專利名稱：光纖微彎傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是屬于以光學方法檢測應變以及溫度的器件。
光纖微彎傳感器是根據(jù)光纖的微彎損耗現(xiàn)象而設計的，其原理是根據(jù)光纖受被測參量調制而發(fā)生彎曲產(chǎn)生微彎損耗，通過探測光纖中傳輸光的損耗而檢測被測參量。光纖被置于兩塊平行的齒型試板之間，當試板受被測參量調制而產(chǎn)生相對位移時，光纖在齒的壓力作用下產(chǎn)生彎曲并且彎曲振幅發(fā)生變化，這時光纖中通過的光信號損耗就會發(fā)生變化，由此可檢測被測參量的變化。由于該種光纖傳感器具有結構簡單、易于實用化的特點而受到廣泛關注。該傳感器的設計關鍵是要尋求有效的方法和途徑將被測參量的變化轉換為光纖微彎量的變化。目前該原理已被研究開發(fā)用于位移、壓力、加速度、應變、聲波等參量的檢測中，而在對應變檢測問題上雖已有文獻研究，例如美國專利5020379號，但至今為止未能有效地解決用于構件拉伸應變檢測問題，使實際應用具有局限性。同樣，光纖微彎傳感原理亦尚未能有效地用于溫度的檢測。
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠檢測拉伸應變、壓縮應變以及溫度的光纖微彎傳感器。
本發(fā)明的解決方案為由帶齒的弧形剛性彈性片和應變傳遞板相對安置組成光纖微彎調制器，光纖置于調制器的齒隙之間(受齒間間隙變化的影響而產(chǎn)生微彎變形)，彈性片的兩端與應變傳遞板或其兩端的擋板相連接且位置固定。
對于上述傳感器，由兩塊應變傳遞板通過其兩端的擋板相連而形成應變傳遞架，弧形剛性彈性片位于其間且兩面帶齒，即彈性片的兩面均與應變傳遞板相對而組成一對光纖微彎調制器。
對于上述傳感器，其光纖沿著由弧形剛性彈性片的弧形所形成平面的正交方向放置，微彎調制器中的齒亦相應地沿該方向排列。
對于上述傳感器，應變傳遞板上的齒也可以直接由柔性彈性材料制作形成。
對于上述的傳感器，其弧形剛性彈性片的熱膨脹系數(shù)比應變傳遞板的熱膨脹系數(shù)高。
附

圖1本發(fā)明的基本結構示意圖。
附圖2本發(fā)明的幾何關系示意圖。
附圖3h-k關系曲線圖。
附圖4本發(fā)明的拉伸應變傳感器結構示意圖。
附圖5附圖4的側向剖視圖。
附圖6本發(fā)明的壓縮應變傳感器結構之一示意圖。
附圖7本發(fā)明的壓縮應變傳感器結構之二示意圖。
附圖8本發(fā)明的拉伸及壓縮雙向應變傳感器結構示意圖。
附圖9附圖8的側向剖視圖。
附圖10h′-k關系曲線圖。
附圖11本發(fā)明的溫度傳感器結構示意圖。
從附圖1和2中可以看出，本發(fā)明是由帶齒的弧形剛性彈性片2與應變傳遞板3相對安置而組成光纖微彎調制器，通過弧形彈性片與應變傳遞板的共同作用將x方向的應變轉換為齒在y方向的位移，位于微彎調制器中齒隙間的光纖1在齒的y方向位移作用下產(chǎn)生彎曲并且彎曲振幅發(fā)生變化，這時光纖中通過的光信號損耗就會發(fā)生變化，以實現(xiàn)對應變的檢測。當由應變傳遞板感受被測應變ε并導致變形量xε時，彈性片的拱高就要產(chǎn)生變化，其變化量Δy可給出為Δy＝hxε其中h=4k2-2karcsin[4k/(1+4k2)]4k-(1-4k2)arcsin[4k/(1+4k2)],]]>k＝y(tǒng)/x式中的h表示位移量Δy對應變ε的靈敏度系數(shù)。根據(jù)計算可得出h-k的關系曲線(見附圖3)。在實際應用中，可根據(jù)對被測應變的靈敏度和測量動態(tài)范圍要求選擇合適的靈敏度系數(shù)，由于靈敏度系數(shù)h的放大作用使得這種結構對應變的測量可達到高靈敏度。
在傳感器使用時，應變傳遞板固定連接在被測構件4上，被測構件的應變傳遞到應變傳遞板上使之產(chǎn)生相應的應變量，使彈性片的拱高產(chǎn)生變化?；蛘邞儌鬟f板就直接由被測構件代替，即在被測構件上直接加工出所需的齒或將一齒板直接固定在被測構件上，然后將彈性片的兩端與被測構件相連，構件產(chǎn)生的應變亦能使彈性片的拱高產(chǎn)生變化。由于彈性片與應變傳遞板相對的表面上帶有相互交錯的齒(彈性片上的齒位于弧頂處)，使位于齒間的光纖在彈性片上齒的位移作用下產(chǎn)生彎曲并且彎曲振幅發(fā)生變化，這時光纖中通過的光信號損耗就會發(fā)生變化，應變即能反映在光信號的損耗變化上，以實現(xiàn)對應變的檢測。對于該傳感器，弧形彈性片的凹面與應變傳遞板相對即光纖位于弧形彈性片的凹側時，該結構用于構件的拉伸應變檢測；而當弧形彈性片的凸面與應變傳遞板相對即光纖位于弧形彈性片的凸側時，該結構可用于構件的壓縮應變檢測。因此可以根據(jù)實際需要制作成拉伸應變傳感器(見附圖4、5)或壓縮應變傳感器(見附圖6、7)。彈性片的兩端可以通過鉚接、粘接或焊接等固定方式聯(lián)結在應變傳遞板或其兩端所設置的擋板5上，也可以是卡在擋板內，只要彈性片的兩個端點位置固定并能隨應變傳遞板所感受的應變位移而移動。彈性片或擋板的適當位置處留出孔或槽作為光纖的通道。
本發(fā)明還可以組成拉伸和壓縮雙向應變傳感器(見附圖8、9)。在雙向應變傳感器中，兩面帶齒的弧形剛性彈性片被置于一由兩塊應變傳遞板通過其兩端的擋板相連而形成的應變傳遞架中間，應變傳遞架的上下內面各有齒以與弧形彈性片上的齒相對而同時形成上下兩條齒隙，即彈性片與應變傳遞架之間組成了一對光纖微彎調制器，調制器的兩齒隙中各放置一根傳感光纖，分別用于檢測拉伸或壓縮應變，使拉伸或壓縮應變都能被測量。
從傳感器結構、工藝以及實際測量應用上的考慮，還可將光纖和齒的方向垂直于紙面安置，即光纖沿著由弧形剛性彈性片的弧形所形成平面的正交方向放置，微彎調制器中的齒亦相應地沿該方向排列。這樣光纖就可直接穿過彈性片與應變傳遞板之間的齒隙，彈性片的位移與應變的關系保持不變。
為了避免光纖被調制器中的齒損傷，可在光纖的周圍或齒隙中充填柔性緩沖材料(如硅橡膠等)以起緩沖和保護作用?；蛘咭嗫蓪儌鬟f板上的齒直接由一柔性彈性材料(如橡膠等)制作的墊片取代，該墊片被粘在應變傳遞板上，墊片上也可不帶齒。當光纖被弧形剛性彈性片上的齒壓到墊片上時，由于墊片具有柔性，光纖受弧形剛性彈性片上齒的壓力作用同樣會發(fā)生彎曲，從而引起光纖中傳輸光損耗的變化。
另外，為了避免或減少溫度變化對應變測量的影響，在上述結構中的弧形彈性片和應變傳遞板應盡量選擇具有相近熱膨脹系數(shù)的材料組成并與被測構件的熱膨脹系數(shù)也盡量一致。
而當弧形彈性片的熱膨脹系數(shù)比應變傳遞板的熱膨脹系數(shù)高時，根據(jù)上述傳感原理就可設計成一種光纖溫度微彎傳感器。此時，傳感機理為弧形彈性片與應變傳遞板在溫度變化時由于受熱膨脹作用的影響其弧長及板長要發(fā)生變化，而弧長的變化又大于板長的變化，從而使位于弧頂?shù)凝X在y方向產(chǎn)生相應的位移，位于齒間的光纖在齒的y方向位移作用下產(chǎn)生彎曲并且彎曲振幅發(fā)生變化，這時光纖中通過的光信號損耗就會發(fā)生相應變化，通過探測光信號的變化可以實現(xiàn)對溫度的檢測。此時，其微彎調制器的齒間隙受溫度變化的影響而產(chǎn)生的變化量Δy可給出為Δy=4k2[LαT(T-T0)]+{4k2-2karcsin[4k/(1+4k2)]}[xβT(T-T0)]4k-(1-4k2)arcsin[4k/(1+4k2)]]]>式中L為弧形剛性彈性片的弧長，αT和βT分別為彈性片和應變傳遞板的熱膨脹系數(shù)，T為被測溫度，T0為參考溫度，當αT＞＞βT時(在實際應用中可根據(jù)精度和測量范圍要求進行選擇，一般取αT＞2βT即可滿足工程使用要求)，則有其中h′=Δy≈h′αT(T-T0),4k24k-(1-4k2)arcsin[4k/(1+4k2)]]]>此時，彈性片弧頂?shù)奈灰屏糠磻藴囟鹊淖兓?。這時的應變傳遞板及其擋板實際上是作為固定弧形彈性片的“殼體”使用。同樣，根據(jù)對被測溫度的靈敏度和動態(tài)范圍要求可選擇合適的靈敏度系數(shù)h′，以滿足實際使用需要。h′-K的關系曲線見附圖10。
與上述應變傳感器的結構相類似，溫度傳感器同樣可做成升溫傳感器、降溫傳感器或升降溫兩用傳感器，見附圖11。其中，位于彈性片凸側的光纖感受溫度的上升，而位于彈性片凹側的光纖感受溫度的下降。
利用本發(fā)明的重要應用在于還可以組成多點分布測試系統(tǒng)，即沿著光纖可以順序安置若干個傳感器，傳感光纖甚至可達數(shù)十公里長，通過光時域反射技術或多路復用技術等，即可檢測沿光纖分布的各傳感器中的應變或溫度的狀態(tài)，將這些傳感器分布于重要的大型工程結構中(如艦船、飛行器、橋梁、水壩、礦井、電力系統(tǒng)等)，可以實現(xiàn)對大型工程結構的實時監(jiān)測，進行安全評估、故障診斷和損傷報警等。
綜上所述，由于弧形剛性彈性片的作用，本發(fā)明不僅實現(xiàn)了對拉伸應變、壓縮應變以及溫度的檢測，而且由于傳感器的靈敏度系數(shù)h、h′的放大作用使該傳感方法的靈敏度高并可根據(jù)實際應用要求進行方便的選擇和調整。本發(fā)明使光纖微彎傳感器的應用范圍有了很大的突破。
權利要求
1.一種光纖微彎傳感器，光纖(1)置于光纖微彎調制器的齒隙中，其特征在于調制器是由帶齒的弧形剛性彈性片(2)與應變傳遞板(3)對安置而形成，彈性片的兩端與應變傳遞板或其兩端的擋板(5)相連接且位置固定。
2.如權利要求1所述的光纖微彎傳感器，其特征在于由兩塊應變傳遞板通過其兩端的擋板相連而形成應變傳遞架，弧形剛性彈性片位于其間且兩面帶齒，即彈性片的兩面均與應變傳遞板相對而組成一對光纖微彎調制器。
3.如權利要求1或2所述的光纖微彎傳感器，其特征在于光纖沿著由弧形剛性彈性片的弧形所形成平面的正交方向放置，調制器中的齒亦相應地沿著該方向排列。
4.如權利要求1或2所述的光纖微彎傳感器，其特征在于應變傳遞板上的齒采用柔性彈性材料制作。
5.如權利要求3所述的光纖微彎傳感器，其特征在于應變傳遞板上的齒采用柔性彈性材料制作。
6.如權利要求1或2或5所述的光纖微彎傳感器，其特征在于彈性片的熱膨脹系數(shù)比應變傳遞板的熱膨脹系數(shù)高。
7.如權利要求3所述的光纖微彎傳感器，其特征在于彈性片的熱膨脹系數(shù)比應變傳遞板的熱膨脹系數(shù)高。
8.如權利要求4所述的光纖微彎傳感器，其特征在于彈性片的熱膨脹系數(shù)比應變傳遞板的熱膨脹系數(shù)高。
全文摘要
本發(fā)明屬于以光學方法檢測應變以及溫度的器件。它采用了弧形剛性彈性片2將x方向的應變轉換為y方向的位移，利用光纖的微彎損耗原理將此位移量通過光纖彎曲程度的變化所引起的光纖中傳輸光的損耗變化來反映，實現(xiàn)了對應變尤其是拉伸應變的檢測。它不僅可作拉伸及壓縮應變傳感器，另外還可以作溫度傳感器使用。并可利用光時域反射技術等形成多點分布測試以用于對大型工程結構進行實時監(jiān)測和安全評估等。
文檔編號G01L1/24GK1156819SQ9611692
公開日1997年8月13日 申請日期1996年5月15日 優(yōu)先權日1996年5月15日
發(fā)明者駱飛 申請人:南京航空航天大學