[发明专利]一种光纤光栅动态矢量拉力传感器及受力计算方法

说明书

本发明提供一种光纤光栅动态矢量拉力传感器及其受力计算方法，该拉力传感器包括感知件、光纤光栅和单模光纤；感知件为多个相同的敏感柱体集成在一起的中空柱体，每个所述敏感柱体上粘贴有光纤光栅，所述光纤光栅平行于敏感柱体的轴向方向设置，光纤光栅的两端与单模光纤连接，所述单模光纤缠绕在中空柱体上，串联连接每个敏感柱体上的光纤光栅，所述单模光纤的首端连接光源，尾端连接解调单元。实现了各个敏感部件的无缝衔接，降低了工艺要求，将外界力无衔接的传递到感知柱，提高传感器的感知灵敏度和精准度；同时，设置了多个敏感柱体，分别粘贴光纤光栅，避免三个光栅的中心波长会同时发生变化。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤光栅动态矢量拉力传感器及受力计算方法。

背景技术

光纤传感的机理是将光源入射的光束经由光纤送入传感前端，在传感前端内与外界被测参数发生相互作用，使传感前端中光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调后获得被测参数。

目前，光纤光栅是光纤纤芯中一段折射率周期性变化的结构，当入射光波长为λ＝2nΛ时就会被光栅反射回去，n为折射率，Λ为栅距。光纤光栅是应用最广泛、技术最成熟的点式光纤传感器之一。光纤光栅应变传感器具有重要的工程价值，相较于电阻应变片、振弦式应变计，具有诸多的优势：

1)光纤本身绝缘，抗电磁干扰的性能优异；

2)机械性能优异，径细、质软、重量轻、体积小；

3)耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能；

4)动态响应，容易集成，可以长距离传输。

光纤光栅应变传感器是栅区反射回来的中心波长变化对应力应变进行测量的技术，换言之，传感器得到的波长漂移反映的是光纤光栅所在的位置的力学信息。根据工程应用的实际效果，光纤光栅应变传感器的应用形式分为表面式和内嵌式。表面式也叫贴片式，需将光纤光栅应变片直接贴附在结构工件表面之上，由于不同的位置受力情况不同，需在不同的位置布置光纤光栅，如对孔壁的环应力、飞行器机翼结构的应变场进行监测，需沿一定方向、等间距串联布置多根光纤光栅，缠绕式、网格化密布被测结构表面，组成传感器阵列；内嵌式光纤光栅应变传感器一般针对桥梁、钢筋等结构，施工较为复杂，需要从表面打孔至需要测量应力的位置，再将多根光纤光栅串联内置封装在被测工件中，构成准分布式传感网络，应变-中心波长变化值反映的是被测结构的内部应力变化。两种应用形式的示意图如图2所示。

近十多年来，光纤光栅应变监测技术发展迅速，重要集中在传感端设计、长距离准分布式系统开发、新型应用封装技术等方面，其在石油石化、土木建筑、航空航天、交通运输、军工、电力、消防、安防、医疗等行业得到了快速应用，取得了不少工程应用成果，产生了巨大的经济效应。光纤光栅从理论、研制、生产、应用、推广都已经建立了完整的产业链，但光纤传感的发展远远不能满足市场需求，主要表现在(1)感知物理量的传感比较单一，不能满足行业的广泛需求；(2)传感的行业适用性较差，需要匹配各行业特点定制开发专用传感；(3)多物理场耦合情况下的传感单一感知能力差，传感的物理场解耦技术有待解决；(4)光纤传感的封装工艺可靠性欠缺，需要新技术、新工艺和新材料来解决；(5)光纤传感的标定检测设备匮乏且技术不成熟，严重制约传感精度等关键指标。