[实用新型]基于波纹管的光纤应力传感装置

说明书

技术领域

本实用新型属光纤应力传感装置，尤其是涉及一种基于波纹管并通过对光纤微弯损耗变化的检测而达到应力传感目的的装置。

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、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、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应用环境。

在现有的报道中波纹管常用于制作为压力传感器，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有缺点：1)是动态范围小，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，而封装是个成本较高的过程；2)是测试设备成本高，需要价格较高的光波长解调设备配套使用。动态范围小，封装成本高，特别是高昂的解调设备成本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、具有一定的环境抗干扰能力的特点，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和P_IN分别为输出和输入光功率，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。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于波纹管的光纤应力传感装置，采用的是延长光纤微弯结构，不仅增加了检测距离，并使该光纤检测装置具有使用寿命长、精度高的特点。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于：在波纹管管壁的下凹处的相对两个面上分别布设有A侧变形齿和B侧变形齿，A侧变形齿和B侧变形齿相互交错对应，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在信号光纤的两侧，信号光纤通过延长光纤接测试单元。

当波纹管在应力下伸缩变形时，位于波纹管管壁上的A侧变形齿和B侧变形齿之间的距离也会改变，从而使夹持于两者变形齿间的信号光纤的弯曲曲率变化，这又使信号光纤的弯曲损耗变化，通过测试单元可得到信号光纤弯曲损耗变化的大小，从而可推算出波纹管所受应力的大小。由于在波纹管管壁上布设有众多相互对应的变形齿，从而使信号光纤的有效弯曲长度大大延长，一方面减少了信号光纤的弯曲曲率，另一方面提高该装置的精度，同时也大大延长了信号光纤的使用寿命。

所述的变形齿分布于波纹管的内壁上。

所述的变形齿分布于波纹管的外壁上。

所述的波纹管是螺旋形结构的波纹管。

所述的波纹管的材料是不锈钢、高分子材料、铜合金材料。

在所述的测试单元后面接处理单元。