[发明专利]一种量程可调的光纤光栅应变传感器及其制备和使用方法

权利要求书

1.一种量程可调的光纤光栅应变传感器，其特征在于，包括刻有光栅的光纤(1)、夹持杆(2)、连接管(3)、弹簧(4)、支座固定件(5)、传感器保护管(6)、跳线保护管(7)；

所述光纤(1)两端分别用胶粘剂粘贴在两个夹持杆(2)上，两夹持杆(2)之间套上弹簧(4)，弹簧(4)两端分别用两个连接管(3)旋进夹持杆(2)从而压紧弹簧(4)，对光纤(1)预加预拉应力；两连接管(3)背向弹簧(4)的外端分别与两支座固定件(5)相连，两支座固定件(5)之间设有传感器保护管(6)，两支座固定件(5)外端设有跳线保护管(7)；

该光纤光栅应变传感器的制备方法，具体制作步骤如下：

步骤一、根据监测要求和光纤光栅应变传感器量程可调原理，确定应变光栅(11)两端外侧的光纤在两夹持杆(2)的粘贴点之间的距离为l和两支座固定件(5)中点间的距离l₀；所述光纤光栅应变传感器量程可调的原理：应变光栅(11)两端外侧的光纤在两夹持杆(2)的粘贴点之间的距离为l，应变光栅(11)的应变为ε，两支座固定件(5)中点间的距离为l₀，设被测对象的应变ε₀，由于夹持杆(2)远远大于光纤(1)的刚度，则l的变形量Δl与l₀在被测对象受力产生的变形量Δl₀近似相等，则有：

即有：

从上面公式可知：应变光栅(11)的应变ε和被测对象的应变ε₀之比与两支座固定件(5)中点间的距离为l₀和光纤在两夹持杆(2)的粘贴点之间的距离l之比相等，即改变l₀和l之间的比值，即可调整所述光纤光栅应变传感器的量程；当被测对象的应变ε₀远小于光纤光栅的极限应变4000-7000με时，根据需要可适当增加光纤光栅的灵敏度，即使光纤光栅所监测的应变大于ε₀，只需使l小于l₀即可；当被测对象的应变ε₀大于光纤光栅的极限应变时，根据需要可增大光纤光栅的监测量程，即使光纤光栅所监测的应变小于ε₀，只需使l大于l₀即可，具体做法是有一小段光纤放在夹持杆(2)的凹槽(22)内不粘贴，留此一段光纤自由长度后往夹持杆(2)外侧粘贴光纤；

步骤二、依据步骤一所确定l，确定应变光栅(11)两外侧端光纤上两个粘贴起始点：取光纤(1)，摆成直线状，以应变光栅(11)为对称中心量出l的长度，在光纤上标识出l长度的两端点，此两端点即为光纤在夹持杆(2)的凹槽(22)的两个粘贴起始点，同时在l的长度范围内套上裸纤保护管(12)，确保裸纤保护管(12)比l稍长；

步骤三、计算夹持杆长度并确定凹槽上的粘贴点：根据步骤一已确定的l₀和l的大小关系，确定光纤粘贴点在夹持杆(2)的位置，计算出夹持杆(2)的长度:当l＜l₀时，夹持杆(2)的长度为光纤粘贴长度；当l≥l₀时，夹持杆(2)的长度为光纤粘贴长度加上(l-l₀)，其中粘贴长度不小于40mm；取长度满足要求的两个夹持杆(2)，确定光纤在夹持杆(2)的粘贴位置，用光纤粘贴专用胶(8)将光纤从两个粘贴起始点往外侧对称地粘贴在两夹持杆(2)的凹槽(22)内，粘贴长度不小于40mm；待粘贴胶完全固化后待用；

步骤四、粘贴温补光栅(14)：当所述传感器设有温度补偿时，用光纤粘贴专用胶(8)将所述光纤(1)上刻有的温补光栅(14)全程粘贴在任一一个夹持杆(2)的凹槽(22)内,待粘贴胶完全固化后待用；温度补偿原理如下：由于夹持杆(2)的刚度远远大于光纤的刚度，被测对象在l₀范围内产生的变形量Δl₀几乎全部由两端分别粘贴在两个夹持杆(2)之间的光纤光栅承担，而分开的两个夹持杆(2)本身不产生变形量，因此全程粘贴在夹持杆(2)上的温补光栅(14)的变形量与夹持杆(2)的变形量相等为零，不会因被测对象的变形而产生应变，如此，温补光栅(14)的中心波长的变化只与温度有关，从而实现温度补偿；

步骤五：组装连接管(3)和弹簧(4)并对光纤光栅进行预拉伸：取弹簧(4)，将步骤三和步骤四做好的光纤(1)及夹持杆(2)组件穿入弹簧，使弹簧(4)位于两夹持杆(2)之间，再将光纤(1)两端分别穿过连接管(3)，两端连接管(3)通过配套内螺纹(31)初步旋入两端夹持杆(2)；在光纤一端熔接光纤跳线，接上光纤光栅解调仪，并根据量程所确定的l₀，通过配套内螺纹(31)精确调整两连接管(3)在两夹持杆(2)上的位置，同时通过压紧弹簧(4)，使应变光栅(11)产生微小的预拉力，避免应变光栅(11)处于松弛状态，从而应变光栅(11)的初始应变与被测对象的初始应变同步；在调整两连接管(3)在两夹持杆(2)上的位置时，保持夹持杆(2)不发生旋转，只通过连接管(3)的旋进和旋出精确调整位置；

步骤六、组装支座固定件(5)、传感器保护管(6)以及跳线保护管(7)：取传感器保护管(6)，套入两连接管(3)之间；将光纤(1)依次穿过支座固定件(5)和跳线保护管(7)，穿过后在将外露于夹持杆两端(2)的裸光纤用铠装跳线保护好；组装好支座固定件(5)和跳线保护管(7)；至此，所述的一种量程可调的光纤光栅应变传感器制作完成；

步骤七、对光纤光栅应变传感器进行后续应变灵敏度系数和温度灵敏度系数标定，分别得出应变光栅(11)的应变灵敏度系数K₁和温度灵敏度系数K_t1，以及温补光栅(14)的温度灵敏度系数K_t。