专利名称：一种光纤光栅路面应变传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种应变传感器，尤其是涉及一种光纤光栅路面应变传感器。
背景技术：
疲劳是路面设计标准之一，沥青混凝土的疲劳失效与沥青层底拉应变值的大小相 关。准确测得在实际车辆荷载作用下沥青层底的应变响应对路面的设计、施工和维护有重 要的意义。 通常混凝土路面的应变测量采用传统的电信号传感器，但是混凝土路面施工条件 恶劣，存在高温、高压和碾压、扭曲等不利因素，易造成传统的电信号传感器成活率很低；同 时由于外界电磁噪声的干扰，传统的电信号传感器的测量结果极易受到这些干扰的影响， 因此不适合于工程现场应用；此外，传统的电信号传感器的抗潮、抗腐蚀能力较弱，极易影 响混凝土路面的应变测量结果。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单，具有良好地抗潮、抗腐蚀
能力，应变测量精度高，适合沥青路面长期变形监测的光纤光栅路面应变传感器。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为一种光纤光栅路面应变传感
器，包括基座和探头，所述的基座的顶部设置有用于对所述的探头进行限位的导向槽，所述
的基座中设置有与所述的导向槽相连通的第一置放槽，所述的探头的下部置放于所述的导
向槽内与所述的导向槽相互配合，所述的探头的底部设置有与所述的第一置放槽位置相对
应的第二置放槽，所述的第二置放槽内设置有敏感元件，所述的敏感元件的上部位于所述
的第二置放槽内，所述的敏感元件的下部伸入所述的第一置放槽内。 所述的敏感元件包括保护封装套和设置于所述的保护封装套内的光纤光栅。 所述的保护封装套上设置有第一固定部和第二固定部，所述的第一固定部位于所
述的第一置放槽内与所述的基座相连接，所述的第二固定部与所述的第二置放槽相连接。 所述的基座的底部设置有引出孔，所述的光纤光栅的末端连接有尾纤，所述的尾
纤的一端通过所述的引出孔伸出至所述的基座外，所述的尾纤外连接有传输光纤。 所述的基座中设置有分别与所述的第一置放槽和所述的引出孔相连通的填充槽，
所述的保护封装套的下部通过所述的第一置放槽伸入所述的填充槽内，所述的传输光纤的
一端位于所述的填充槽内，所述的填充槽内填充有保护填充物；在此，保护填充物可采用现
有的耐高温的玻璃胶或其他任意成熟的耐高温的填充物。 所述的传输光纤外依次设置有铠装钢丝和光纤保护层，所述的光纤保护层采用防 腐蚀的材料制成。 所述的探头呈柱状，所述的探头的外壁上设置有至少一个棱角，所述的基座的顶
部设置有与所述的导向槽相连通且用于与所述的棱角相配合的棱角槽。 所述的探头为三棱柱，或为四棱柱，或为其他多棱柱。
3[0013] 所述的基座的底部设置有至少一个安装孔，所述的安装孔内连接有用于传感器安 装时辅助定位且可拆卸的支撑杆，所述的支撑杆包括支撑部和连接部，所述的连接部伸入 所述的安装孔内与所述的安装孔相互配合。 所述的基座外涂抹有原子灰形成原子灰层，所述的原子灰层外喷涂有耐腐蚀性能
良好的自喷漆形成自喷漆层；涂抹原子灰及喷涂自喷漆主要是为了保护基座不因外界环境
因素而被腐蚀，因此实际上基座也可直接采用耐久性能良好且具有防腐蚀能力的金属材料
制成，如采用不锈钢材料，这样在基座外就无需再涂抹原子灰和喷涂自喷漆了 。 与现有技术相比，本实用新型的优点在于利用包含有光纤光栅的敏感元件进行应
变测量，光纤光栅是一种性能优良的应变传感元件，其抗潮、抗腐蚀能力强，抗干扰能力强，
不受电磁场干扰，也不影响外界电磁场，电绝缘性能好，耐久性好，测量灵敏度高、测量精度
高，可方便改变量程，可组成分布式测量；在使用本传感器时，将本传感器埋设于路面中，当
路面(被测物体)发生变形时，探头受到载荷作用感受路面(被测物体)的变形，从而使
探头带动传感元件光纤光栅协同变形，光纤光栅分担路面(被测物体)的变形，再通过数
学方法解释这种耦合作用得到光纤光栅中心波长和应变的关系，从而实现对路面变形的监
测，且应变测量精度较高，适合沥青路面长期变形监测，通过利用监测结果可以有效评估路 面的载荷和变形情况。探头的设置主要是为了增大光纤光栅的测量灵敏度，在使用本传感 器时，由探头直接感受路面(被测物体)的变形；将粘接有敏感元件的探头置放于导向槽 内，不仅确保了光纤光栅只沿轴向受力，即只在测量方向上发生变形，而且避免了光纤光栅 的弯曲和扭转，有效保证了应变测量的准确度，同时导向槽对探头起到了限位作用，有效防 止了本传感器受到冲击破坏。通过导向槽对探头的限位及基座上安装的支撑杆，可在确保 本传感器的传感特性不受到影响的前提下，提高安装可靠性，避免扭曲和碾压对本传感器 进行应变测量的影响，有效保证了应变测量精度，同时保证了本传感器在恶劣施工条件下 的成活率。基座、探头及支撑杆均采用耐久性能良好且防腐蚀能力强的金属材料如不锈钢 材料制成，或在它们采用一般金属材料制成时，在外面再涂抹原子灰及喷涂自喷漆，这样可 有效提高本传感器的抗腐蚀能力，保证了本传感器的正常工作不受影响，同时延长了本传 感器的使用寿命。在导向槽与探头之间的空隙处及引出孔与光纤保护层的空隙处均填充有 耐高温的软胶如玻璃胶，可有效防止沥青渗入传感器内部而影响本传感器的性能。此外，本 实用新型结构简单、造价低，不受电磁场干扰，在有效保护了光纤光栅的前提下，可以很好 地实现对沥青路面的应变进行监测，适合于工程现场应用，并且可以根据工程需要设计出 不同量程和不同精度。
图1为本实用新型的剖视示意图； 图2为本实用新型的俯视示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。 近年来光纤传感技术得到了长足的发展，它是适用于长期监测的理想传感元件， 尤其适用于土木工程结构。基于光纤光栅的传感器是光纤光栅作传感元件的功能性传感器，具有其他类型光纤传感器无可比拟的优点，主要有结构简单，可以根据被测结构的外 形改变传感器的形状，满足实测时对传感器的大体积要求；通过改变结构的物理参数，可以 方便地改变量程；可靠性好，抗干扰性强，而且易构成传感网络等。目前，光纤光栅传感器已 经广泛用于土木工程、航空航天、石油化工、医学、环境工程等领域。因此，本发明提出了一 种新型的光纤光栅路面应变传感器，如图所示，该传感器包括由金属材料制成的基座1和 探头2，基座1的顶部设置有用于对探头2进行限位的导向槽ll，基座1中设置有与导向槽 11相连通的第一置放槽12，基座1的底部设置有引出孔13及分别与第一置放槽12和引 出孔13相连通的填充槽14，探头2的下部置放于导向槽11内与导向槽11相互配合，导向 槽11用于限定本传感器的量程并起到保护探头2和对探头2进行限位的作用，探头2的底 部设置有与第一置放槽12位置相对应的第二置放槽21，第二置放槽21内设置有敏感元件 22，敏感元件22的上部位于第二置放槽21内，敏感元件22的下部伸入第一置放槽12内。 在此具体实施例中，敏感元件22包括保护封装套23和埋设在保护封装套23内的 传感元件光纤光栅24，保护封装套23的设置主要是为了保护脆弱的光纤光栅24，防止本传 感器在工作时光纤光栅24因外部作用力而断裂；保护封装套23上一体设置有第一固定部 231和第二固定部232，第一固定部231位于第一置放槽12内与基座1相连接，第二固定部 232 —般设置于保护封装套23的顶部且与设置于探头2的底部的第二置放槽21相连接，这 样通过探头2增大了光纤光栅24的测量灵敏度，在使用本传感器时，由探头2直接感受路 面的变形；光纤光栅24的末端连接有尾纤25，尾纤25的一端通过引出孔13伸出至基座1 外，尾纤25外连接有传输光纤3，传输光纤3外依次设置有铠装钢丝31和光纤保护层32， 光纤保护层32采用防腐蚀的材料制成，如PVE(聚乙烯基乙醚)材料，由于光纤光栅24是 不能承受剪应力的，而土木工程又是粗放施工的，对尾纤25的保护是必要的，在本实施例 中通过在传输光纤3外设置一层铠装钢丝31，达到保护尾纤25和传输光纤3的目的，在布 设本传感器时，可在传输线路上设置一个保护箱(图中未示出)，设置有铠装钢丝31的传输 光纤3放置在保护箱内，这样可有效防止传输光纤3和引出的尾纤25的损坏；设置于光纤 光栅24外的保护封装套23的下部通过第一置放槽12伸入填充槽14内，设置于尾纤25外 的传输光纤3的一端位于填充槽14内，填充槽14内填充有保护填充物15。 在此具体实施例中，保护封装套23由FRP(Fiber Reinforcing Package，纤维增强 封装)材料制成；利用现有的耐高温的玻璃胶将第一固定部231与基座1进行粘接连接，同 样利用现有的耐高温的玻璃胶将第二固定部232与第二置放槽21的槽底进行粘接连接；保 护填充物15可采用现有的耐高温的玻璃胶或其他任意成熟的耐高温的填充物。 在此具体实施例中，探头2可采用普通金属材料制成，也可采用耐久性能良好且 具有防腐蚀能力的金属材料制成，探头2呈圆柱状，探头2的外壁上设置有两个棱角26，基 座1的顶部设置有与导向槽11相连通且用于与棱角26相配合的棱角槽17，两个棱角26可 只设置在探头2的下部，即位于导向槽11的那部位；探头2也可采用其他结构，如将其设计 成三棱柱，或四棱柱，或其他多棱柱，只要确保探头2只能在垂直方向上可移动即可，即确 保探头2只有一个自由度，这样将粘接有敏感元件22的探头2置放于导向槽11内，不仅确 保了光纤光栅24只沿轴向受力，即只在测量方向上发生变形，而且避免了光纤光栅24的弯 曲和扭转，有效保证了应变测量的准确度。 在此具体实施例中，在基座1的底部的外壁上设置有三个安装孔16，每个安装孔16内均连接有用于传感器安装时辅助定位且可拆卸的支撑杆4，支撑杆4可采用普通金属 材料制成，也可采用耐久性能良好且具有防腐蚀能力的金属材料制成，支撑杆4包括支撑 部41和连接部42，连接部42伸入安装孔16内与安装孔16相互配合，可采用螺纹连接方 式，如在连接部42上设置外螺纹，在安装孔16上设置内螺纹，也可采用其他现有的连接方 式。 在此具体实施例中，当基座1、探头2和支撑杆4采用一般金属材料制成时，需在基 座l外涂抹有原子灰(图中未示出)形成原子灰层(图中未示出)，原子灰层外喷涂有耐腐 蚀性能良好的自喷漆(图中未示出)形成自喷漆层(图中未示出)，设置原子灰层和自喷漆 层的主要目的是为了防止雨水等腐蚀介质直接腐蚀基座1及其他金属部位，以提高本传感 器的耐久性和实用性；在实际过程中，是在各个组成部件的缝隙处涂抹原子灰，利用原子灰 抹平各个缝隙部位，刮平打磨好后再用自喷漆进行喷涂。当基座1直接采用耐久性能良好 且具有防腐蚀能力的金属材料制成，如采用不锈钢材料，这样在基座1外就无需再涂抹原 子灰和喷涂自喷漆了，因此，探头2和支撑杆4也可以直接采用不锈钢材料制成，这样也可 以不用涂抹原子灰。 在此具体实施例中，导向槽ll与探头2之间的空隙处填充有现有的耐高温的软 胶，如耐高温的玻璃胶；探头2与导向槽11在垂直方向上的间隙可根据不同量程进行改变； 引出孔13与光纤保护层32的空隙处填充有现有的耐高温的玻璃胶。 安装本实用新型的传感器时，先将光纤光栅24埋设到保护封装套23中，由光纤光 栅24和保护封装套23构成敏感元件22，利用现有的耐高温的玻璃胶将设置于保护封装套 23上的第二固定部232与设置于探头2的底部的第二置放槽21的槽底进行粘接连接，将连 接有敏感元件22的探头2安装到基座1的导向槽11内，第一固定部231与保护封装套23 的下部伸入第一置放槽12内，利用耐高温的玻璃胶将第一固定部231与基座1进行牢固粘 接，再在导向槽11与探头2之间的空隙处填充耐高温的软胶如玻璃胶，连接在光纤光栅24 的末端的尾纤25穿入设置有铠装钢丝31的传输光纤3中，将设置于铠装钢丝31外的光纤 保护层32与基座1进行连接，再将保护填充物15灌入基座1的填充槽14内，在适应的温 度下进行烘干处理，将支撑杆4安装到安装孔16内，最后在整个传感器外涂抹原子灰形成 一层原子灰层，再在原子灰层外喷上耐腐蚀性能良好的自喷漆。安装完成后，确定好本传感 器的量程和精度。
权利要求一种光纤光栅路面应变传感器，其特征在于包括基座和探头，所述的基座的顶部设置有用于对所述的探头进行限位的导向槽，所述的基座中设置有与所述的导向槽相连通的第一置放槽，所述的探头的下部置放于所述的导向槽内与所述的导向槽相互配合，所述的探头的底部设置有与所述的第一置放槽位置相对应的第二置放槽，所述的第二置放槽内设置有敏感元件，所述的敏感元件的上部位于所述的第二置放槽内，所述的敏感元件的下部伸入所述的第一置放槽内。
2. 根据权利要求1所述的一种光纤光栅路面应变传感器，其特征在于所述的敏感元件包括保护封装套和设置于所述的保护封装套内的光纤光栅。
3. 根据权利要求2所述的一种光纤光栅路面应变传感器，其特征在于所述的保护封装套上设置有第一固定部和第二固定部，所述的第一固定部位于所述的第一置放槽内与所述的基座相连接，所述的第二固定部与所述的第二置放槽相连接。
4. 根据权利要求2或3所述的一种光纤光栅路面应变传感器，其特征在于所述的基座的底部设置有引出孔，所述的光纤光栅的末端连接有尾纤，所述的尾纤的一端通过所述的弓I出孔伸出至所述的基座外，所述的尾纤外连接有传输光纤。
5. 根据权利要求4所述的一种光纤光栅路面应变传感器，其特征在于所述的基座中设置有分别与所述的第一置放槽和所述的引出孔相连通的填充槽，所述的保护封装套的下部通过所述的第一置放槽伸入所述的填充槽内，所述的传输光纤的一端位于所述的填充槽内，所述的填充槽内填充有保护填充物。
6. 根据权利要求5所述的一种光纤光栅路面应变传感器，其特征在于所述的传输光纤外依次设置有铠装钢丝和光纤保护层，所述的光纤保护层采用防腐蚀的材料制成。
7. 根据权利要求6所述的一种光纤光栅路面应变传感器，其特征在于所述的探头呈柱状，所述的探头的外壁上设置有至少一个棱角，所述的基座的顶部设置有与所述的导向槽相连通且用于与所述的棱角相配合的棱角槽。
8. 根据权利要求6所述的一种光纤光栅路面应变传感器，其特征在于所述的探头为三棱柱，或为四棱柱，或为其他多棱柱。
9. 根据权利要求1至3中任一项所述的一种光纤光栅路面应变传感器，其特征在于所述的基座的底部设置有至少一个安装孔，所述的安装孔内连接有用于传感器安装时辅助定位且可拆卸的支撑杆，所述的支撑杆包括支撑部和连接部，所述的连接部伸入所述的安装孔内与所述的安装孔相互配合。
10. 根据权利要求9所述的一种光纤光栅路面应变传感器，其特征在于所述的基座外涂抹有原子灰形成原子灰层，所述的原子灰层外喷涂有耐腐蚀性能良好的自喷漆形成自喷漆层。
专利摘要本实用新型公开了一种光纤光栅路面应变传感器，包括基座和探头，基座的顶部设置有用于对探头进行限位的导向槽，基座中设置有与导向槽相连通的第一置放槽，探头的下部置放于导向槽内与导向槽相互配合，探头的底部设置有与第一置放槽位置相对应的第二置放槽，第二置放槽内设置有敏感元件，敏感元件的上部位于第二置放槽内，敏感元件的下部伸入第一置放槽内，将本传感器埋设于路面中，当路面发生变形时，探头受到载荷作用感受路面的变形，从而使探头带动传感元件光纤光栅协同变形，光纤光栅分担路面的变形，再通过数学方法解释这种耦合作用得到光纤光栅中心波长和应变的关系，从而实现对路面变形的监测，且测量精度较高，适合沥青路面长期变形监测。
文档编号G01B11/16GK201508166SQ20092019719
公开日2010年6月16日 申请日期2009年9月24日 优先权日2009年9月24日
发明者冷志鹏, 李宏伟 申请人:宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司