專利名稱：一種柱體應力感測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬光纖應力傳感裝置，尤其是涉及一種基于光纖微彎損耗變化的柱體 狀應力傳感裝置。
背景技術：
由于對滑坡、泥石流、地震、以及大型人工建筑物健康監(jiān)測的需要，應力參數監(jiān)測 是技術人員最關心的重要參數之一，傳統(tǒng)的以電和磁為核心的傳感器由于耐久性、抗干擾 能力等方面的缺陷導致其應用范圍比較狹窄。隨著對光纖理解的深入以及光纖技術的發(fā) 展，越來越多的學者傾向于采用光纖技術方案對應力進行點式和分布式監(jiān)測，中國專利申 請?zhí)?00410073021. 2《埋入式微彎光纖傳感器和微彎光纖傳感器埋入與測試方法》的專利 文獻中，提出了一種包含有光纖的多節(jié)短套管構成的蛇形微彎光纖傳感器，其套管間形成 微彎點，相對于傳統(tǒng)的傳感器，其優(yōu)點是抗電磁干擾、適用于多種巖體的檢測、測試精度高、 可以實現分布式監(jiān)測，但該方案中，套管間形成的微彎點的彎曲曲率是隨機的，也可能較 大，也可能較小，當曲率過小時，光纖的強度就會受到影響，甚至很快就斷裂了，造成傳感裝 置的失效，另外微彎點處光纖的保護也明顯不足，但若加強保護，又可能失去以微彎檢測的 條件，或者需要特殊的裝置來保護，又無形中增加了成本。這些都限制了該實用新型的光纖 傳感器的推廣使用。
發(fā)明內容為了克服上述現有技術的不足，本實用新型提供一種基于柱體的光纖應力傳感裝 置，采用的是預制的光纖微彎結構，不僅可以監(jiān)測到應力的變化，同時可以計算出應力的大 小，在有第二信號光纖時，還可以得到應力作用的方向。使本實用新型的光纖應力監(jiān)測裝置 具有使用壽命長、精度高、用途廣的特點。為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案是一種柱體應力感測裝置，其 特征在于在柱體10上分布有縫隙4，縫隙4的相對兩面上分別布設有A側變形齒4-1和B 側變形齒4-2，A側變形齒4-1和B側變形齒4-2相互交錯對應，A側變形齒4_1和B側變 形齒4-2對應布設在信號光纖6的兩側，信號光纖6通過延長光纖1接測試單元5，在測試 單元5后面接處理單元7。當柱體10在應力下變形時，縫隙4的寬度變化，使位于縫隙4的相對兩面上的A側 變形齒4-1和B側變形齒4-2之間的距離也會改變，從而使夾持于兩者變形齒間的信號光 纖6的彎曲曲率變化，這又使信號光纖6的彎曲損耗變化，通過測試單元5可得到信號光纖 6彎曲損耗變化的大小，并傳遞給處理單元7，處理單元7推算出柱體10所受應力的大小。 由于在柱體10上布設有眾多相互對應的變形齒，從而使信號光纖6的有效彎曲部分的長度 大大延長，一方面減少了信號光纖6的彎曲曲率，另一方面提高該裝置的精度，同時也大大 延長了信號光纖6的使用壽命。所述的縫隙4的分布方向是橫向的，即與柱體10的軸向垂直。[0007]所述的縫隙4的分布方向是縱向的，即與柱體10的軸向平行。所述的縫隙4的分布方向是傾斜的，即與柱體10的軸向的夾角是大于零度小于 九十度的。有多條縫隙4平行分布于柱體10上。所述的縫隙4以螺旋的方式分布于柱體10上。所述的縫隙4分布于柱體10的外表面上。所述的縫隙4分布于柱體10的內表面上。所述的縫隙4是包含于柱體10內部的結構。所述的縫隙4的寬度從柱體10的一端到另一端是變化的。所述的柱體4和變形齒的膨脹系數的關系可以補償溫度效應，優(yōu)選的是柱體10的 膨脹系數略大于變形齒的膨脹系數。所述的柱體10的材料是不銹鋼、高分子材料、銅合金材料。在所述的信號光纖6的一端安置有光反射裝置，如光反射鏡、光纖光柵、或在信號 光纖的端面鍍反射膜，或僅僅是將信號光纖的端面處理為鏡面。所述的信號光纖6的另一端通過延長光纖1與1X2光分路器的1 口連接，1X2光分 路器的2 口分別接構成測試單元5的穩(wěn)定光源和光功率計。從柱體10的一端至另一端、分布于柱體10上縫隙4內的變形齒的齒高、齒距或齒 形是變化的，如齒高是遞增或遞減的、齒距是遞增或遞減的、齒形頂端的曲率是遞增或遞減 的。所述的柱體10是軸連接器。信號光纖6或信號光纖8的一部分沒有被所述的分布于柱體10上縫隙4內的變 形齒夾持，或該部分沒有對應的變形齒，該部分的信號光纖6或信號光纖8是緩沖光纖，是 用于吸納或補償其余部分信號光纖6或信號光纖8在彎曲變形時光纖長度的變化。所述的信號光纖6或信號光纖8被防水材料包覆。所述的防水材料是阻水油膏。所述信號光纖6或信號光纖8為外部包有多層光纖保護層的光纖，如緊套光纖、碳 涂覆光纖、聚酰亞胺涂覆光纖等；所述信號光纖6或信號光纖8也可以是塑料光纖、多芯光 纖、細徑光纖或光子晶體光纖。本實用新型與現有技術相比具有以下優(yōu)點1、一種柱體應力感測裝置，是將柱體10與光纖微彎結構結合起來，充分發(fā)揮各自 結構的優(yōu)點，并互相補充，使該傳感器的結構簡單、堅固耐用、設計合理、操作方便且使用方 式靈活、靈敏度高；2、一種柱體應力感測裝置，可以根據需要設計適當的光纖微彎結構，包括增加信 號光纖6或信號光纖8的有效彎曲長度，從而一方面增加了檢測的精度和靈敏度，并可以減 少信號光纖6或信號光纖8的彎曲曲率，從而延長了信號光纖6或信號光纖8的使用壽命， 使該光纖傳感裝置具有使用壽命長、精度高的特點；3、一種柱體應力感測裝置由于可以采用增加信號光纖6或信號光纖8長度的光纖 微彎結構，從而可以使本裝置可以響應更大的應力以及更大的應力作用距離，擴展了該裝 置的使用范圍。[0029]4、一種柱體應力感測裝置中的柱體10可以是軸連接器，可以監(jiān)測輸出力矩或扭 矩的大小。5、一種柱體應力感測裝置中的柱體10可以是經特殊加工的鋼筋、鋼棒或鋼管，或 其他堅固耐用的材料，安置于建筑物中或需監(jiān)測的山體及巖體上，由于該結構具有較強的 環(huán)境適應能力，和高靈敏的監(jiān)測性，所以是一種良好的應力監(jiān)測傳感器。綜上所述，本實用新型結構簡單、設計合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏 度高、使用效果好，匯集了柱體10與光纖微彎結構的優(yōu)勢，并使其具有的優(yōu)勢進一步的放 大，使本實用新型的裝置具有更好的精度、更長的使用壽命、以及更優(yōu)異的環(huán)境適應能力。下面通過附圖和實施例，對實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。

圖1為本實用新型第一具體實施方式
的結構示意圖。圖2為本實用新型第一具體實施方式
中柱體沿的A-A’的剖面結構示意圖。圖3為本實用新型第二具體實施方式
的結構示意圖。圖4為本實用新型第三具體實施方式
的結構示意圖。附圖標記說明1 一延長光纖；4一縫隙；4-1 一A側變形齒；4-2—B側變形齒；5—測試單元；6—信號光纖；7—處理單元；8—第二信號光纖；10—柱體；4-3—第二 A側變形齒；4-4一第二 B側變形齒。
具體實施方式
實施例1如圖1、圖2所示，本實用新型包括一個在柱體10的外表面的縫隙4中的相對兩個 面上分別布設有A側變形齒4-1和B側變形齒4-2，A側變形齒4-1和B側變形齒4_2相互 交錯對應，A側變形齒4-1和B側變形齒4-2對應布設在信號光纖6的兩側，信號光纖6通 過延長光纖1接測試單元5，測試單元5后面接有處理單元7。當柱體10在應力下伸縮變形時，位于柱體10的外表面上的縫隙4中的A側變形 齒4-1和B側變形齒4-2之間的距離也會改變，從而使夾持于兩者變形齒間的信號光纖6 的彎曲曲率變化，這又使信號光纖6的彎曲損耗變化，通過測試單元5可得到信號光纖6彎 曲損耗變化的大小，測試單元5將數據傳遞給處理單元7，處理單元7推算出柱體10所受應 力的大小。由于在柱體10的外表面上的縫隙4中布設有眾多相互對應的變形齒，從而使信 號光纖6的有效彎曲長度大大延長，一方面減少了信號光纖6的彎曲曲率，另一方面提高該 裝置的精度，同時也大大延長了信號光纖6的使用壽命。一種優(yōu)選的做法是在信號光纖6中有一部分是作為緩沖光纖的，即該部分的信號 光纖6附近沒有對應的變形齒，當信號光纖6彎曲曲率變化時，緩沖光纖吸納或補償信號光 纖6的長度的變化。在監(jiān)測柱體10的彎曲變形參數時，一種做法是將沿柱體10徑向的某個方向的區(qū) 域中的縫隙4內的變形齒去掉，該區(qū)域的信號光纖6作為緩沖光纖，這樣可以監(jiān)測到柱體10變形的方向。所述的縫隙4可以是螺旋形分布于柱體10的外表面、內表面或柱體10的內部?？p 隙4也可以以多條平行的方式分布于柱體10上。所述的柱體10是軸連接器，可以同時監(jiān)測軸旋轉的扭力、扭矩、角加速度以及轉速。所述的縫隙4的寬度從柱體的一端到另一端是變化的，這樣可以進一步加大柱體 10的變形范圍。通過選擇適當的材料使柱體10和變形齒受溫度影響的變形可以相互抵消或部分 抵消，從而補償溫度帶來的影響，如柱體10的膨脹系數稍大于變形齒的膨脹系數，在溫度 升高時，柱體10整體伸長，使縫隙4的寬度略微增加，同時溫度的升高也使變形齒的高度也 稍微伸長一些，可以看出兩者的變化可以補償一定的溫度效應，通過選擇兩者的合適膨脹 系數的材料可以盡可能的減少溫度影響。所述的柱體10的材料是不銹鋼、高分子材料、銅合金材料。在所述的信號光纖6的一端可以安置有光反射裝置，如光反射鏡、光纖光柵、或在 信號光纖的端面鍍反射膜，或僅僅是將信號光纖的端面處理為鏡面。所述的信號光纖6的另一端通過延長光纖1與1X2光分路器的1 口連接，1X2光分 路器的2 口分別接構成測試單元5的穩(wěn)定光源和光功率計。從柱體10的一端至另一端、分布于柱體10上縫隙4內的變形齒的齒高、齒距或齒 形是變化的，如齒高是遞增或遞減的、齒距是遞增或遞減的、齒形頂端的曲率是遞增或遞減 的，可以根據實際要求改變，更增加了本裝置的靈活使用能力。所述信號光纖6為外部包有多層光纖保護層的光纖，如緊套光纖、碳涂覆光纖、聚 酰亞胺涂覆光纖等；所述信號光纖6也可以是塑料光纖、多芯光纖、細徑光纖或光子晶體光 纖；或是多根信號光纖6并排夾持在變形齒間，或是多根信號光纖6通過樹脂合并為信號光 纖束或信號光纖帶。所述信號光纖6和延長光纖1外部包覆有防水材料，如防水油膏，可進一步防止水 分子對信號光纖6和延長光纖1的侵蝕，延長了信號光纖6和延長光纖1的使用壽命。實施例2如圖3所示，本實施例中，與實施例1不同的是在縫隙4內安裝有第二組變形齒， 在第二組變形齒間夾持有第二信號光纖8，信號光纖8也通過延長光纖接測試單元5，可以 通過使第二組變形齒的齒高、齒距或齒形等參數與信號光纖6變形齒的不同來做到對施加 于柱體10上待測應力方向的測試，使本裝置測試結果可靠程度提高。一種優(yōu)選的做法是在 信號光纖8中有一部分是作為緩沖光纖的，即該部分的信號光纖8附近沒有對應的變形齒， 當信號光纖8彎曲曲率變化時，緩沖光纖吸納或補償信號光纖8的長度的變化。本實施例 中，其余部分的結構、連接關系和工作原理均與實施例1相同。實施例3如圖4所示，本實施例中，與實施例1不同的是縫隙4縱向分布于柱體10的表 面上，可以通過測試信號光纖6光功率變化來監(jiān)測柱體10的扭轉參數，如扭轉力或力矩，扭 轉角度等參數。本實施例中，其余部分的結構、連接關系和工作原理均與實施例1相同。以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，并非對本實用新型作任何限制，凡是根據本實用新型技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍 屬于本實用新型技術方案的保護范圍內。
權利要求1.一種柱體應力感測裝置，其特征在于在柱體(10)上分布有縫隙(4)，縫隙(4)的相 對兩面上分別布設有A側變形齒(4-1)和B側變形齒(4-2)，A側變形齒(4-1)和B側變形 齒(4-2)相互交錯對應，A側變形齒(4-1)和B側變形齒(4-2)對應布設在信號光纖(6)的 兩側，信號光纖(6)通過延長光纖(1)接測試單元(5)，在測試單元(5)后面接處理單元(7)。
2.按照權利要求1所述的一種柱體應力感測裝置，其特征在于有多條縫隙(4)平行分 布于柱體(10)上。
3.按照權利要求1所述的一種柱體應力感測裝置，其特征在于所述的縫隙(4)以螺旋 的方式分布于柱體(10)上。
4.按照權利要求1、2或3所述的一種柱體應力感測裝置，其特征在于所述的縫隙(4) 分布于柱體(10)的外表面上。
5.按照權利要求1、2或3所述的一種柱體應力感測裝置，其特征在于所述的縫隙(4) 分布于柱體(10)的內表面上。
6.按照權利要求1、2或3所述的一種柱體應力感測裝置，其特征在于所述的縫隙(4) 是包含于柱體(10)內部的結構。
7.按照權利要求1所述的一種柱體應力感測裝置，其特征在于所述的縫隙(4)的寬度 從柱體(10)的一端到另一端是變化的。
8.按照權利要求1所述的一種柱體應力感測裝置，其特征在于所述的柱體(10)的膨 脹系數大于變形齒的膨脹系數。
9.按照權利要求1所述的一種柱體應力感測裝置，其特征在于從柱體(10)的一端至 另一端、分布于柱體(10)上縫隙(4)內的變形齒的齒高、齒距或齒形是變化的。
10.按照權利要求1所述的一種柱體應力感測裝置，其特征在于信號光纖(6)的一 部分沒有被所述的分布于柱體(10)上縫隙(4)內的變形齒夾持，或該部分沒有對應的變形 齒，該部分的信號光纖(6)是緩沖光纖。
專利摘要本實用新型公開了一種柱體應力感測裝置，其是在柱體(10)上分布的縫隙(4)內布設有兩列變形齒，信號光纖(6)夾持變形齒間。當柱體(10)在應力下變形時，在柱體(10)上的縫隙(4)內的兩列變形齒之間的距離會改變，從而使夾持于兩者變形齒間的信號光纖(6)的彎曲曲率變化，導致信號光纖(6)的彎曲損耗變化，通過測試單元(5)和處理單元(7)可推算出柱體(10)所受應力的大小。在具有第二信號光纖(8)時，對應信號光纖(8)的變形齒參數與對應信號光纖(6)的變形齒不同，通過獲取同一時刻兩者光纖的數據可計算出柱體(10)所受應力的方向。通過將柱體(10)和微彎結構的有機結合而構成了新型傳感裝置。
文檔編號G01L1/24GK201819759SQ20102051656
公開日2011年5月4日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權日2010年9月3日
發(fā)明者杜兵 申請人:西安金和光學科技有限公司