[发明专利]实现精确测量金属应力应变的光纤传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤测量设备技术领域，具体是指一种实现精确测量金属应力应变的光纤传感器。 

背景技术

光纤传感技术是20世纪70年代末兴起的一项技术,光纤传感器由于其优越的性能而备受青睐,其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点,并可以构成传感网络。先进的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级,可以测量压力、温度、应力(应变)、磁场、折射率、形变、微震动、微位移、声压等,已经实现的可用光纤传感技术测量的物理量已达70多种。 

进入21世纪后，光纤传感技术得到了快速发展和普遍应用。其中，金属结构的应力应变精确测量，是光纤传感技术的最主要应用之一，如钢结构安全监测预警、金属材料力学性能测试、交通工具和飞行器气动力特性预测、荷载称重等等，然而，由于光纤特别纤细（直径通常不超过1mm），其主要成分是SiO2，因此特别脆弱，尤其它的抗剪能力很差，直接将其用于实际工程无法满足工程结构的粗放施工要求和野外恶劣环境的长期耐久性要求，因此，需要设计合理的封装结构，首先将光纤封装固定在弹性基底上构成应变传感器，可以逐一检测和校准其温度特性及应变测量性能，并便于包装、运输、现场安装使用；然后在工程使用现场，再将应变传感器安装固定在被测的金属结构体的合适部位，实现对被金属结构体上监测部位的应力应变精确测量。由此，光纤与弹性基底之间，以及构成应变传感器后与被测金属结构体之间就存在多个应变传递界面，传递界面自身的蠕变或非线性变形会极大影响应变测量的精度和长期稳定性，而且使得应变测量输出受温度影响产生的热输出变化量更大（金属结构的热胀系数以及粘接胶的热胀系数通常远远高于光纤自身的热胀系数）、线性度和重复性更差，温度效应难以精确消除。 

因此，为了提高对金属结构体应力应变的测量精度，就必须实现光纤与弹性基底之间以及构成应变传感器后与被测金属结构体之间应变传递界面的刚性、线性、低蠕变连接，并尽量减小光纤应变传感器在被测金属结构体上安装后的温度漂移系数。 

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种有效消除由应变传递界面的蠕变或非线性变形引入的应变测量误差、有效消除温度漂移系数、避免零点漂移、不受周围环境影响的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器。 

为实现上述的目的，本发明的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器采用以下技术方案： 

该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其主要特点是，包括应变弹性梁，该应变弹性梁为环形，所述的应变弹性梁具有第一测量固定端和第二测量固定端，所述的第一测量固定端设置于所述的应变弹性梁的一侧，所述的第二测量固定端设置于所述的应变弹性梁的另一侧，所述的应变弹性梁具有光纤固定端，光纤通过该光纤固定端与所述的应变弹性梁固定连接，且所述的第一测量固定端和所述的第二测量固定端的连线与所述的光纤的轴线相互垂直，所述的应变弹性梁的热膨胀系数与外部被测金属结构体的热膨胀系数相异。 

该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的光纤固定端包括第一光纤固定端和第二光纤固定端，该第一光纤固定端和该第二光纤固定端位于所述的应变弹性梁的两侧，且所述的第一光纤固定端与所述的第二光纤固定端的连线与所述的第一测量固定端和所述的第二测量固定端的连线相互垂直，所述的光纤的一端与所述的第一光纤固定端连接，所述的光纤的另一端与所述的第二光纤固定端连接。 

该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的应变弹性梁具有弹性，当所述的第一测量固定端与所述的第二测量固定端之间的距离减小，则所述的第一光纤固定端与所述的第二光纤固定端之间的距离增大；当所述的第一测量固定端与所述的第二测量固定端之间的距离增大，则所述的第一光纤固定端与所述的第二光纤固定端的距离减小。 

该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的光纤通过焊料与所述的光纤固定端连接，该焊料为玻璃焊料或金锡焊料。 

该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的第一测量固定端和所述的第二测量固定端的表面设置有凸台，被测金属结构体通过电容储能焊接法与所述的凸台固定连接。 

该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的光纤的纤芯内设置有光栅或光纤法布里珀罗干涉腔。 

该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的光纤的纤芯内设置有光栅，所述的光栅的栅区沿光纤轴线方向的长度范围为9～11mm，所述的光纤的表面具有金属层。