[发明专利]一种小型化柔性光纤光栅应变传感器

说明书

本发明公开了一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，包括光纤、光纤光栅、高弹性模量聚合物材料涂覆层、低弹性模量聚合物材料涂覆层、高弹性模量聚合物材料夹层；光纤的一部分刻写有光纤光栅，光纤的包层表面涂覆有高弹性模量聚合物材料涂覆层；光纤中刻写有光纤光栅的部分对应的高弹性模量聚合物材料涂覆层表面涂覆有低弹性模量聚合物材料涂覆层；涂覆有低弹性模量聚合物材料涂覆层的部分光纤及光纤光栅两侧的部分光纤固定在高弹性模量聚合物材料夹层内部。本发明公开的小型化柔性光纤光栅应变传感器，适用于多种形状的复合材料、金属结构的表面和内部的应变测试，应变传递效率高，光纤光栅的反射光谱不容易发生啁啾。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种柔性光纤光栅应变传感器。

背景技术

复合材料结构广泛应用于航空航天、军事、电力、石化等领域。为了及时对复合材料结构进行维护、保障运行安全，需要对复合材料结构的变形、载荷、损伤等状况进行监测。光纤光栅应变传感器具有抗电磁干扰、体积小、信号易传输、易复用、稳定性好等优点，在复合材料结构状态监测中具有重要和广泛的应用。

复合材料状态监测，尤其是植入复合材料结构内部的监测，要求光纤光栅应变传感器的体积小、柔性好，同时在复合材料固化应力下能够保持光学信号完整。

现有的金属封装的光纤光栅应变传感器，通过金属结构对光纤光栅进行保护，待测结构的应变通过光纤光栅的两端传递到光纤光栅部分，避免粘接胶直接作用在光纤光栅上导致光纤光栅反射光谱产生啁啾；这种光纤光栅应变传感器，体积较大、刚度较高，难以用于复合材料结构的非平直表面测量，难以用于复合材料结构内部的测量。现有的直接粘接的光纤光栅应变传感器，光纤光栅通过粘接胶直接固定在待测结构表面；这种光纤光栅应变传感器，光纤光栅会受粘接胶固化内应力的影响，使光纤光栅受到不均匀应变的作用，导致光纤光栅的反射光谱产生啁啾，影响光纤光栅应变传感器信号的正常测量。现有的聚合物夹层封装的光纤光栅应变传感器，光纤光栅采用低弹性模量材料夹层进行保护，抑制待测结构应变不均匀对光纤光栅反射光谱的影响；这种光纤光栅应变传感器包括多层结构，制作工艺复杂，低弹性模量材料夹层的面积较大，不利于光纤光栅的定位。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，克服了现有的金属封装光纤光栅应变传感器体积较大、刚度较高，直接粘接光纤光栅的光纤光栅应变传感器容易发生反射光谱啁啾，光纤光栅采用低弹性模量材料夹层封装的光纤光栅应变传感的结构和制作工艺复杂的问题。

本发明的技术解决方案是：一种小型化柔性光纤光栅应变传感器，包括光纤、光纤光栅、高弹性模量聚合物材料涂覆层、低弹性模量聚合物材料涂覆层、高弹性模量聚合物材料夹层；光纤的一部分刻写有光纤光栅，光纤的包层表面涂覆有高弹性模量聚合物材料涂覆层；光纤中刻写有光纤光栅的部分对应的高弹性模量聚合物材料涂覆层表面涂覆有低弹性模量聚合物材料涂覆层；涂覆有低弹性模量聚合物材料涂覆层的部分光纤及光纤光栅两侧的部分光纤固定在高弹性模量聚合物材料夹层内部。

所述高弹性模量聚合物材料涂覆层的材料为聚酰亚胺或尼龙。

所述高弹性模量聚合物材料涂覆层的厚度为5μm～30μm。

所述低弹性模量聚合物材料涂覆层的材料为有机硅凝胶、硅橡胶或丙烯酸酯。

所述低弹性模量聚合物材料涂覆层的厚度为20μm～70μm。

所述高弹性模量聚合物材料夹层的材料为聚酰亚胺、玻璃纤维增强聚酰亚胺、环氧树脂或环氧酚醛。

所述高弹性模量聚合物材料夹层为长方体夹层，长度为10mm～40mm，宽度为0.5mm～8mm，厚度为0.2mm～0.4mm。

所述高弹性模量聚合物材料涂覆层的弹性模量大于1GPa，

所述低弹性模量聚合物材料涂覆层的弹性模量小于30MPa，