一种光纤光栅应变传感器的制作方法

本发明涉及一种光纤光栅应变传感器，可以应用于-40℃至250℃温度环境下，实现大量程的应变测量，属于光纤传感器领域。

背景技术：

光纤光栅应变传感器是一种应用范围越来越广泛的光纤传感器。当光纤光栅应变发生变化时，反射波长随应变线性变化。检测波长即可得到待测表面的应变信息。

目前光纤光栅应变传感器通常包括封装结构和封装在所述封装结构上的光纤光栅(fbg)。

现有光纤光栅应变传感器在安装时，需要先确定待安装平面的主应力方向，根据主应力方向确定光纤光栅应变传感器的安装角度，安装效率低；当无法确定待安装平面的主应力方向时，无法确定光纤光栅应变传感器的安装角度。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，本发明提供了一种光纤光栅应变传感器，通过将三个封装结构单元集成在一体，且三个封装结构单元三轴等角60°，无需确定主应力方向，即可随时安装传感器，极大地提高了安装效率。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种光纤光栅应变传感器，包括封装组件和封装在所述封装组件上的光纤光栅，所述封装组件包括三个封装结构单元，所述三个封装结构单元串联且相邻两个所述封装结构单元的中心轴夹角为60°，每个所述封装结构单元上均设有一个所述光纤光栅的应变测点安装部位。

在一可选实施例中，相邻两个所述封装结构单元之间通过环形连接部连接。

在一可选实施例中，所述的光纤光栅应变传感器，还包括一温度补偿测点单元，所述温度补偿测点单元与一所述封装结构单元同轴连接。

在一可选实施例中，所述封装结构单元为板状封装，包括两个固支点、两个第一弹性连接部、两个安装部及一个第二弹性连接部，所述两个固支点位于两端，所述两个安装部为所述应变测点安装部位，位于两个所述固支点之间，所述固支点与安装部通过所述第一弹性连接部连接，两个所述安装部通过所述第二弹性连接部连接。

在一可选实施例中，所述第一弹性连接部沿垂直于所述封装结构单元中心轴方向的长度大于所述第二弹性连接部的长度。

在一可选实施例中，所述第一弹性连接部沿垂直于所述封装结构单元中心轴方向的长度小于所述第二弹性连接部的长度。

在一可选实施例中，所述第一弹性连接部和所述第二弹性连接部为环形结构或弓字型弹性结构。

在一可选实施例中，所述封装组件一体成型。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明实施例提供的光纤光栅应变传感器通过将三个封装结构单元集成在一体，且三个封装结构单元三轴等角60°，无需确定主应力方向，即可随时安装传感器，极大地提高了安装效率；

(2)且方便分析待测平面的应变，当无法确定主应力的方向时，可以通过本传感器的测量结果获得主应力方向值；

(3)当待测平面产生应变时，应变通过传感器固支点传递到传感器封装结构上通过设置环形连接部14可以减少各封装结构单元之间的干涉，且还可以保护相邻应变测点之间的缆线；

(4)通过将温度补偿测点单元与结构封装单元同轴设置，使传感器除两端预留尾缆外无多余缆线在封装结构之外，便于安装固定；且温度补偿测点单元是一端自由的状态，不受待测平面形变的影响；

(5)通过将封装结构单元设计成多个部分，各部分之间通过弹性连接部连接，增大了封装结构单元的弹性，有效降低固支点的应力集中，提高固支点应变传递效率；同时，可以通过调整弹性连接部的弹性，设计传感器灵敏度；

(6)由于应变点横跨第二弹性连接部d，当第一弹性连接部b长度大于第二弹性连接部d的长度时，变形更集中于第一弹性连接部b，第二弹性连接部d变形较小，从而可以使fbg的应变小于待测平面的应变，扩大传感器的应变量程，可以应用于由于高温引起热应变较大的情况；

(7)当第一弹性连接部b长度小于第二弹性连接部d的长度时，变形更集中于第二弹性连接部d，从而可以使fbg的应变大于待测平面的应变，可以增加传感器的灵敏度；

(8)第一弹性连接部b和第二弹性连接部d均为环形结构。该结构弹性连接部简单易加工，且环绕缆线设置，对缆线起到保护作用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种光纤光栅应变传感器结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种封装组件结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种光纤光栅应变传感器结构示意图。

具体实施例

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1和图2，本发明实施例提供了一种光纤光栅应变传感器，包括封装组件10和封装在封装组件10上的光纤光栅20，封装组件10包括第一封装结构单元11、第二封装结构单元12及第三结构封装单元13，第一封装结构单元11、第二封装结构单元12及第三结构封装单元13依次串联且相邻两个封装结构单元的中心轴夹角为60°，光纤光栅20包括由一根光纤加工成的三个波长不同的光纤光栅段，即第一光纤光栅段21、第二光纤光栅段22及第三光纤光栅段23，第一封装结构单元11、第二封装结构单元12及第三结构封装单元13均设有一个光纤光栅的应变测点安装部位，分别用于固定第一光纤光栅段21、第二光纤光栅段22及第三光纤光栅段23。

具体地，本发明实施例提供的封装组件10优选由一整片不锈钢材料加工而成，更优选一体成型，以保证封装组件应变均一性；

本发明实施例提供的光纤光栅应变传感器通过将三个封装结构单元集成在一体，且三个封装结构单元三轴等角60°，无需确定主应力方向，即可随时安装传感器，极大地提高了安装效率；且方便分析待测平面的应变，当无法确定主应力的方向时，可以通过本传感器的测量结果获得主应力方向值。

在一可选实施例中，相邻两个所述封装结构单元之间通过环形连接部14连接。当待测平面产生应变时，应变通过传感器固支点传递到传感器封装结构上通过设置环形连接部14可以减少各封装结构单元之间的干涉，且还可以保护相邻应变测点之间的缆线。

在一可选实施例中，所述的光纤光栅应变传感器还包括一温度补偿测点单元30，温度补偿测点单元30包括第四封装结构单元31和第四光纤光栅32，如图2所示，本实施例中，优选第四封装结构单元31与一第三封装结构13单元同轴连接，更优选一体成型，第四光纤光栅段32与第一光纤光栅段21、第二光纤光栅段22及第三光纤光栅段23通过同一线缆制成，且波长各不相同。

通过将温度补偿测点单元与结构封装单元同轴设置，使传感器除两端预留尾缆外无多余缆线在封装结构之外，便于安装固定；且温度补偿测点单元是一端自由的状态，不受待测平面形变的影响。

参见图2，在一可选实施例中，封装结构单元为板状封装，包括两个固支点a、两个第一弹性连接部b、两个安装部c及一个第二弹性连接部d，两个固支点a位于两端，两个安装部c为所述应变测点安装部位，位于两个固支点a之间，固支点a与安装部c通过第一弹性连接部b连接，两个安装部c通过第二弹性连接部d连接。具体地，本发明实施例中，固支点可以采用背面涂胶粘接在待测平面上或采用点焊方式固定，本发明不做限定；通过将封装结构单元设计成多个部分，各部分之间通过弹性连接部连接，增大了封装结构单元的弹性，有效降低固支点的应力集中，提高固支点应变传递效率；同时，可以通过调整弹性连接部的弹性，设计传感器灵敏度。

在一可选实施例中，第一弹性连接部b沿垂直于所述封装结构单元中心轴方向的长度大于第二弹性连接部d的长度。由于应变测点横跨第二弹性连接部d，当第一弹性连接部b长度大于第二弹性连接部d的长度时，变形更集中于第一弹性连接部b，第二弹性连接部d变形较小，从而可以使fbg的应变小于待测平面的应变，扩大传感器的应变量程，可以应用于由于高温引起热应变较大的情况，例如，在-40℃至250℃的环境温度下，可以用一个传感器实现表面应变测量和温度测量，得到被测平面应变及温度的变化。

在一可选实施例中，第一弹性连接部b沿垂直于所述封装结构单元中心轴方向的长度小于第二弹性连接部d的长度。当第一弹性连接部b长度小于第二弹性连接部d的长度时，变形更集中于第二弹性连接部d，从而可以使fbg的应变大于待测平面的应变，可以增加传感器的灵敏度。

图3所示，在一可选实施例中，第一弹性连接部b和第二弹性连接部d均为弓字型弹性结构。如图2所示，在另一可选实施例中，第一弹性连接部b和第二弹性连接部d均为环形结构。该结构弹性连接部简单易加工，且环绕缆线设置，对缆线起到保护作用。在一优选实施例中，第一弹性连接部b和第二弹性连接部d结构均为矩形环形结构，环宽均为0.5mm，第一弹性连接部b的长度为9mm、宽度为3mm，第二弹性连接部d的长度为6mm、宽度为3mm，该结构既便于加工，又能保证具有良好的弹性。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。