及一种分布式光纤形状传感器的定位粘贴装置及方法。

背景技术：

1、光纤形状传感器是一种随着光纤传感技术发展起来的一种新型传感器，其原理是通过在传感器基体表面粘贴光纤来测量基体的应变，再通过形状传感算法计算基体位移。由于具有分布式、高精度、体积小、耐腐蚀、不受电磁干扰等优点，在土木、机械、航空航天等领域应用广泛。然而，在传感器制作过程中，必须将光纤粘贴在基体表面的特定位置，已有研究表明，光纤的定位和粘贴技术直接影响着应变测量的准确性。

2、目前常用光纤粘贴方式有两种，一种是直接在基体表面粘贴光纤，然而光纤的粘贴位置无法精确定位，尤其是当基体为圆柱且直径较小的情况下，应变测量误差急剧增加；另一种是在基体表面开槽以实现光纤的精准定位，然而当基体为记忆合金等硬度较大的材料时，在表面开槽费时费力且费用昂贵，同时单次开槽长度一般仅50厘米，因此在每次开槽的交界处会存在误差。此外，两种方式均通过手动预拉光纤，无法保证光纤具有相同的预紧力，影响光纤的测量范围。同时，手动涂胶无法控制涂胶量。目前没有专门用于在基体表面精准定位粘贴光纤的装置，需要手动定位和手动涂胶，存在定位精度差、效率低、涂胶不均匀等问题，大大影响光纤形状传感器的应用。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种分布式光纤形状传感器的定位粘贴装置及方法，能够解决手动粘贴光纤定位不准确、涂胶不均匀、效率低以及机械开槽价格昂贵等问题。本发明性能可靠、可以控制基体和光纤的预拉程度，并且能够极大的提高光纤定位精度和粘贴质量，显著提高工作效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种分布式光纤形状传感器的定位粘贴装置，所述的定位粘贴装置包括导轨1、固定预拉装置2、移动涂胶装置3、传感器基体4和光纤5。两个固定预拉装置2布置在导轨1两侧，移动涂胶装置3布置于导轨1中部，固定预拉装置2、移动涂胶装置3均能够在导轨上水平移动；所述传感器基体4依次穿过左侧固定预拉装置2、移动涂胶装置3、以及右侧固定预拉装置2，通过两侧固定预拉装置2上的基体固定机构2c和支座移动机构2b对传感器基体4进行固定和预拉伸；所述光纤5依次穿过左侧固定预拉装置2上的光纤预拉机构2d、移动涂胶机构3以及右侧固定预拉装置2上的光纤预拉机构2d，通过两侧的光纤预拉机构2d实现对光纤的固定和预拉伸，保证每根光纤所受的预拉伸力相同；所述移动涂胶装置3通过移动实现在传感器基体4特定位置均匀涂胶，对光纤5进行粘贴。

4、所述的导轨1为双轴导轨，两个轴平行的分布在导轨的两侧；导轨1上表面中间位置雕刻有齿条，齿条的旁边沿导轨长度标注有刻度尺，用于辅助确定粘贴光纤5的长度。可以通过组合导轨1延长粘贴长度。进一步的，所述的导轨1上的两个轴的轴截面形状为圆形。

5、所述的固定预拉装置2包括固定支座2a、支座移动机构2b、基体固定机构2c和光纤预拉机构2d。具体的：

6、所述固定支座2a主体为一个长方体，其正面的下方形状与导轨1上表面相契合，因此，固定支座2a仅可以沿导轨1长度方向水平移动；固定支座2a下表面中间位置为一平面，沿平面向上有一长方体凹槽2a3，且凹槽2a3未贯通长方体；固定支座2a的长方体侧壁有两个贯通的圆孔2a2，且圆孔2a2穿过底部的凹槽2a3，两个圆孔2a2的圆心在一条竖线上；固定支座2a的长方体上表面靠近正面位置固定有一垂直于长方体上表面的立板2a4，立板2a4靠近上部位置有一圆形通孔，立板2a4背面靠近下方位置水平固定有一圆柱体；固定支座2a的长方体上表面靠近背面有一固定板2a5垂直于长方体上表面，固定板2a5上部有一矩形通孔，固定板2a5顶部中间位置有一圆孔，圆孔贯通矩形通孔且有内螺纹，所述矩形通孔的下表面对称分布有两个圆孔。

7、所述支座移动机构2b包括一端带旋转手柄的轴2b1，和依次布置在轴2b1上的弹簧2b2、带拉杆的棘轮2b3、传动齿轮2b4；所述弹簧2b2套在轴2b1上，位于轴2b1旋转手柄和棘轮2b3之间，能够沿轴2b1移动；所述带拉杆的棘轮2b3为中心带有圆形通孔的普通棘轮，套接在轴2b1上，且圆形通孔直径略大于轴2b1的直径，能够沿轴2b1移动，棘轮的背面固定有一带有拉环的拉杆；所述传动齿轮2b4为一个齿轮和普通棘轮的组合体，传动齿轮2b4固定于轴2b1上，不能沿轴2b1移动，能够随轴2b1旋转。

8、以下对支座移动机构2b的安装位置进行说明：所述轴2b1穿过固定支座2a侧面靠下的圆形通孔且可以旋转，在固定支座2a底部凹槽2a3位置，依次将弹簧2b2、带拉杆的棘轮2b3和传动齿轮穿过轴2b1；所述弹簧2b2和带拉杆的棘轮2b3可以沿轴2b1移动，且带拉杆的棘轮2b3的拉环朝向与轴2b1的手柄朝向相同；所述传动齿轮2b4与轴2b1固定，随轴2b1旋转；所述传动齿轮2b4的棘轮面与带拉杆的棘轮2b3的棘轮面相啮合；安装完成后，所述传动齿轮2b4上的齿轮可以与导轨1上的齿条啮合。

9、所述传感器基体固定机构2c包括下定位块2c1、上定位块2c2、双轴压杆2c3和带旋转手柄的螺杆2c4；所述下定位块2c1为一长方体，正面顶部有一半圆形贯通凹槽，顶部对称分布有两个贯通的圆孔；所述上定位块2c2也为一长方体，正面底部有一半圆形贯通凹槽，顶部对称分布有两个贯通的圆孔；所述下定位块2c1、上定位块2c2为对称结构，两个半圆形贯通凹槽对接后为一圆形通孔结构；所述双轴压杆2c3为一长方体，下方对称固定有两个圆柱体，穿过下定位块2c1、上定位块2c2的顶部圆孔；所述带旋转手柄的螺杆2c4的杆上带有外螺纹，带旋转手柄的螺杆2c4向下运动的过程中，挤压2双轴压杆c3的顶部使其同步向下运动。进一步的，所述的上定位块2c2和下定位块2c1上的半圆形贯通凹槽形状可以根据传感器基体的形状而改变。

10、以下对所述传感器基体固定机构2c的安装进行说明：依次将下定位块2c1、上定位块2c2和双轴压杆2c3放置于固定支座2a的固定板2a5上的矩形通孔中；所述双轴压杆2c3下方的两个圆柱体依次穿过上定位块2c2顶部的圆形通孔、下定位块2c1顶部的圆形通孔和矩形通孔底部两个圆孔；所述带旋转手柄的螺杆2c4穿过固定板2a5顶部的圆形通孔，且螺杆的外螺纹与圆形通孔的内螺纹相配合。

11、所述光纤预拉机构2d包括限位板2d1、弹性压片2d2和螺杆2d3。所述限位板2d1主体为一长方形平板，平板靠近底部位置有一圆形通孔，平板靠近顶部位置有一中心圆形通孔a，中心圆形通孔a的周围均匀分布有3个水滴形通孔，所述水滴形通孔一端为圆弧，另一尖端宽度与光纤5直径相同，两端之间平滑过渡，尖端与中心圆形通孔a相连通，水滴形通孔的一端为圆弧状是为了扩大通孔面积，方便光纤5穿过，所述水滴形通孔的位置可以依据光纤在基体上的位置而改变。在中心圆形通孔a的周围还有3个均匀分布的外围圆形通孔b，且外围圆形通孔b内有内螺纹；所述弹性压片2d2具有较好的柔性，一端有圆形限位孔，另一端的下表面有v型凹槽，上表面有一个拨杆。此外，v型槽上有橡胶垫片。

12、以下对所述光纤预拉机构2d的安装进行说明：先将三个弹性压片2d2通过螺丝固定于限位板2d1的外围圆形通孔b位置，三个弹性压片2d2均倾斜朝向限位板2d1的中心圆形通孔a的中心，且弹性压片2d2的拨杆均朝向中心圆形通孔a的外围；然后将限位板2d1通过靠近底部的圆形通孔穿过固定支座2a顶部的立板2a4，最后将螺杆2d3穿过立板2a4靠近顶部的圆形通孔，且螺杆2d3的外螺纹与立板2a4上的圆形通孔的内螺纹相配合。

13、所述移动涂胶装置包括固定支座3a和涂胶机构3b。具体的：

14、所述固定支座3a包括底部导槽3a1、内部轴3a2、门型框架3a3、限位片3a4、变径轴3a5、固定块3a6；所述固定支座3a底座为一长方体，长方体正面底部有贯通的与导轨相契合的底部导槽3a1；所述导槽3a1中间为平面，并且有矩形通孔，通孔内有一平行于正面的内部轴3a2；所述固定支座3a上表面有门型框架3a3；所述门型框架3a3一侧内壁有限位片3a4；所述限位片3a4下方有一个变径轴3a5；所述固定支座3a的上表面靠近正面位置有一个固定块3a6，固定块3a6的一侧有u型凹槽，用于固定胶筒；

15、所述涂胶机构3b包括齿轮3b1、齿轮组3b2、传动齿条3b3、胶筒3b4、柔性输胶管3b5；所述齿轮组3b2为两个同轴不同半径的大小齿轮的组合体；所述传动齿条3b3为一矩形齿条，沿矩形长度方向，中间位置有一在厚度方向贯通的槽；所述胶筒3b4内部设有活塞并装有胶水，一侧有若干个出胶嘴，挤压另一侧的活塞，出胶嘴可挤出胶水；所述柔性输胶管3b5为万向软管，可随意改变形状，用于将胶水传输到要粘贴光纤的位置。

16、以下对所述移动涂胶装置3b的安装进行说明：将齿轮3b1安装在内部轴3a2上，将齿轮组3b2安装于变径轴3a5上，将胶筒3b4固定于固定块3a5侧壁的凹槽内，最后将传动齿条3b3穿过限位片3a4水平放置；所述齿轮3b1与导轨1上的齿条啮合，齿轮组3b2中的大齿轮与齿轮3b1啮合，传动齿条3b3与齿轮组3b2中的小齿轮啮合，所述传动齿条3b3的一端与胶筒3b4内的活塞连接；所述柔性输胶管3b5与胶筒3b4一端的出胶嘴连接。

17、所述的传感器基体4截面通常为圆形，其形状尺寸与下定位块2c1和下定位块2c2对接后形成的通孔的形状尺寸相同。所述的光纤5为分布式光纤。

18、一种分布式光纤传感器的定位粘贴方法，基于上述定位粘贴装置实现，具体包括以下步骤：

19、第一步，将移动涂胶装置3、两个固定预拉装置2安装在导轨1上，移动涂胶装置3位于导轨1中部，两个固定预拉装置2分别在导轨1两侧，移动涂胶装置3和两个固定预拉装置2均能在导轨1上沿轴平移。

20、第二步，将传感器基体4依次穿过左侧固定预拉装置2的基体固定机构2c、光纤预拉机构2d、移动涂胶装置3、以及右侧固定预拉装置2上的光纤预拉机构2d、基体固定机构2c。旋转两侧基体固定机构2c顶部的螺杆2c4，使得双轴压杆2c3向下运动，从而将传感器基体4牢牢的固定在上定位块2c2和下固定块2c1围成的中间圆孔内。所述传感器基体的表面经过打磨和酒精清洗，以便光纤5粘贴的更加牢固。

21、第三步，通过旋转支座移动机构2b中的带旋转手柄的轴2b1，带动固定预拉装置2整体向导轨1两侧移动，实现对传感器基体4的预拉伸和固定作用。由于在弹簧2b2的推力作用下，带拉杆的棘轮2b3的棘轮面与传动齿轮2b4的棘轮面啮合，此时，固定预拉装置2只能单向移动，因此，固定预拉装置2不会因为传感器基体4的反作用力的移动。

22、第四步，分别将三根光纤5穿过两侧光纤预拉机构2d上部对应的水滴形通孔，并利用弹性压片2d2的v型槽将光纤5压紧在传感器基体4表面。在水滴形通孔的作用下光纤5始终保持在传感器基体4上的特定位置。

23、第五步，旋转螺杆2d3，推动左右两侧的限位板2d1向导轨1的两侧移动，带动弹性压片2d2的移动，在弹性压片2d2v型槽的橡胶垫片的摩擦力作用下，带动光纤5在传感器基体4表面移动，实现对光纤5的预拉伸，当光纤5拉伸到一定程度，光纤5内部产生收缩力大于橡胶垫片对光纤5的摩擦力，光纤5不再进行拉伸，保证了不同位置处的光纤5预紧力相同，且不会由于预紧力过大造成光纤5断裂的情况。通过更换摩擦系数不同的橡胶垫片，可以实现对光纤5不同程度的预拉伸。

24、第六步，调整柔性输胶管3b5的形状，使其末端位于需要粘贴光纤的位置，推动移动涂胶装置3从导轨1一侧移动到另一侧，由于齿轮3b1和导轨1上齿条啮合，在移动的同时，带动齿轮3b1旋转，进而带动齿轮组3b2旋转，在齿轮组3b2中小齿轮的转动下，带动传动齿条3b3水平移动，进而推动胶筒3b4内活塞的移动，使得胶水均匀的涂抹在光纤5附近。通过调整齿轮组3b2中大小齿轮的半径比k＝r1：r2，可以改变胶筒3b4的出胶速度。

25、第七步，拉动带拉杆的棘轮2b3上的拉杆，棘轮2b3与传动齿轮2b4上的棘轮分离，反向旋转带旋转手柄的轴2b1，卸除对传感器基体4的预拉作用，取下粘贴完毕的传感器基体4和光纤5。

26、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

27、本发明可以通过光纤预拉机构上的限位板精准定位光纤位置、保证应变测量的准确性；该装置中的移动涂胶装置可以通过改变齿轮组上大小齿轮的半径，调整出胶量，并保证均匀涂胶，同时柔性输胶管保证涂胶位置的准确性；该装置基体固定机构和光纤预拉机构具有分别预拉基体和光纤的功能，保证基体和光纤在粘贴过程中的准直度；该装置可以改变上定位块和下定位块上凹槽的形状用于不同形状和尺寸的基体，适用性强；该装置通过弹性压片和橡胶垫片的组合保证每根光纤上的预拉伸力相同，扩大了光纤的有效量程。采用该装置和方法可以提高传感器的制作质量和精度，显著提高工作效率。