[发明专利]具有限位板的波纹管型光纤应力传感装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤应力传感装置，尤其是涉及一种具有限位板的波纹管型光纤应力传感装置。

背景技术

波纹管的用途非常广泛，波纹管是纵向可以形变，侧向基本不形变的弹性元件，在传感方面，可用于各类测量、调节、控制以及传感仪器的敏感元件、补偿元件、连接件和密封件等；作为膨胀节的柔性段，可用于补偿管路因温差造成的轴向、横向和角位移，也可以在管路中用于补偿位置偏差和吸收管道的振动等。可以看出，波纹管作为传感装置中的关键元件，可以适应多种实际环境中。

在现有的报道中波纹管常用于制作压力传感器，由于其主要通过霍尔效应来实现待测量的感测，所以其缺点主要是容易受电磁干扰、不易远距离传输数据，精度低，性能差。而光纤类传感装置相对传统传感器有诸多优点，如《光学学报》2004，24(2)第187-189页，刊载了文章《高灵敏度的光纤光栅压强传感器》，其介绍了一种用金属波纹管封装光纤光栅的压力传感的结构，该传感器具有精度高、易于远程获取数据、抗电磁干扰等多个优点。然而，光纤光栅类型传感器的也存在以下缺点：1)动态范围小，光纤光栅一般是经紫外线曝光的裸光纤制成，其强度值较低，变形能力小，导致动态范围小；另外，需良好的封装才能使用，而封装成本较高；2)测试设备成本高，需要价格较高的光波长解调设备配套使用，而光波长解调设备成本高昂，限制了该传感器的广泛使用。

而光纤微弯传感器是一种光强度调制的传感器，具有成本低、灵敏度高且对环境有一定的抗干扰能力的特点，其实现方案是基于光纤的弯曲或微弯损耗来实现的，通过改变光纤的弯曲程度，从而导致输出光功率的变化。

光功率损耗的原理是：当光纤受到弯曲扰动的时候，将会产生弯曲损耗，主要是微弯损耗和宏弯损耗。两者弯曲损耗均是由于光纤弯曲时导致纤芯中的部分导模耦合至包层引起的，两者损耗可以根据Marcuse的理论公式计算弯曲损耗大小，其公式如下：

P_OUT＝P_IN exp(-γS)

其中，P_OUT为输出光功率，P_IN为输入光功率，γ是弯曲损耗系数，S为弯曲弧长。可以看出光纤的弯曲损耗系数γ越大，即光纤弯曲半径越小，则损耗越大，但弯曲半径过小会导致光纤寿命大幅度减少，影响传感器的使用寿命，所以实际应用中光纤的弯曲半径是受限制的；另一方面，在相同的弯曲损耗系数γ下，若增加弯曲弧长S，则可增大衰减，可以通过大幅度增加弯曲弧长S，达到大幅度提高光纤传感器的动态范围和精度的目的。

中国专利87107210提供的方案是以光纤的微弯损耗为主的来实现微弯光纤应力计，但由于其是通过两块平板来实现的，平板的尺寸不可能太大，使可以弯曲的光纤长度受到限制，妨碍了该类光纤传感器的动态范围和精度的提高。另外两块板相对运动的可调节距离最大只有数百微米，且运动时两块板须保持基本的平行，所以此类传感器对调节的机械结构有较高的要求，不仅增加了实施成本，同样也限制了该类光纤传感器的动态范围和精度的提高，同时由于弯曲应力的存在对光纤的寿命有较大影响，如何防止让光纤承受过大的弯曲应力也是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有限位板的波纹管型光纤应力传感装置，其结构简单、设计合理且加工制作方便，能有效实现较大范围作用力的实时、准确、可靠且快速测试，同时保证了信号光纤的使用寿命，进而提高了整个装置的使用性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有限位板的波纹管型光纤应力传感装置，包括波纹管，其特征在于：所述波纹管的管壁内侧下凹处对称设置有变形齿一和变形齿二，所述变形齿一位于内管壁的一侧，所述变形齿二位于内管壁的另一侧，所述变形齿一和变形齿二呈均匀间隔布设，所述变形齿一与变形齿二之间设置有信号光纤，所述信号光纤与用于测试其弯曲损耗变化的测试单元相接，所述测试单元还与用于处理测试单元测试数据的处理单元相接，所述测试单元和处理单元均位于波纹管外；所述管壁内侧下凹处两侧之间设置有限位板，所述限位板一端固定于管壁内侧下凹处两侧中的一侧，所述限位板另一端与管壁内侧下凹处两侧中的另一侧之间有预设距离。

上述的具有限位板的波纹管型光纤应力传感装置，其特征在于：所述限位板上设置有用于信号光纤穿过的通道。

上述的具有限位板的波纹管型光纤应力传感装置，其特征在于：所述信号光纤通过延长光纤与测试单元相接。

上述的具有限位板的波纹管型光纤应力传感装置，其特征在于：所述限位板为V形限位板。