专利名称：光纤光栅竖向应变传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感领域，特别是一种用于测量浙青路面竖向应变的光纤光栅竖向应变传感器。
背景技术：
20世纪以来，我国公路交通建设以前所未有的速度向前发展。我国高等级公路95%以上的路面均为浙青路面，其原因是它具有下列诸多良好的性能:(1)足够的力学强度，浙青路面能很好地承受车辆荷载施加到路面上的各种作用力；(2) —定的弹性和塑性变形能力，能承受荷载而不破坏；(3)与汽车轮胎的附着力较好，可保证行车安全；(4)塑性性能带来的高度的减震性，可使汽车快速行驶，平稳而无噪声；(5)不扬尘，容易清扫和冲洗；(6)维修简便，且浙青路面可再生利用。不过，我们也应该清楚地认识到，由于我国高等级公路的建设起步较晚，技术力量的储备较少，经济基础较差；以及我国的气候和交通荷载条件恶劣，车辆超载严重，优质的道路石油浙青等原材料投入不足等原因，铺筑的浙青路面结构还存在种种问题。一些路段的建设水平并不如人意，甚至通车几年就发生了车辙、开裂、泛油、坑槽等早期损坏现象，同时由于缺乏先进的浙青路面监测设备，因此一旦损坏，就不得不通过开挖来查找原因，不但对社会、交通造成了很大的影响，在经济上也造成了很大的损失，近年来，如何预防浙青路面的病害已经引起我国道路工作者的高度重视。路面损坏是多种因素合力共同造成的，有些可通过表面的直观观察分析得出原因，但大部分病害源自面层以下结构所受的各种力的共同作用，无法通过直观观察分析原因。因此，如何了解浙青路面在不同荷载作用下各结构层之间的荷载传递规律、应变规律显得非常重要，而这些规律往往是变化的。所以，对于浙青路面来说，建立一个长期、有效的测试及监测系统，是一个亟待解决的问题在浙青路面应变测试中，电阻式应变片始终占据主导地位，且主要用于理论验证路面结构研究断面上布设了应变片。浙青路面结构层应变测试，一般是采用试件块直接粘贴应变片的方法，然后将试件块埋设到测试位置。实践表明上述方法具有一些缺点:试件块与结构层难以很好地结合，防潮效果差，应变片焊点易脱落。许多试验结果证明，修筑试验路埋设的应变计测得的数据比较离散。振弦式应变传感器因体积较大而未见用于浙青路面现场测试。在专利(201020609301.1)中，公开了一种埋入式路面竖向FBG应变传感器，它是由光纤布拉格光栅、光纤、纤维增强树脂、金属上锚头、金属下锚头、左稳定位趾、光缆出现口、右稳定位趾和中稳定位趾。该发明光纤布拉格光栅置于纤维增强树脂内部，但其没有涉及温补光纤光栅，故该发明所涉及传感器受温度影响较大。上述传感器用于浙青路面应变测试尚存在一些问题需要解决。传感器自身模量高、尺寸大，作为一个异体改变了介质原来的应力场，必然也改变了应变场，由此产生了测试数据的偏差。
发明内容
为了克服现有背景技术的不足之处，本发明提供一种用于测量路基外力作用下产生竖向应变的光纤光栅竖向应变传感器。为实现以上目的，本发明采用下述技术方案:光纤光栅竖向应变传感器，包括固定基座、内空支柱、光纤、敏感光栅，所述的固定基座包括上基座和下基座，且内空支柱设于上基座和下基座之间，所述的敏感光栅设于光纤上，且所述的敏感光栅黏贴于内空支柱的内壁上，所述的光纤从上基座的侧面穿入，穿过内空支柱，从下基座的侧面穿出，且穿过上基座、下基座的那部分光纤上设有温补光栅，光纤的两端与光纤光栅解调仪相连。所述的上基座的侧面和下基座的侧面在内空支柱的同一侧。在所述的内空支柱为内部具有空心体的圆柱体,敏感光栅黏贴在内空支柱的空心体内，且内空支柱的外表面设有保护外壳。 所述的上基座通过固定螺杆与内空支柱连接。在所述的上基座和下基座中，光纤引出的部分设有保护元件。在上基座的侧面和下基座的侧面设有定向螺栓，实现保护传输光纤的作用。所述的光纤在基座和壳体以外的部分包裹有销装光缆外壳。所述敏感光栅与内空支柱通过环氧树脂或光栅镀金属后点焊链接。所述的温补光栅悬空放置于底端的光纤转向孔。在上述技术方案中，敏感光栅与内空支柱通过环氧树脂或光栅镀金属后点焊链接，有效提高应变传递系数；温补光栅悬空放置于底端光纤转向孔中避免外界应力的干扰。在上述技术方案中，所述内空支柱不仅支撑传感器，实现外界应变与光纤光栅轴向应变之间的传递，同时可以通过改变内空支柱中间空隙的占空比实现相同外界压力下传感器所测应变与路基材料应变吻合，减少植入传感器对路基材料应变分布的影响。在上述技术方案中，所述固定螺杆实现传感器一体封装；定向螺杆保护传感器内部尾纤，实现内部尾纤的定向引出，便于传感器的组网。在上述技术方案中，所述光纤转向孔实现光纤走向的变换，有效减小了传感器的竖向高度，使传感器能竖向埋入路基材料中。在上述技术方案中，所述传感器外形尺寸仅为Φ 20 X 30mm使该传感器可直接竖向埋设于不同分层路基材料中，有效检测路基各个分层在外力下应变变化。本发明的有益效果是:光栅竖向应变传感器通过内空支柱实现传感器与所在坏境的材料近似，有效的避免因植入传感器带来基底材料应变分布的改变，实现了路基材料在外界作用力下的竖向应变的测量。
图1为本发明光纤光栅竖向应变传感器剖视图。图2为光纤光栅竖向应变传感器敏感光栅初始中心波长为1535nm及其中心波长与应变之间的对应关系曲线。图中I固定基座，2保护外壳，3内空支柱，4敏感光栅，5固定螺杆，6定向螺杆，7光纤引出保护兀件，8销装光缆,9尾纤，10光纤转向孔，11温补光栅，12上基座，13下基座，14光纤。
具体实施例方式下面结合附图1和附图2对本发明进行详细说明:本发明为光纤光栅竖向应变传感器主要由敏感光栅4、温补光栅11、固定基座1、保护外壳2、内空支柱3、固定螺杆5、定向螺杆6、光纤转向孔10、光纤引出保护兀件7、销装光缆8及尾纤9等组成。固定基座I包括上基座12和下基座13 ;且内空支柱3设于上基座12和下基座13之间，敏感光栅4设于光纤14上,且所述的敏感光栅4黏贴于内空支柱3的内壁上,光纤14从上基座12的侧面穿入，穿过内空支柱3，从下基座的13侧面穿出。上基座12的侧面和下基座13的侧面在内空支柱3的同一侧。内空支柱3的外面设有保护外壳2。上基座12通过固定螺杆5与内空支柱3连接。上基座12和下基座13中，光纤14引出的部分设有光纤引出保护元件7。光纤14与上基座12、下基座13接触的部分设有温补光栅11。该传感器核心敏感元件敏感光栅4通过环氧树脂或光栅镀金后点焊链接于内空支柱3内壁，大大提高外界应变与光纤14应变之间的应变传递系数。光纤转向孔10实现保护悬置与其内的温补光栅11免受外界应力的影响，有效的实现温度补偿的目的，同时实现光纤14的转向大大减小该传感器的竖向高度。因此，该竖向传感器可分布于路基不同层材料中，实现外部应力作用下路基不同层材料应变特性的有效检测。内空支柱3为内部具有空心体的圆柱体，可以通过调节内空支柱3中间空隙的占空比实现传感器应变特性与路基材料吻合，减少植入传感器对路基材料应变分布的影响，从而实现路基材料应变特性的精确测量。使用时将该传感器预埋设于路基材料中，铠装光缆8保护地基材料中的尾纤9并通过尾纤9实现监控室与传感器之间的有效通讯。当地面路基受到外界应力的作用时路基材料发生形变将外界应力作用传递到竖向应变传感器的基座上。传感器基座受到外界应力作用后挤压传感器内部的内空支柱3。内空支柱3受到外界作用力发生应变效应带动光纤光栅中心波长变化。通过光纤光栅解调仪实时解调竖向应变传感器的中心波长，通过传感器标定数据拟合而得的光纤光栅中心波长与外界应变之间关系曲线公式反演路基材料在外力作用下产生的应变值，从而实现路基竖向应变的测量。
权利要求
1.光纤光栅竖向应变传感器，其特征在于:包括固定基座、内空支柱、光纤、敏感光栅，所述的固定基座包括上基座和下基座，且内空支柱设于上基座和下基座之间，所述的敏感光栅设于光纤上，且所述的敏感光栅黏贴于内空支柱的内壁上，所述的光纤从上基座的侧面穿入，穿过内空支柱，从下基座的侧面穿出，且穿过上基座、下基座的那部分光纤上设有温补光栅，光纤的两端与光纤光栅解调仪相连。
2.如权利要求1所述的光纤光栅竖向应变传感器，其特征在于:所述的上基座的侧面和下基座的侧面在内空支柱的同一侧。
3.如权利要求1所述的光纤光栅竖向应变传感器，其特征在于:内空支柱为内部具有空心体的圆柱体,且内空支柱的外表面设有保护外壳。
4.如权利要求1所述的光纤光栅竖向应变传感器，其特征在于:所述的上基座通过固定螺杆与内空支柱连接。
5.如权利要求1所述的光纤光栅竖向应变传感器，其特征在于:在所述的上基座和下基座中，光纤引出的部分设有保护元件。
6.如权利要求1所述的光纤光栅竖向应变传感器，其特征在于:在所述的光纤与上基座、下基座接触的部分设有温补光栅。
7.如权利要求1所述的光纤光栅竖向应变传感器，其特征在于:在上基座的侧面和下基座的侧面设有定向螺栓，实现保护传输光纤的作用。
8.如权利要求1所述的光纤光栅竖向应变传感器，其特征在于:所述的光纤在基座和壳体以外的部分包裹有铠装光缆外壳。
9.如权利要求1所述的光纤光栅竖向应变传感器，其特征在于:所述敏感光栅与内空支柱通过环氧树脂或光栅镀金属后点焊链接。
全文摘要
本发明具体公开了一种光纤光栅竖向应变传感器，包括固定基座、内空支柱、光纤、敏感光栅，所述的固定基座包括上基座和下基座，且内空支柱设于上基座和下基座之间，所述的敏感光栅设于光纤上，且所述的敏感光栅黏贴于内空支柱的内壁上，所述的光纤从上基座的侧面穿入，穿过内空支柱，从下基座的侧面穿出，且穿过上基座、下基座的那部分光纤上设有温补光栅，光纤的两端与光纤光栅解调仪相连。光栅竖向应变传感器通过内空支柱实现传感器与所在坏境的材料近似，有效的避免因植入传感器带来基底材料应变分布的改变，实现了路基材料在外界作用力下的竖向应变的测量。
文档编号G01B11/16GK103148797SQ20131008283
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者王静, 王正方, 隋青美, 王宁, 蒋善超, 杨帅, 李晓飞, 贾磊, 张法业, 曹玉强 申请人:山东大学