專利名稱：光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種工程結構應變和溫度測量裝置，尤其是對土木工程結構在長期使用 過程中的溫度和應變狀態(tài)同時監(jiān)測的傳感器。
背景技術：
目前，基于電阻原理或者振動原理的傳感器安裝于工程結構上，可測量結構的溫度 和應變反應。但是此類傳感器在工程應用中尚有一定的局限性，如容易受到電磁干擾而 產生信號失真、長斯使用過程中會產生漂移和徐變現象、導線復雜等。也有一部分基于 光學原理的應變或者溫度傳感器可用于結構的應變、溫度測量，但是都只是對單一物理 量的測量，不能滿足結構監(jiān)測傳感器集成化的要求。
為了開發(fā)性能更為優(yōu)良的傳感器用于結構的狀態(tài)監(jiān)測，選用基于光纖光柵原理的傳 感器是有效的途徑之一。光纖布拉格光柵傳感(Fiber Bragg Grating， FBG)是一種新 型的傳感原理，它以光波為信號載體，并采用波長調制，不受光強的影響，信號穩(wěn)定， 在土木工程結構的各種場合都具有良好的傳感性能。利用光纖光柵原理制作的應變和溫 度傳感器能有效的測量結構的溫度和應變，且制作出的傳感器具有體積小、測量精度高、 抗電磁干擾、耐腐蝕、可靠性和穩(wěn)定性好、耐久性好等優(yōu)點。
發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是提供一種光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，它能對 工程結構的應變、溫度進行準確的測量；同時，傳感器安裝于結構后，能達到對應變和 溫度的同時測量。
技術方案本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是
本發(fā)明的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，該傳感器包括光纖光柵應變傳感器、 光纖光柵溫度傳感器、第一不銹鋼管、第一環(huán)氧樹脂；其中光纖光柵應變傳感器和光纖 光柵溫度傳感器布置在第一不銹鋼管管腔中，所述第一環(huán)氧樹脂填充在第一不銹鋼管的 管腔中；光纖光柵應變傳感器的第一尾纖和第二尾纖分別穿過第一不銹鋼管的兩端；
所述光纖光柵溫度傳感器包括第二裸光纖光柵、第三環(huán)氧樹脂、第四環(huán)氧樹脂、金屬管、導熱液體；其中金屬管的兩端分別用第三環(huán)氧樹脂、第四環(huán)氧樹脂封閉，金屬管 的管腔中封閉有導熱液體;第二裸光纖光柵的一端穿過第三環(huán)氧樹脂伸入金屬管內的導 熱液體處于管腔中，與第四環(huán)氧樹脂內表面不接觸，第二裸光纖光柵另一端處于金屬管 的管腔外形成第三尾纖，第三尾纖穿過第一不銹鋼管的一端與穿過第一不銹鋼管同一端 的第一尾纖焊接連接。
本發(fā)明的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，所述光纖光柵應變傳感器由第一裸 光纖光柵、第二環(huán)氧樹脂、第二不銹鋼管組成；第一裸光纖光柵布置在第二不銹鋼管中， 所述第二環(huán)氧樹脂填充在第二不銹鋼管中，第一裸光纖光柵的一端從第二不銹鋼管的一 端穿出并在管腔外形成第一尾纖，第一裸光纖光柵的另一端從第二不銹鋼管的另一端穿 出并在管腔外形成第二尾纖；
本發(fā)明的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，第一不銹鋼管是帶凹槽的矩形不銹 鋼片。
本發(fā)明的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，所述金屬管的材質為鋁。 本發(fā)明的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，第一不銹鋼管的橫截面是圓型或者 矩形。
有益效果:利用金屬管封裝的光纖光柵溫度傳感器的溫度測量值對第二不銹鋼管封 裝的光纖光柵應變傳感器進行補償，達到同時測量結構應變和溫度變化的效果，具有精 度高、傳感器集成度高、對結構影響小、抗電磁干擾能力強、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點。另 外，本發(fā)明將封裝了光纖光柵的第二不銹鋼管和金屬管封裝在第一不銹鋼管中，結構簡 單，制作安裝方便。
圖1是本發(fā)明的結構縱剖面構造示意圖； 圖2是A-A方向的剖面構造圖3是光纖光柵應變傳感器14的結構縱剖面構造示意圖； 圖4是光纖光柵溫度傳感器15的結構縱剖面構造示意圖。
圖中有第一尾纖l;第一不銹鋼管2;第一環(huán)氧樹脂3;第二尾纖4;第三尾纖5; 第二不銹鋼管6;第二環(huán)氧樹脂7;第一裸光纖光柵8;第三環(huán)氧樹脂9;金屬管10;
第四環(huán)氧樹脂ll;第二裸光纖光柵12，導熱液體13。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明
如圖1 圖4所示，本發(fā)明的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器包括第一尾纖l; 第一不銹鋼管2;第一環(huán)氧樹脂3;第二尾纖4;第三尾纖5;第二不銹鋼管6;第二環(huán) 氧樹脂7;第一裸光纖光柵8;第三環(huán)氧樹脂9;金屬管10;第四環(huán)氧樹脂ll;第二裸 光纖光柵12，導熱液體13;其中將第二不銹鋼管6采用酒精洗凈烘干后固定于實驗臺 座，第一裸光纖光柵8的光柵段去除涂敷層并用脫脂棉球蘸酒精擦凈后穿過第二不銹鋼
管6，分別在兩端形成第一尾纖1和第二尾纖4，調整實驗臺座使第一裸光纖光柵8具 有一定的預拉應變并保持平直且位于第二不銹鋼管6的中心，在第二不銹鋼管6中灌入 第二環(huán)氧樹脂7，加熱使第二環(huán)氧樹脂7凝固；將金屬管IO采用酒精洗凈烘干后固定 于實驗臺座，利用第四環(huán)氧樹脂11將金屬管10右端封閉，加熱使第四環(huán)氧樹脂ll凝 固，在金屬管10中灌滿導熱液體13，第二裸光纖光柵12的光柵段去除涂敷層并用脫 脂棉球蘸酒精擦凈后剪除右端尾纖，并將第二裸光纖光柵12從左端穿入金屬管10并使 光纖右端與第四環(huán)氧樹脂11內表面有一定距離，第二裸光纖光柵12的另一端在金屬管 10的管腔外形成第三尾纖5，調整實驗臺座使第二裸光纖光柵12位于金屬管中心，利 用第三環(huán)氧樹脂9將金屬管10左端封閉，加熱使第三環(huán)氧樹脂9凝固；將第二不銹鋼 管6封裝的第一光纖光柵8和金屬管10封裝的第二光纖光柵12并排放置于第一不銹鋼 管2中心，在第一不銹鋼管2中灌入第一環(huán)氧樹脂3，加熱使第一環(huán)氧樹脂3凝固；將 第一尾纖1和第三尾纖5在第一不銹鋼管2的外部焊接連接。
第二不銹鋼管6和金屬管10的內徑略大于第一裸光纖光柵8的直徑、璧厚盡量小， 第一不銹鋼管2的內徑比第二不銹鋼管6和金屬管10的外徑之和略大，第一不銹鋼管 2的壁厚可以根據結構測試的實際需要進行調整，第一不銹鋼管2也可換成帶凹槽的矩 形不銹鋼片。金屬管10的材質可為鋁或其他金屬材料；第一不銹鋼管2的橫截面也可 做成圓型或者矩形。
第一不銹鋼管2作為傳感器的外部結構，它主要起保護內部結構和將工程結構的應 變和溫度傳遞給內部結構的作用；第二不銹鋼管6封裝的第一裸光纖光柵8構成應變傳 感器14，金屬管10封裝的第二裸光纖光柵12構成不受應變影響的溫度傳感器15，它 們是傳感器的主體。當結構同時產生應變和溫度變化時，第一不銹鋼管2通過第一環(huán)氧 樹脂3將應變和溫度同時傳遞給第二不銹鋼管6和金屬管10。金屬管10內部的第二裸 光纖光柵12與金屬管10內壁分離，可以自由伸縮，不會由于金屬管10的應變而產生工作波長漂移，而溫度則會通過導熱液體13傳播至第二裸光纖光柵12而引起其工作波 長的漂移，從而通過金屬管10封裝的第二裸光纖光柵12作為溫度傳感器14只能測得 結構的溫度變化。第二不銹鋼管6內部的第一裸光纖光柵8通過第二環(huán)氧樹脂7的傳遞 作用同時感受結構的應變和溫度變化，引起第一裸光纖光柵8工作波長漂移而作為應變 傳感器15。利用溫度傳感器14的溫度測量值對應變傳感器15的波長漂移進行補償， 從而得到結構的應變。
權利要求
1、一種光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，其特征在于該傳感器包括光纖光柵應變傳感器(14)、光纖光柵溫度傳感器(15)、第一不銹鋼管(2)、第一環(huán)氧樹脂(3)；其中光纖光柵應變傳感器(14)和光纖光柵溫度傳感器(15)布置在第一不銹鋼管(2)管腔中，所述第一環(huán)氧樹脂(3)填充在第一不銹鋼管(2)的管腔中；光纖光柵應變傳感器(14)的第一尾纖(1)和第二尾纖(4)分別穿過第一不銹鋼管(2)的兩端；所述光纖光柵溫度傳感器(15)包括第二裸光纖光柵(12)、第三環(huán)氧樹脂(9)、第四環(huán)氧樹脂(11)、金屬管(10)、導熱液體(13)；其中金屬管(10)的兩端分別用第三環(huán)氧樹脂(9)、第四環(huán)氧樹脂(11)封閉，金屬管(10)的管腔中封閉有導熱液體(13)；第二裸光纖光柵(12)的一端穿過第三環(huán)氧樹脂(9)伸入金屬管(10)內的導熱液體(13)處于管腔中，與第四環(huán)氧樹脂(11)內表面不接觸，第二裸光纖光柵(12)另一端處于金屬管(10)的管腔外形成第三尾纖(5)，第三尾纖(5)穿過第一不銹鋼管(2)的一端與穿過第一不銹鋼管(2)同一端的第一尾纖(1)焊接連接。
2、 根據權利要求1所述的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，其特征在于所 述光纖光柵應變傳感器(14)由第一裸光纖光柵(8)、第二環(huán)氧樹脂(7)、第二不銹鋼 管(6)組成；第一裸光纖光柵(8)布置在第二不銹鋼管(6)中，所述第二環(huán)氧樹脂(7)填充在第二不銹鋼管(6)中，第一裸光纖光柵(8)的一端從第二不銹鋼管(6) 的一端穿出并在管腔外形成第一尾纖(1)，第一裸光纖光柵(8)的另一端從第二不銹 鋼管(6)的另一端穿出并在管腔外形成第二尾纖(4)。
3、 根據權利要求1所述的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，其特征在于第 一不銹鋼管(2)是帶凹槽的矩形不銹鋼片。
4、 根據權利要求1所述的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，其特征在于所 述金屬管(10)的材質為鋁。
5、 根據權利要求1所述的光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，其特征在于第一不銹鋼管(2)的橫截面是圓型或者矩形。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光纖光柵應變、溫度同時測量傳感器，它是利用第二不銹鋼管封裝裸光纖光柵形成光纖光柵應變傳感器，利用金屬管封裝裸光纖光柵形成不受應變影響的光纖光柵溫度傳感器，并采用環(huán)氧樹脂將光纖光柵應變傳感器和溫度傳感器并排封裝在第一不銹鋼管中。當傳感器安裝于工程結構上時，在結構發(fā)生應變和溫度變化時，第一不銹鋼管產生變形并通過環(huán)氧樹脂將結構的溫度和應變傳遞給內部的光纖光柵應變傳感器和不受應變影響的光纖光柵溫度傳感器，利用溫度傳感器對應變傳感器的測量值進行補償，達到對結構應變和溫度的同時測量。
文檔編號G01B11/16GK101539403SQ20091002640
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月22日 優(yōu)先權日2009年4月22日
發(fā)明者丁幼亮, 周廣東, 李愛群 申請人:東南大學