[发明专利]一种基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器

说明书

本发明公开了一种基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器，包括弹性应变基片和光纤光栅串，所述弹性应变基片包括横梁、弹性应变单元、固定端、位移放大机构，所述横梁的两端分别通过弹性应变单元与固定端相连，构成温度补偿机构，所述位移放大机构沿横向轴线对称布设在横梁的上下两侧，所述光纤光栅串包括应变测量光栅和温度补偿光栅，所述应变测量光栅位于弹性应变基片的纵向轴线位置，安设在两纵向位移臂上，所述温度补偿光栅的两端位于弹性应变基片的横向轴线位置，安设在横梁上。本发明具有应变灵敏度大、结构简单小巧、可靠性高、易于安装并能有效消除温度漂移的优点，适用于各类机械结构中小量程范围的高精度应变测量。

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器，尤其适用于各类机械结构中应变量的高精度测量。

背景技术

光纤光栅具有体积小、重量轻、防爆、对电绝缘、抗电磁干扰、可靠性高、环境适应性好，且在单根光纤上可以布置多个针对不同参数的测量光栅形成分布式传感器的特点，因此成为光纤传感领域的研究热点之一。光纤光栅应变传感器是利用光栅应变量与布拉格波长间的关系进行应变测量，目前在桥梁、大坝、矿山及电站等大型工程的健康监测和安全预警领域得到了广泛的应用。

近年来，光纤光栅应变传感器向其他应用领域迅速发展，其中包括如机床结构、齿轮箱系统、飞机机翼及卫星太阳能板等机械结构的变形监测与运行维护。以上这些机械结构往往设计刚度高、变形量小，相对于大型工程建筑其测量点的应变测量范围窄、应变幅值小，需要传感器具有较大的应变灵敏度。并且一些特殊的复杂机械结构内部空间有限，对传感器的尺寸大小以及安装操作空间有严格要求。

目前，光纤光栅应变传感器的封装主要包括了管式、嵌入式和基片式封装结构。其中管式封装主要适用于建筑中埋入安装，一般尺寸较大，难以安装在机械结构表面进行应变测量。嵌入式封装通过将裸光栅直接嵌入其它有机聚合物粘接剂基体安装到待测表面，但是由于聚合物基体的应变对传递效率造成损失，其应变灵敏度要小于裸光纤光栅。中国发明专利公开号为CN101571380提供的基片式封装方案中，将光纤光栅固定在具有平板弹簧结构的金属基片上，使传感器两端可以承受较大应变(±2500με)，此方案可以实现大量程范围的应变传感，但是没有对光纤光栅的应变灵敏度作出相应改善，难以适用于机械结构中的小应变测量。

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存在的不足提供一种结构紧凑，测量精度高的基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器。

本发明所采用的技术方案为：一种基于柔性铰链的高灵敏光纤光栅应变传感器，其特征在于：包括弹性应变基片和光纤光栅串，所述弹性应变基片具有纵向轴线和横向轴线，且分别沿纵向轴线和横向轴线对称设置，包括横梁、弹性应变单元、固定端、位移放大机构，所述横梁的两端分别通过弹性应变单元与固定端相连，构成温度补偿机构，所述位移放大机构沿横向轴线对称布设在横梁的上下两侧，所述位移放大机构包括一纵向位移臂和两个转动连接臂，所述纵向位移臂的两端分别通过第二柔性铰链对称连接转动连接臂，所述两转动连接臂的外端头分别通过第一柔性铰链与对应的固定端相连，所述第一柔性铰链的中心线和第二柔性铰链的中心线呈一定夹角布设，所述光纤光栅串包括应变测量光栅和温度补偿光栅，所述应变测量光栅位于弹性应变基片的纵向轴线位置，安设在两纵向位移臂上，所述温度补偿光栅的两端位于弹性应变基片的横向轴线位置，安设在横梁上。

按上述技术方案，所述弹性应变单元为O型弹性应变单元。

按上述技术方案，所述应变测量光栅在预应力拉直状态下固定到两纵向位移臂上。

按上述技术方案，所述温度补偿光栅在自由弯曲状态下固定到横梁两端。

按上述技术方案，所述温度补偿光栅和应变测量光栅分别采用玻璃焊料焊接在弹性应变基片上。