[发明专利]360°应力监测光纤光栅微弯传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种360°应力监测光纤光栅微弯传感器。

背景技术

光纤光栅微弯传感器是根据微弯引起光纤光栅弯曲而导致中心波长漂移来设计的，其原理是根据光纤光栅受被测参量调制而发生弯曲产生中心波长的漂移，通过探测光纤光栅中心波长的漂移量来检测被测参量。当外界被测参量发生变化时，使得光纤光栅发生周期性的微弯，并且弯曲程度发生变化，这时光纤光栅中通过的光信号的中心波长就会发生变化，由此可检测被测参量的变化。光纤光栅微弯传感器除了具有一般光纤光栅传感器的抗电磁干扰、柔韧性好、体积小、重量轻等特点外，还有自己独特的优点例如：容易机械装配，不需要将光纤光栅连接到其他部件中，从而避免了差热膨胀问题；具有较高的可靠性和安全性。

现有的光纤光栅微弯传感器结构种类很多，有波纹形、锯齿形、螺旋形，弹性圆柱或圆筒形、交架形等多种形式，通常锯齿形结构采用较多，而此种结构的灵敏度取决于齿形板间微弯光纤光栅的长度和齿槽之间的距离，可以通过合理设计齿槽间距，使光纤光栅的弯曲达到最佳效果，提高灵敏度，但齿形板的尺寸不可能设计的很长，最终限制了此种结构的灵敏度。上述结构种类中的传感器大多仅能够测量特定方位的应力、位移、加速度等外界参量的变化，而很多情况下传感器所受的外界参量的作用方位是不定的，因此迫切需要一种全方位监测的光纤光栅微弯传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较高灵敏度，能够360°监测外界参量变化的光纤光栅微弯传感器。

一种360°应力监测光纤光栅微弯传感器，包括

圆柱体内壳，其外侧面沿周加工有垂直于端面的齿槽；

光纤光栅，环绕于圆柱体内壳的齿槽上；

外壳，包围于圆柱体内壳，其内侧面加工有与内壳齿槽互相耦合的锯齿；

连接件，位于内壳和外壳之间，用于连接内壳和外壳；

弹簧，套放在连接件上；

自然状态下，内壳和外壳与光纤光栅相互贴紧但不使光纤光栅产生形

变；外界参量作用于外壳时，外壳锯齿向内壳齿槽移动，光纤光栅受挤压产生弯曲，通过测量光纤光栅弯曲产生的中心波长漂移量来获知外界参量的作用；外界参量作用消失，在弹簧的作用下外壳回位。

所述齿槽宽度其中，NA为光纤光栅的数值孔径，n为光纤光栅的纤芯折射率，a为纤芯半径，M为总模式数，m为导模序数。

所述齿槽的截面为扇形或梯形。

所述外壳的锯齿齿尖打磨平滑。

所述外壳可采用一个圆形壳体或多个弧形壳体拼接而成，相邻弧形壳体之间具有缝隙。

所述内壳和外壳采用具有一定韧性的材料如聚氯乙烯（PVC），ABS树脂等来制作。

本发明的技术效果体现在：

本发明采用上述技术方案能实时的监测外界应力、加速度、位移等参量的变化，而且通过360°全方位刻齿，大大提高了传感器的灵敏度，通过光时域反射技术还能够进行定位测量，判断被测参量产生的方位。

附图说明

下面结合附图和本发明的具体实施对本发明做进一步的详细描述：

图1是本发明的整体结构图。

图2是本发明的爆炸结构图。

图3是本发明的圆柱体内壳结构示意图。

图4是本发明的90°齿型壳体结构示意图。

图5是本发明的侧向剖视图，其中，图5(a)为光纤光栅紧贴于内壳外侧示意图，图5(b)为光纤光栅紧贴于外壳内侧示意图。

具体实施方式

图1-5为本发明360°应力监测光纤光栅微弯传感器的一个实施例。

参见图1和图3，圆柱体内壳采用360°刻齿，即在其外侧表面平行于母线的方向上围绕圆柱体的一周刻上齿槽2。齿槽的数量、深度和宽度可根据圆柱体内壳的尺寸适当调整。为了提高装置的灵敏度，齿槽的最佳宽度可以按照公式其中NA为光纤光栅的数值孔径，n为光纤光栅的纤芯折射率，a为纤芯半径，M为总模式数，m为导模序数；齿槽的截面为梯形；外壳的齿尖打磨平滑，防止外壳在移动时对光纤光栅造成损坏。为了和与之对应的齿型外壳相耦合，在内壳的侧表面每间隔90°钻有螺钉安装孔9，在螺钉安装孔里刻有弹簧安置槽6。

光纤光栅8环绕于圆柱形内壳，平行于内壳底面，置于内壳与外壳的齿对之间。光纤光栅8可紧贴于圆柱形内壳外侧，如图5(a)所示，也可紧贴外壳内侧，如图5（b）所示。