实现精确测量金属应力应变的光纤传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，包括应变弹性梁，应变弹性梁具有第一测量固定端和第二测量固定端，第一测量固定端和第二测量固定端的连线与光纤的轴线相互垂直。采用了该结构的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，改变了传统胶粘方式导致的蠕变，提高了零点的长期稳定性；安装在被测金属结构体上的光纤的输出几乎不受环境温度变化的影响，无需借助任何额外的测温传感器进行二次补偿；光纤的横向灵敏度降低，使得光纤只对应变弹性梁测量方向的应变敏感，保证光纤具有良好的应变测量单一方向性；应变弹性梁直接与被测金属结构体焊接的工艺也保证了应变传递界面的刚度，消除了应变传递界面自身的蠕变及非线性变形。

【技术实现步骤摘要】
实现精确测量金属应力应变的光纤传感器
本专利技术涉及一种光纤测量设备
，具体是指一种实现精确测量金属应力应变的光纤传感器。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。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(11)与所述的第二测量固定端之间的距离范围为14～18mm。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与所述的第二测量固定端之间的距离为16mm。该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的第一光纤固定端与所述的第二光纤固定端之间的距离范围为22～26mm。该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的第一光纤固定端与所述的第二光纤固定端之间的距离范围为24mm。该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的凸台的直径范围为0.6～0.8mm。该实现精确测量金属应力应变的光纤传感器中的凸台的高度范围为0.6～0.8mm。采用了该结构的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器具有以下有益效果：1、用于应变测量的光纤两端通过焊料与光纤固定端连接，改变了传统胶粘方式导致的蠕变，提高了零点的长期稳定性，而且不受潮湿影响，使光纤传感器的长期精度和环境适应性显著提高。2、由于应变弹性梁的应变测量方向与光纤的受力变形方向垂直正交，将被测金属结构体热膨胀变形转换为光纤受压缩变形，正好与光纤自身的热胀拉伸变形相互抵消，从而使安装在被测金属结构体上的光纤的输出几乎不受环境温度变化的影响，无需借助任何额外的测温传感器进行二次补偿。3、应变弹性梁的应变测量方向与光纤的受力变形方向垂直正交，显著降低了光纤的横向灵敏度，使得光纤只对应变弹性梁测量方向的应变敏感，而对非测量方向的应变以及任意方向的弯矩、扭矩均不敏感，保证了光纤具有良好的应变测量单一方向性。4、凸台通过电容储能焊接与被测金属结构体固定，由于在可在短短的毫秒级时间内完成焊接，因此焊接后具有极低的残余应力，焊接前后，光纤的输出变化通常小于5με，对被测金属结构体自身固有的应力应变状态不造成影响。与此同时，这种将应变弹性梁直接与被测金属结构体焊接的工艺也保证了应变传递界面的刚度，消除了应变传递界面自身的蠕变及非线性变形，从而保证了金属结构体应力应变测量结果的真实性和准确性。附图说明图1为本技术的传感器的示意图。图2为本技术的传感器的主视图。图3为本技术的传感器的俯视图。图4为本技术的传感器使用时的示意图。图中标号说明如下：1应变弹性梁11第一测量固定端12第二测量固定端13第一光纤固定端14第二光纤固定端2光纤3凸台4被测金属结构体具体实施方式为了能更清楚地理解本专利技术的
技术实现思路
，特举以下实施例详细说明。请参阅图1至图4，该光纤传感器，包括应变弹性梁1，该应变弹性梁1为环形，应变弹性梁1具有第一测量固定端11和第二测量固定端12，第一测量固定端11设置于应变弹性梁1的一侧，第二测量固定端12设置于应变弹性梁1的另一侧，应变弹性梁1具有光纤固定端，光纤2通过该光纤固定端与应变弹性梁1固定连接，且第一测量固本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其特征在于，包括应变弹性梁（1），该应变弹性梁（1）为环形，所述的应变弹性梁（1）具有第一测量固定端（11）和第二测量固定端（12），所述的第一测量固定端（11）设置于所述的应变弹性梁（1）的一侧，所述的第二测量固定端（12）设置于所述的应变弹性梁（1）的另一侧，所述的应变弹性梁（1）具有光纤固定端，光纤（2）通过该光纤固定端与所述的应变弹性梁（1）固定连接，且所述的第一测量固定端（11）和所述的第二测量固定端（12）的连线与所述的光纤（2）的轴线相互垂直，所述的应变弹性梁（1）的热膨胀系数与外部被测金属结构体（4）的热膨胀系数相异。

【技术特征摘要】
1.一种实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其特征在于，包括应变弹性梁(1)，该应变弹性梁(1)为环形，所述的应变弹性梁(1)具有第一测量固定端(11)和第二测量固定端(12)，所述的第一测量固定端(11)设置于所述的应变弹性梁(1)的一侧，所述的第二测量固定端(12)设置于所述的应变弹性梁(1)的另一侧，所述的应变弹性梁(1)具有光纤固定端，光纤(2)通过该光纤固定端与所述的应变弹性梁(1)固定连接，且所述的第一测量固定端(11)和所述的第二测量固定端(12)的连线与所述的光纤(2)的轴线相互垂直，所述的应变弹性梁(1)的热膨胀系数与外部被测金属结构体(4)的热膨胀系数相异；所述的光纤固定端包括第一光纤固定端(13)和第二光纤固定端(14)，该第一光纤固定端(13)和该第二光纤固定端(14)位于所述的应变弹性梁(1)的两侧，且所述的第一光纤固定端(13)与所述的第二光纤固定端(14)的连线与所述的第一测量固定端(11)和所述的第二测量固定端(12)的连线相互垂直，所述的光纤(2)的一端与所述的第一光纤固定端(13)连接，所述的光纤(2)的另一端与所述的第二光纤固定端(14)连接，所述的第一测量固定端(11)和所述的第二测量固定端(12)的表面设置有凸台(3)，所述的被测金属结构体(4)通过电容储能焊接法与所述的凸台(3)固定连接。2.根据权利要求1所述的实现精确测量金属应力应变的光纤传感器，其特征在于，所述的应变弹性梁(1)具有弹性，当所述的第一测量固定端(11)与所述的第二测量固定端(12)之间的距离减小，则所述的第一光纤固定端(13)与所述的第二光纤固定端(14)之间的距离增大；当所述的第一测量固定端(11)与所述的第二测量固定...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟少龙，李明，
申请(专利权)人：钟少龙，李明，
类型：发明
国别省市：