光纖應變感測器

《光纖應變感測器》是中國電子科技集團公司第八研究所於2012年5月9日申請的發明專利，該專利申請號為2012101424384，公布號為CN102661718A，專利公布日為2012年9月12日，發明人是孫兵、朱濤、張麗、葉揚高、張萬成，該發明涉及一種應變感測器。

《光纖應變感測器》包括管殼，管殼的兩端分別安裝有一個端蓋，管殼內設有光纖光柵，光纖光柵包括連為一體的第一光纖光柵和第二光纖光柵，第一光纖光柵的兩端分別對應固定在兩個端蓋上且預張緊，第二光纖光柵固定於其中一個端蓋上，第一光纖光柵的自由端和第二光纖光柵的自由端伸出對應的端蓋外，管殼內安裝有應變減敏梁，應變減敏梁由中間固定部和與其兩側連線的兩個鏡像對稱的邊緣應變減敏部構成，中間固定部固定於管殼的內壁上，兩個邊緣應變減敏部的自由端與第一光纖光柵固定連線，且兩個邊緣應變減敏部與第一光纖光柵的粘接點之間的光纖光柵長度是中間固定部橫向長度的數倍。該發明的光纖應變感測器的量程大、準確度高。

2017年6月22日，《光纖應變感測器》獲得安徽省第五屆專利獎優秀獎。

（概述圖為《光纖應變感測器》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：光纖應變感測器
• 公布號：CN102661718A
• 公布日：2012年9月12日
• 申請號：2012101424384
• 申請日：2012年5月9日
• 申請人：中國電子科技集團公司第八研究所
• 地址：安徽省淮南市國慶中路369號
• 發明人：孫兵、朱濤、張麗、葉揚高、張萬成
• 代理機構：北京雙收智慧財產權代理有限公司
• 代理人：王菊珍
• Int.Cl.：G01B11/16(2006.01)I
• 類別：發明專利 

專利背景

傳統的應變感測器是以應變-電量為基礎，以電信號為轉換及傳輸的載體，用導線傳輸電信號，因此，使用時易受到電磁場和環境的影響，如環境濕度太大可能引起短路，特別是高溫和易燃、易爆環境中易引起火災等等。

研究發現，當光纖光柵的應變發生改變時，光柵有效折射率和光柵周期會改變，從而導致光纖光柵的中心波長也會發生改變，例如對於中心波長為1550納米附近的光纖光柵，1個微應變（即1微應變）將引起約1皮米的波長變化，通過測定光纖光柵中心波長的變化，即可推倒出應變的變化，從而可以構成一種新型的光纖光柵應變感測器。較之以應變-電量為基礎的傳統應變感測器，光纖光柵應變感測器的抗干擾特性較強，因此，2012年5月之前廣泛套用於民用工程結構、航空航天業、船舶航運業、電力工業、石油化工業、醫學、核工業等行業，尤其是在高電壓、強電磁場、易燃易爆的惡劣環境中具有很強的套用優勢。

由於自身結構的局限性，2012年5月之前普通光纖光柵應變感測器的測量範圍一般在0～2500微應變左右，但在很多場合，如火箭發動機固體推進劑，直升機旋翼等，待測量的應變數可能在10000微應變左右甚至更高，因此2012年5月之前的光纖光柵應變感測器的測量範圍無法滿足測量要求。此外。由於光纖光柵的波長漂移通常要受到溫度的影響，從而導致其測量準確度偏低，測量誤差大（一般在5％～10％左右）。

發明內容

專利目的

《光纖應變感測器》的目的在於提供一種量程大且誤差小的光纖應變感測器。

技術方案

《光纖應變感測器》包括管殼，所述管殼的兩端分別安裝有一個端蓋，所述管殼內設有光纖光柵，所述光纖光柵包括連為一體的第一光纖光柵和第二光纖光柵，所述第一光纖光柵的兩端分別對應固定在兩個所述端蓋上且預張緊，其用於檢測因受外力作用引起的應變和因環境溫度引起的應變，所述第二光纖光柵固定於其中一個所述端蓋上，其用於檢測因環境溫度引起的應變，所述第一光纖光柵的自由端和所述第二光纖光柵的自由端伸出對應的端蓋外，所述管殼內安裝有應變減敏梁，所述應變減敏梁由中間固定部和與其兩側連線的兩個鏡像對稱的邊緣應變減敏部構成，所述中間固定部固定於所述管殼的內壁上，兩個所述邊緣應變減敏部的自由端與所述第一光纖光柵固定連線，且兩個所述邊緣應變減敏部與所述第一光纖光柵的粘接點之間的光纖光柵長度是所述中間固定部橫向長度的數倍。

改善效果

《光纖應變感測器》由於兩個邊緣應變減敏部與第一光纖光柵的粘接點之間的光纖光柵長度是中間固定部橫向長度的數倍（假設為N倍），則光纖應變感測器通過其應變減敏梁傳遞到光纖光柵上的應變，為被測物應變的1/N，因此，該發明的光纖應變感測器使用應變減敏梁可以較好的保護光纖光柵，並且提高光纖應變感測器的測量範圍。而由於第一光纖光柵的中心波長漂移同時受到應變和環境溫度的影響，其測出的應變包括因受外力作用引起的應變和因環境溫度引起的應變，而第二光纖光柵其中心波長飄移不受應變影響，只受環境溫度影響，其測出的應變為因環境溫度引起的應變，並且，第一光纖光柵和第二光纖光柵同在管殼內，它們所處的環境溫度一致，因此，將第一光纖光柵的測得應變減去第二光纖光柵的測量的因環境溫度引起的應變，能消除溫度變化引起的測量誤差，從而可以提高測量準確度。

附圖說明

圖1為《光纖應變感測器》的主視剖視圖。

圖1

權利要求

1.《光纖應變感測器》包括管殼（1），所述管殼（1）的兩端分別安裝有一個端蓋（2），所述管殼（1）內設有光纖光柵（3），其特徵在於，所述光纖光柵（3）包括連為一體的第一光纖光柵（31）和第二光纖光柵（32），所述第一光纖光柵（31）的兩端分別對應固定在兩個所述端蓋（2）上且預張緊，其用於檢測因受外力作用引起的應變和因環境溫度引起的應變，所述第二光纖光柵（32）固定於其中一個所述端蓋（2）上，其用於檢測因環境溫度引起的應變，所述第一光纖光柵（31）的自由端和所述第二光纖光柵（32）的自由端伸出對應的端蓋（2）外，所述管殼（1）內安裝有應變減敏梁（4），所述應變減敏梁（4）由中間固定部（41）和與其兩側連線的兩個鏡像對稱的邊緣應變減敏部（42）構成，所述中間固定部（41）固定於所述管殼（1）的內壁上，兩個所述邊緣應變減敏部（42）的自由端與所述第一光纖光柵（31）固定連線，且兩個所述邊緣應變減敏部（42）與所述第一光纖光柵（31）的粘接點之間的光纖光柵長度是所述中間固定部（41）橫向長度的數倍；所述應變減敏梁（4）是由一條形不鏽鋼板彎折而成的一體結構，所述中間固定部（41）為矩形平底槽結構，兩個所述邊緣應變減敏部（42）為兩個鏡像對稱的階梯型結構。

2.根據權利要求1所述的光纖應變感測器，其特徵在於，兩個所述邊緣應變減敏部（42）沿所述管殼（1）徑向的長度之和是所述中間固定部（41）沿所述管殼（1）徑向的長度的5倍。

3.根據權利要求2所述的光纖應變感測器，其特徵在於，所述條形不鏽鋼板的厚度在0.25～0.5毫米。

4.根據權利要求1所述的光纖應變感測器，其特徵在於，所述管殼（1）與兩個所述端蓋（2）圍成的內腔內填充滿光纖填充油膏（5）。

5.根據權利要求4所述的光纖應變感測器，其特徵在於，兩個所述端蓋（2）的外側空隙填充滿防水密封膠（6）。

實施方式

參考圖1所示，該實施例的光纖應變感測器包括管殼1，管殼1的兩端分別粘結有一個端蓋2，管殼1內設有光纖光柵3，該光纖光柵3是由連為一體的第一光纖光柵31和第二光纖光柵32構成的雙光柵光纖，第一光纖光柵31的兩端分別對應粘接固定在兩個端蓋2上且預張緊，其用於檢測因受外力作用引起的應變和因環境溫度引起的應變，第二光纖光柵32粘接固定於其中一個端蓋2上，其用於檢測因環境溫度引起的應變，第一光纖光柵31和第二光纖光柵32，第一光纖光柵31的自由端和第二光纖光柵32的自由端伸出對應的端蓋2外，管殼1內壁上固定安裝有應變減敏梁4，該應變減敏梁4是由一厚度為0.25～0.5毫米的條形不鏽鋼板彎折而成的一體結構，其包括中間固定部41和與其兩側連線的兩個鏡像對稱的邊緣應變減敏部42，其中，中間固定部41為矩形平底槽結構，而兩個邊緣應變減敏部42為兩個鏡像對稱的階梯型結構，中間固定部41粘接固定於管殼1的內壁上，兩個邊緣應變減敏部42的自由端與第一光纖光柵31粘接固定。為保證應變減敏達到要求，兩個邊緣應變減敏部42與第一光纖光柵31的粘接點之間的光纖光柵長度是中間固定部41橫向長度的5倍（也可以根據實際量程需要適當改變倍數）。為了提高應變減敏效果，管殼1與兩個端蓋2圍成的內腔內填充滿光纖填充油膏5。此外，兩個端蓋2的外側空隙填充滿防水密封膠6，以保護光纖光柵3。

假設當被測物受拉力發生形變時，應變數為ε，由於中間固定部41的底部通過管殼1與被測物連線在一起，則中間固定部41同時產生應變其中，L為中間固定部41的原長度，L'為發生形變時中間固定部41的長度，ΔL為形變數，應變減敏梁4除中間固定部41外其餘部分由於未與管殼1接觸，因此均未發生形變，即應變減敏梁4整體變形量為ΔL，假設兩個邊緣應變減敏部42之間的光纖光柵的應變為

其中，Lf為兩個邊緣應變減敏部42之間的光纖光柵的原長度，L為兩個邊緣應變減敏部42之間的光纖光柵發生形變時的長度。由此可見，該實施例的光纖應變感測器通過其應變減敏梁傳遞到光纖光柵（具體為第一光纖光柵31）上的應變，為被測物應變的1/5，當被測物發生15000微應變時，光纖光柵（具體為第一光纖光柵31）只產生3000微應變。並且，由於第一光纖光柵31的中心波長漂移同時受到應變和環境溫度的影響，其測出的應變包括因受外力作用引起的應變和因環境溫度引起的應變，而第二光纖光柵32其中心波長飄移不受應變影響，只受環境溫度影響，其測出的應變為因環境溫度引起的應變，並且，第一光纖光柵31和第二光纖光柵32同在管殼1內，它們所處的環境溫度一致，因此，將第二光纖光柵32的測量的因環境溫度引起的應變帶入第一光纖光柵31的應變函式進行修正，能消除溫度變化引起的測量誤差，從而可以提高測量準確度。

榮譽表彰

2017年6月22日，《光纖應變感測器》獲得安徽省第五屆專利獎優秀獎。