专利名称：光纤光栅应变传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器领域，尤其涉及一种光纤光栅应变传感器。
背景技术：
目前，在大型低温工程如航天技术、加速器、聚变堆、散裂中子源、大型超导磁体等 系统中，均涉及复杂的运行环境。其中，最重要的是构件的力学性能，因为在低温、辐照、磁 场、大电流等环境下，构件的应力、应变腐蚀、失超、蠕变、疲劳断裂等失效行为是导致系统 毁坏的主要原因。对于航天技术中的运载火箭液氢液氧发动机，航天飞机燃料箱、机翼隔热面板等 不但要监控温度，更重要的是监控材料和部件应力应变的参数。大型超导磁体是电力储能、 限流以及粒子加速器的核心部件，然而超导磁体系统中由于超导磁体的磁感应强度和电流 密度都很高，能够产生很大的洛仑兹力，这个力在超导磁体设计、制造和运行中会引起应力 集中，它不仅能破坏结构以致磁体损坏，而且还能破坏超导体和绝缘体。可见，在大型低温 工程中，许多材料和部件处于超低温、强磁场、中子辐照、高压、真空等多种极端环境中，其 应力和应变分布特性采用传统的方法是很难实现方便可靠预测的。现有技术中，传统的电阻应变计因磁阻效应的存在，需要很复杂的屏蔽封装，这样 使得其结构复杂，更不能进行长距离的大规模结构组网监测。
发明内容
本发明实施例提供了一种光纤光栅应变传感器，能够提供一种在大型低温工程下 进行应变在线监测的光纤光栅传感器，有效消除复杂恶劣环境下电磁干扰的影响，确保监 测数据可靠，提高了应变监测性能。本发明实施例提供了一种光纤光栅应变传感器，所述传感器包括菱形应变基座和 光纤光栅，其中所述光纤光栅的栅区两端分别固定在所述菱形应变基座的一条轴上；所述菱形应变基座的另一条轴分别固定在被测基体上，该菱形应变基座能将其受 到形变转换为所述光纤光栅的波长变化。所述菱形应变基座利用热缩冷胀效应，使得所述光纤光栅在超低温状态下被自动 拉伸。所述该菱形应变基座能将其受到形变转换为所述光纤光栅的波长变化，具体包 括当所述被测基体发生形变时，所述菱形应变基座固定在被测基体上的轴两端距离发生变化，导致所述菱形应变基座另一固定有所述光纤光栅的轴两端距离发生相反方向的 变化，并最终反映为所述光纤光栅的波长变化量。所述光纤光栅采用激光焊接或玻璃焊接的方式固定在所述菱形应变基座的一条 轴上；
所述菱形应变基座的另一条轴采用焊接方式固定在所述被测基体上。由上述所提供的技术方案可以看出，所述传感器包括菱形应变基座和光纤光栅， 其中所述光纤光栅的栅区两端分别固定在所述菱形应变基座的一条轴上；所述菱形应变 基座的另一条轴分别固定在被测基体上，该菱形应变基座能将其受到形变转换为所述光纤 光栅的波长变化。通过上述传感器的结构，就能够提供一种在大型低温工程下进行应变在 线监测的光纤光栅传感器，有效消除复杂恶劣环境下电磁干扰的影响，确保监测数据可靠， 提高了应变监测性能。
图1为本发明实施例所提供光纤光栅应变传感器的结构示意图；图2为本发明实施例所举出的在拉伸实验板上进行试验的结构示意图；图3为本发明实施例所举出的在拉伸实验板上进行受力的分析结果示意图；图4为本发明实施例所举出的在拉伸实验板上温度变化的分析结果示意图；图5为本发明实施例所举实例中根据实测数据绘制的波长随应变变化的关系曲 线示意图。
具体实施例方式本发明实施例提供了一种光纤光栅应变传感器，能够实现在大型低温工程下进行 应变在线监测，并有效消除复杂恶劣环境下电磁干扰的影响，确保监测数据可靠，提高了应 变监测性能。为更好的描述本发明实施例，现结合附图对本发明的具体实施方式
进行说明，如 图1所示为本发明实施例所提供光纤光栅应变传感器的结构示意图，图1中包括菱形应变 基座1和光纤光栅2，其中所述光纤光栅2的栅区两端分别固定在所述菱形应变基座1的一条轴上，在图1 中该光纤光栅2的栅区两端固定在3和4上。所述菱形应变基座1的另一条轴分别固定在被测基体上，在图1中该菱形应变基 座1可通过5和6固定在被测基体上。同时，该菱形应变基座1能将其受到形变转换为所 述光纤光栅的波长变化。具体来说，当所述被测基体发生形变时，所述菱形应变基座固定在 被测基体上的轴两端距离发生变化，导致所述菱形应变基座另一固定有所述光纤光栅的轴 两端距离发生相反方向的变化，并最终反映为所述光纤光栅的波长变化量。在本发明实施例中，之所以采用光纤光栅，是由于光纤光栅是温度、应变、压力、位 移等物理量的优异测量敏感元件，且与传统传感器相比，该光纤光栅传感器具有容量大、全 光型、不受电磁辐射干扰和高精度等优点；因此光纤光栅可用于强磁场、超低温结构的长距 离、长期监测。在具体实现过程中，该菱形应变基座可以利用热缩冷胀效应，使得光纤光栅在超 低温状态下能够被自动拉伸。在本实施例中，该光纤光栅采用激光焊接或玻璃焊接的方式固定在所述菱形应变 基座的一条轴上；且该菱形应变基座的另一条轴采用焊接方式固定在所述被测基体上。通过上述传感器的结构，就能够提供一种在大型低温工程下进行应变在线监测的光纤光栅传感器，有效消除复杂恶劣环境下电磁干扰的影响，确保监测数据可靠，提高了应 变监测性能。下面以具体的试验实例来对上述光纤光栅应变传感器的性能进行详细描述，为清 楚了解这种光纤光栅应变传感器的性能，可采用PROE软件的有限元分析方法对此结构进 行了力学和热力学分析，以便模拟光纤光栅应变传感器焊接到拉伸实验板上的结构，如图2 所示为本发明实施例所举出的在拉伸实验板上进行试验的结构示意图，图2中拉伸实验板 一端加轴向载荷，另一端设置为约束端，其分析结果如图3所示，图3中可以看出在拉伸实 验板收到拉力作用时，该光纤光栅应变传感器的3、4两端距离反而是变小的，因而固定在 3、4的光纤光栅的光栅波长也跟随着减小。然后，模拟温度从20°C变化到_196°C时的情况，其分析结果如图4所示，图4中可 以看出随着温度的降低，该光纤光栅应变传感器的3、4两端距离是增大的，因而固定在3、 4的光纤光栅的光栅波长也随着增大。从上述的试验过程可知，该光纤光栅应变传感器具有特殊的力学性能和热力学性 能，即受拉时光栅波长变小，遇冷时波长变大；这样就可以利用这种独特的性能，制作出能 用于液氮环境中测试应变的传感器。下面在通过具体的试验过程计算出该光纤光栅应变传感器的应变系 数，由于从室 温到液氮温度范围内，金属材料的弹性模量、热膨胀系数，以及光纤光栅的热光系数、弹光 系数均是非线性变化过程，因此想要精确地计算出传感器的应变系数是非常困难的。因此， 可以采用低温拉伸实验装置和低温应变计，来测量该光纤光栅应变传感器的应变系数。在具体实现过程中，分别记录该光纤光栅应变传感器在常温、以及放入液氮的中 心波长分别为1539. 402nm和1541. 704nm，其波长增大了 2. 302nm，这与理论分析相接近；当 液氮保持稳定后，再进行加载；通过观测应变计，首先将实验板拉伸到1000 μ ε左右，保持 5分钟之后卸载，进行3次预拉循环后，开始逐级加载，加载步长为2ΚΝ ；实验时进行加载、卸 载两个循环测试，分别记录每个测试点的载荷、应变、波长值；然后，据此实测数据绘制的波 长随应变变化的关系曲线如图5所示，从而拟合的直线方程如下所示ε = -718. 5λΒ+1107706. 0上式中，λ 单位为nm，该光纤光栅应变传感器的应变系数为-0.7185 μ ε/pm, 实验中所用的光纤光栅分析仪的分辨率为lpm，因此该光纤光栅应变传感器的最小分辨率 为0. 7个微应变，其线性度达到了 0. 999845。从而也证实了理论分析结果，即传感器受拉 时，光栅中心波长是变小的。综上所述，本发明实施例能够提供一种在大型低温工程下进行应变在线监测的光 纤光栅传感器，可以有效消除复杂恶劣环境下电磁干扰的影响，确保监测数据可靠，提高了 应变监测性能。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。
权利要求
一种光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述传感器包括菱形应变基座和光纤光栅，其中所述光纤光栅的栅区两端分别固定在所述菱形应变基座的一条轴上；所述菱形应变基座的另一条轴分别固定在被测基体上，该菱形应变基座能将其受到形变转换为所述光纤光栅的波长变化。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述菱形应变基座利用热缩冷胀效应，使 得所述光纤光栅在超低温状态下被自动拉伸。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述该菱形应变基座能将其受到形变转 换为所述光纤光栅的波长变化，具体包括当所述被测基体发生形变时，所述菱形应变基座固定在被测基体上的轴两端距离发 生变化，导致所述菱形应变基座另一固定有所述光纤光栅的轴两端距离发生相反方向的变 化，并最终反映为所述光纤光栅的波长变化量。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述光纤光栅采用激光焊接或玻璃焊接的方式固定在所述菱形应变基座的一条轴上；所述菱形应变基座的另一条轴采用焊接方式固定在所述被测基体上。
全文摘要
本发明实施例提供了一种光纤光栅应变传感器，所述传感器包括菱形应变基座和光纤光栅，其中所述光纤光栅的栅区两端分别固定在所述菱形应变基座的一条轴上；所述菱形应变基座的另一条轴分别固定在被测基体上，该菱形应变基座能将其受到形变转换为所述光纤光栅的波长变化。通过上述传感器的结构，就能够提供一种在大型低温工程下进行应变在线监测的光纤光栅传感器，有效消除复杂恶劣环境下电磁干扰的影响，确保监测数据可靠，提高了应变监测性能。
文档编号G01B11/16GK101832762SQ201010177419
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者倪正华, 叶晓平 申请人:北京品傲光电科技有限公司