本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器。

背景技術(shù)：

光纖光柵傳感器作為一種新型光纖無源器件，以其全光傳輸、抗電磁干擾、耐腐蝕、高電絕緣性、低傳輸損耗、測量范圍寬、便于復(fù)用成網(wǎng)、可微型化等優(yōu)點，得到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，成為傳感領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展最快的技術(shù)之一，在土木工程、航空航天、石油化工、電力、醫(yī)療、船舶工業(yè)等領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。

應(yīng)變測量是監(jiān)測結(jié)構(gòu)安全狀況的重要手段，不同應(yīng)用場合和不同材料結(jié)構(gòu)所需的應(yīng)變分辨率和應(yīng)變量程存在區(qū)別。目前，絕大多數(shù)光纖光柵應(yīng)變傳感器沒有采用增敏結(jié)構(gòu)，其應(yīng)變量程一般為±1500με，應(yīng)變靈敏度1.2pm/με，主要用于應(yīng)變較大場合，如橋梁、隧道、鐵塔、管道等。然而，在微小應(yīng)變測量場合，其應(yīng)變靈敏度過低，應(yīng)變量程過大。

目前，已有研究人員提出過一些增敏結(jié)構(gòu)，如專利201220154883.8和201220207094.6，其主要通過控制安裝塊之間的距離大于固定光纖光柵兩端粘接劑之間的距離來提高應(yīng)變靈敏度，但是該方法只能得到某一個特定的應(yīng)變靈敏度和對應(yīng)的應(yīng)變量程，而無法滿足不同的應(yīng)用場合。由此，專利201521078307.x和201611066853.0對此做了進一步的改進，分別提出了一種靈敏度可調(diào)的光纖光柵應(yīng)變傳感器的封裝結(jié)構(gòu)。前者主要是通過改變蓋板在安裝底座上的位置來調(diào)整光纖光柵受應(yīng)變作用的長度，從而改變光纖光柵的應(yīng)變靈敏度和應(yīng)變量程。后者主要是通過在兩組轉(zhuǎn)動臂上設(shè)置多組光纖牽引孔，每組光纖牽引孔對應(yīng)一種放大比例，來增大光纖光柵的應(yīng)變靈敏度和應(yīng)變量程。但是這兩種封裝結(jié)構(gòu)帶來的光纖光柵應(yīng)變靈敏度的增加量主要取決于傳感器安裝距離與光纖光柵固定間距之比，在對傳感器封裝尺寸有嚴格限制的場合，其靈敏度的增加量有限，并不能滿足所用場合的高靈敏度要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠進行溫度補償，調(diào)節(jié)應(yīng)變靈敏度和量程。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

本發(fā)明公開的一種高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器，包括應(yīng)變測量光纖光柵、溫度補償光纖光柵、轉(zhuǎn)動機構(gòu)及伸縮機構(gòu)；應(yīng)變測量光纖光柵設(shè)置于轉(zhuǎn)動機構(gòu)頂端，溫度補償光纖光柵穿設(shè)于伸縮機構(gòu)內(nèi)，應(yīng)變測量光纖光柵與溫度補償光纖光柵平行設(shè)置；

轉(zhuǎn)動機構(gòu)包括交叉設(shè)置的轉(zhuǎn)動桿ⅰ和轉(zhuǎn)動桿ⅱ，伸縮機構(gòu)包括伸縮桿ⅰ和伸縮桿ⅱ，轉(zhuǎn)動桿ⅰ底端與伸縮桿ⅰ端部鉸接，轉(zhuǎn)動桿ⅱ底端與伸縮桿ⅱ端部鉸接；

在伸縮機構(gòu)外還套設(shè)有用于調(diào)節(jié)伸縮桿ⅰ和伸縮桿ⅱ之間的距離的調(diào)節(jié)套筒。

所述轉(zhuǎn)動桿ⅰ和轉(zhuǎn)動桿ⅱ均呈z型，包括桿身、上臂及下臂，轉(zhuǎn)動桿ⅰ的桿身和上、下臂均為實心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動桿ⅱ的桿身及上臂為中空結(jié)構(gòu)，下臂為實心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動桿ⅰ的桿身能夠插入轉(zhuǎn)動桿ⅱ的桿身的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)；轉(zhuǎn)動桿ⅰ、轉(zhuǎn)動桿ⅱ的下臂的底端固定于待測結(jié)構(gòu)的表面。

轉(zhuǎn)動桿ⅰ和轉(zhuǎn)動桿ⅱ的下臂上均開設(shè)鉸接孔，伸縮桿ⅰ和伸縮桿ⅱ的端部各設(shè)有一個鉸接銷；轉(zhuǎn)動桿ⅰ和伸縮桿ⅰ通過轉(zhuǎn)動桿ⅰ的鉸接孔和伸縮桿ⅰ上的鉸接銷相鉸接，轉(zhuǎn)動桿ⅱ和伸縮桿ⅱ通過轉(zhuǎn)動桿ⅱ上的鉸接孔和伸縮桿ⅱ上的鉸接銷相鉸接。

轉(zhuǎn)動桿ⅰ和轉(zhuǎn)動桿ⅱ的上臂頂部開設(shè)半圓形槽，應(yīng)變測量光纖光柵粘結(jié)于半圓形槽內(nèi)。

設(shè)轉(zhuǎn)動桿ⅰ下臂底端與轉(zhuǎn)動桿ⅱ下臂底端之間的距離為l1，應(yīng)變測量光纖光柵在轉(zhuǎn)動桿ⅰ與轉(zhuǎn)動桿的上臂頂部半圓形槽中固定點之間的距離為l2，則有l(wèi)1＞l2；

設(shè)轉(zhuǎn)動桿ⅰ、轉(zhuǎn)動桿ⅱ的下臂底端距離鉸接孔的距離為h1，轉(zhuǎn)動桿ⅰ、轉(zhuǎn)動桿ⅱ的上臂頂端距離鉸接孔的距離為h2，則有h1＜h2；

當待測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變?yōu)棣艜r，應(yīng)變測量光纖光柵的應(yīng)變?yōu)?imgfile="bda0001326966920000031.gif"wi="171"he="146"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>應(yīng)變測量光纖光柵的應(yīng)變靈敏度提高到原來的倍。

在轉(zhuǎn)動桿ⅰ、轉(zhuǎn)動桿ⅱ的桿身上的均設(shè)置若干三角形銷孔，通過設(shè)置與所述三角形銷孔配合的三角形銷將轉(zhuǎn)動桿ⅰ和轉(zhuǎn)動桿ⅱ位置固定。

伸縮桿ⅰ和伸縮桿ⅱ為中空桿體，且桿體內(nèi)壁開設(shè)半圓形槽，溫度補償光柵穿過中空桿體且粘結(jié)于半圓形槽內(nèi)。

伸縮桿ⅰ、伸縮桿ⅱ和調(diào)節(jié)套筒之間通過螺紋旋接，伸縮桿ⅰ上的左旋螺紋與調(diào)節(jié)套筒上的左旋螺紋孔相旋接，伸縮桿ⅱ上的右旋螺紋與調(diào)節(jié)套筒上的右旋螺紋孔相旋接；在伸縮桿ⅰ和伸縮桿ⅱ上還設(shè)有用于固定調(diào)節(jié)套筒的緊固螺母。

轉(zhuǎn)動桿ⅰ、轉(zhuǎn)動桿ⅱ、伸縮桿ⅰ和伸縮桿ⅱ均采用殷鋼制成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明公開的高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器，包括相互鉸接的轉(zhuǎn)動機構(gòu)和伸縮機構(gòu)，轉(zhuǎn)動機構(gòu)包括兩個交叉設(shè)置的轉(zhuǎn)動桿，伸縮機構(gòu)亦由兩個伸縮桿組成，將應(yīng)變測量光纖光柵設(shè)置在兩個轉(zhuǎn)動桿頂端，將溫度補償光纖光柵穿設(shè)在伸縮機構(gòu)內(nèi)，在伸縮機構(gòu)外還套設(shè)有調(diào)節(jié)套筒，能夠通過調(diào)節(jié)套筒來調(diào)節(jié)兩個伸縮桿之間的距離，實現(xiàn)傳感器應(yīng)變測量光纖光柵應(yīng)變靈敏度的調(diào)節(jié)。本發(fā)明利用轉(zhuǎn)動機構(gòu)和伸縮機構(gòu)的長度變化來實現(xiàn)雙級放大，該傳感器在對封裝尺寸有嚴格限制的場合，依然能提供很高的應(yīng)變靈敏度，且可以調(diào)節(jié)應(yīng)變靈敏度和量程。同時，該傳感器可以進行溫度補償，剔除溫度對應(yīng)變測量的影響。

進一步地，兩個轉(zhuǎn)動桿下臂底端之間的距離l1大于應(yīng)變測量光纖光柵固定點之間的距離l2，兩個轉(zhuǎn)動桿下臂底端距鉸接孔的距離h1小于兩個轉(zhuǎn)動桿上臂頂端距鉸接孔的距離h2，可根據(jù)傳感器的應(yīng)用場合及應(yīng)變靈敏度要求事先計算確定得出l1、l2、h1、h2的值，且l1、l2還可通過轉(zhuǎn)動機構(gòu)和伸縮機構(gòu)及調(diào)節(jié)套筒進行進一步的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)應(yīng)變測量光纖光柵的應(yīng)變靈敏度的雙級放大，將應(yīng)變靈敏度提高到原來的倍。

進一步地，為了能夠準確的測量出物體的負應(yīng)變，會對應(yīng)變測量光纖光柵進行預(yù)拉伸，在轉(zhuǎn)動桿ⅰ、轉(zhuǎn)動桿ii的桿身上分別設(shè)有若干三角形銷孔(進一步優(yōu)選地，設(shè)置三組三角形銷孔)，當對應(yīng)變測量光纖光柵進行預(yù)拉伸后，將三角形銷插入到轉(zhuǎn)動桿ⅰ、轉(zhuǎn)動桿ⅱ上的三角形銷孔中來防止應(yīng)變測量光纖光柵的預(yù)拉伸釋放。當轉(zhuǎn)動桿ⅰ、轉(zhuǎn)動桿ⅱ的底端固定于待測結(jié)構(gòu)表面后，拔出三角形銷，傳感器進入正常工作狀態(tài)。三角形銷孔能夠與調(diào)節(jié)套筒和伸縮桿ⅰ、伸縮桿ⅱ相配合共同實現(xiàn)應(yīng)變測量光纖光柵應(yīng)變靈敏度的進一步調(diào)節(jié)，不同的距離l1對應(yīng)不同位置的三角形銷孔。

附圖說明

圖1為高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)主視圖；

圖3為轉(zhuǎn)動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動桿ⅰ和轉(zhuǎn)動桿ⅱ的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為伸縮機構(gòu)的伸縮桿ⅰ和伸縮桿ⅱ的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為三角形銷結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1、應(yīng)變測量光纖光柵；2、溫度補償光纖光柵；3、尾纖；4、轉(zhuǎn)動桿?。?、轉(zhuǎn)動桿ⅱ；6、伸縮桿?。?、伸縮桿ⅱ；8、緊固螺母??；9、緊固螺母ⅱ；10、調(diào)節(jié)套筒；11、三角形銷；12、轉(zhuǎn)動桿ⅰ和轉(zhuǎn)動桿ⅱ上的半圓形槽；13、轉(zhuǎn)動桿ⅰ和轉(zhuǎn)動桿ⅱ上的鉸接孔；14、伸縮桿i和伸縮桿ⅱ上的半圓形槽；15、伸縮桿ⅰ和伸縮桿ⅱ上的鉸接銷；16、伸縮桿ⅰ上的左旋螺紋；17、伸縮桿ⅱ上的右旋螺紋；18、伸縮桿ⅰ和伸縮桿ⅱ上的軸線中心深孔；19、調(diào)節(jié)套筒上的左旋螺紋孔；20、調(diào)節(jié)套筒上的右旋螺紋孔；21、轉(zhuǎn)動桿ⅰ、轉(zhuǎn)動桿ⅱ的底端；22、轉(zhuǎn)動桿ⅰ和轉(zhuǎn)動桿ⅱ的頂端；23、轉(zhuǎn)動桿ⅰ和轉(zhuǎn)動桿ⅱ的三角形銷孔。

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

參見圖1和圖2，本發(fā)明公開的一種高靈敏度的溫度補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器，包括應(yīng)變測量光纖光柵1、溫度補償光纖光柵2、尾纖3；還包括轉(zhuǎn)動機構(gòu)和伸縮機構(gòu)，應(yīng)變測量光纖光柵1設(shè)置于轉(zhuǎn)動機構(gòu)頂端，溫度補償光纖光柵2穿設(shè)于伸縮機構(gòu)內(nèi)，應(yīng)變測量光纖光柵1與溫度補償光纖光柵2平行設(shè)置；溫度補償光纖光柵2能夠?qū)崟r監(jiān)測環(huán)境溫度，在后續(xù)測量數(shù)據(jù)處理中可剔除環(huán)境溫度對應(yīng)變測量光纖光柵1測量結(jié)果的影響。

轉(zhuǎn)動機構(gòu)包括交叉設(shè)置的轉(zhuǎn)動桿ⅰ4和轉(zhuǎn)動桿ⅱ5，伸縮機構(gòu)包括伸縮桿ⅰ6和伸縮桿ⅱ7，轉(zhuǎn)動桿ⅰ4底端與伸縮桿ⅰ6端部鉸接，轉(zhuǎn)動桿ⅱ5底端與伸縮桿ⅱ7端部鉸接；在伸縮機構(gòu)外還套設(shè)有用于調(diào)節(jié)伸縮桿ⅰ6和伸縮桿ⅱ7之間的距離的調(diào)節(jié)套筒10。

參見圖3，轉(zhuǎn)動桿ⅰ4和轉(zhuǎn)動桿ⅱ5均呈z型，包括桿身、上臂及下臂，轉(zhuǎn)動桿ⅰ4的桿身和上、下臂均為實心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動桿ⅱ5的桿身及上臂為中空結(jié)構(gòu)，下臂為實心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動桿ⅰ4的桿身能夠插入轉(zhuǎn)動桿ⅱ5桿身的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)；轉(zhuǎn)動桿ⅰ4、轉(zhuǎn)動桿ⅱ5的下臂的底端21固定于待測結(jié)構(gòu)的表面，優(yōu)選地，采用膠粘、螺釘固定或者焊接方式固定于待測結(jié)構(gòu)表面；

參見圖3和圖4，轉(zhuǎn)動桿ⅰ4和轉(zhuǎn)動桿ⅱ5的下臂上均開設(shè)鉸接孔13，伸縮桿ⅰ6和伸縮桿ⅱ7的端部各設(shè)有一個鉸接銷15；轉(zhuǎn)動桿ⅰ4和伸縮桿ⅰ6通過轉(zhuǎn)動桿ⅰ4的鉸接孔13和伸縮桿ⅰ6上的鉸接銷15相鉸接，轉(zhuǎn)動桿ⅱ5和伸縮桿ⅱ7通過轉(zhuǎn)動桿ⅱ5上的鉸接孔13和伸縮桿ⅱ7上的鉸接銷15相鉸接。

在轉(zhuǎn)動桿ⅰ4、轉(zhuǎn)動桿ⅱ5的桿身上的均設(shè)置若干三角形銷孔23，通過設(shè)置與所述三角形銷孔23配合的三角形銷11將轉(zhuǎn)動桿ⅰ4和轉(zhuǎn)動桿ⅱ5位置固定。三角形銷11的結(jié)構(gòu)參見圖5，為了測量物體的負應(yīng)變，會對應(yīng)變測量光纖光柵進行預(yù)拉伸，優(yōu)選地，本實施例的轉(zhuǎn)動桿ⅰ4、轉(zhuǎn)動桿ⅱ5上分別設(shè)有三組三角形銷孔，當對應(yīng)變測量光纖光柵進行預(yù)拉伸后，將三角形銷11插入到轉(zhuǎn)動桿ⅰ、轉(zhuǎn)動桿ⅱ上的三角形銷孔23中來防止應(yīng)變測量光纖光柵的預(yù)拉伸釋放。當轉(zhuǎn)動桿ⅰ4、轉(zhuǎn)動桿ⅱ5的底端固定于待測結(jié)構(gòu)表面后，拔出三角形銷11，傳感器進入正常工作狀態(tài)。

參見圖4，伸縮桿ⅰ6和伸縮桿ⅱ7為中空桿體，桿體中心為軸線中心深孔18，溫度補償光纖光柵2穿過伸縮桿ⅰ6、伸縮桿ⅱ7的軸線中心深孔18，伸縮桿ⅰ和伸縮桿ⅱ上開設(shè)半圓形槽14，溫度補償光纖光柵2通過膠粘或低溫玻璃焊料粘結(jié)于伸縮桿i和伸縮桿ⅱ上的半圓形槽14內(nèi)。應(yīng)變測量光纖光柵1通過膠粘或低溫玻璃焊料粘結(jié)于轉(zhuǎn)動桿ⅰ和轉(zhuǎn)動桿ⅱ上的半圓形槽12內(nèi)。

參見圖2，伸縮桿ⅰ6、伸縮桿ⅱ7和調(diào)節(jié)套筒10之間通過螺紋旋接，伸縮桿ⅰ6上的左旋螺紋16與調(diào)節(jié)套筒10上的左旋螺紋孔19相旋接，伸縮桿ⅱ7上的右旋螺紋17與調(diào)節(jié)套筒10上的右旋螺紋孔20相旋接；在伸縮桿ⅰ6和伸縮桿ⅱ7上還分別設(shè)有一個用于固定調(diào)節(jié)套筒10的緊固螺母，緊固螺母ⅰ8、緊固螺母ⅱ9上的螺紋分別為左旋和右旋，分別與伸縮桿ⅰ6、伸縮桿ⅱ7相旋合固定調(diào)節(jié)套筒10的左右兩端。

參見圖2，設(shè)轉(zhuǎn)動桿ⅰ4下臂底端與轉(zhuǎn)動桿ⅱ5下臂底端之間的距離為l1，應(yīng)變測量光纖光柵1在轉(zhuǎn)動桿ⅰ4、轉(zhuǎn)動桿5的上臂頂部半圓形槽中固定點之間的距離為l2，則有l(wèi)1＞l2；

設(shè)轉(zhuǎn)動桿ⅰ4、轉(zhuǎn)動桿ⅱ5的下臂底端距離鉸接孔13的距離為h1，轉(zhuǎn)動桿ⅰ4、轉(zhuǎn)動桿ⅱ5的上臂頂端距離鉸接孔13的距離為h2，則有h1＜h2；

當待測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變?yōu)棣艜r，應(yīng)變測量光纖光柵1的應(yīng)變?yōu)?imgfile="bda0001326966920000071.gif"wi="171"he="143"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>應(yīng)變測量光纖光柵1的應(yīng)變靈敏度提高到原來的倍。

可通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)套筒10來調(diào)節(jié)伸縮桿ⅰ6、伸縮桿ⅱ7的鉸接銷15之間的距離，即轉(zhuǎn)動桿ⅰ4、轉(zhuǎn)動桿ⅱ5固定于待測結(jié)構(gòu)表面的兩個底端21之間的距離l1，實現(xiàn)應(yīng)變測量光纖光柵1應(yīng)變靈敏度的調(diào)節(jié)。

所述的轉(zhuǎn)動桿ⅰ4、轉(zhuǎn)動桿ⅱ5、伸縮桿ⅰ6、伸縮桿ⅱ7、調(diào)節(jié)套筒10材料均為膨脹系數(shù)極低、彈性模量較大的殷鋼。

本發(fā)明的具體測量過程如下：

首先，光纖光柵是利用光纖材料的光敏性(外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化)，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)濾波或反射鏡。其反射波中心波長滿足布拉格條件：

λb＝2neffλ

式中：neff為纖芯等效折射率，λ為光柵周期。

由此可見，反射波中心波長λb，與纖芯等效折射率neff和光柵周期λ有關(guān)。

光纖光柵傳感器基本原理為：當光纖光柵周圍的溫度、應(yīng)力或應(yīng)變改變時，將引起纖芯等效折射率neff和光柵周期λ的變化，從而使光纖光柵的反射波中心波長λb發(fā)生漂移δλb，通過測量反射波中心波長λb的漂移情況，即可獲得待測物理量的變化情況，即

式中：kt為光纖光柵溫度傳感靈敏度系數(shù)，kε為光纖光柵應(yīng)變傳感靈敏度系數(shù)。

根據(jù)上述基本原理，本發(fā)明的應(yīng)變測量光纖光柵的反射波中心波長λb會隨著溫度δt和應(yīng)變δε的改變而發(fā)生漂移；由于不受應(yīng)變作用，溫度補償光纖光柵的反射波中心波長λb僅隨著溫度δt的改變而發(fā)生漂移，其公式如下：

其中，和可通過光纖光柵解調(diào)儀測得；作為一種規(guī)格參數(shù)，對于每一根光纖光柵來說是定值；均可通過實驗測得。所以，根據(jù)以上兩式，可解出δt和δε，從而實現(xiàn)溫度補償，剔除溫度對應(yīng)變測量的影響。與此同時，也對溫度進行了測量。

其次，當被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變?yōu)棣艜r，轉(zhuǎn)動桿ⅰ、轉(zhuǎn)動桿ⅱ固定于待測結(jié)構(gòu)表面的兩個底端之間的距離的變化量δl1＝εl1。由杠桿原理可知，當δl1數(shù)值相對于轉(zhuǎn)動桿ⅰ、轉(zhuǎn)動桿ⅱ的結(jié)構(gòu)尺寸足夠小時，由此可得，即實現(xiàn)了應(yīng)變測量光纖光柵的應(yīng)變靈敏度的雙級放大，將應(yīng)變測量光纖光柵的應(yīng)變靈敏度提高到原來的倍。

上述實施例僅為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，凡是通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。