專利名稱：一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬光纖應(yīng)力傳感裝置，尤其是涉及一種基于光纖微彎損耗變化的柱體狀應(yīng)力傳感裝置。
背景技術(shù)：
由于對(duì)滑坡、泥石流、地震、以及大型人工建筑物健康監(jiān)測(cè)的需要，應(yīng)力參數(shù)監(jiān)測(cè)是技術(shù)人員最關(guān)心的重要參數(shù)之一，傳統(tǒng)的以電和磁為核心的傳感器由于耐久性、抗干擾能力等方面的缺陷導(dǎo)致其應(yīng)用范圍比較狹窄。隨著對(duì)光纖理解的深入以及光纖技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者傾向于采用光纖技術(shù)方案對(duì)應(yīng)力進(jìn)行點(diǎn)式和分布式監(jiān)測(cè)，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00410073021. 2《埋入式微彎光纖傳感器和微彎光纖傳感器埋入與測(cè)試方法》的專利文獻(xiàn)中，提出了一種包含有光纖的多節(jié)短套管構(gòu)成的蛇形微彎光纖傳感器，其套管間形成微彎點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是抗電磁干擾、適用于多種巖體的檢測(cè)、測(cè)試精度高、 可以實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)，但該方案中，套管間形成的微彎點(diǎn)的彎曲曲率是隨機(jī)的，也可能較大，也可能較小，當(dāng)曲率過小時(shí)，光纖的強(qiáng)度就會(huì)受到影響，甚至很快就斷裂了，造成傳感裝置的失效，另外微彎點(diǎn)處光纖的保護(hù)也明顯不足，但若加強(qiáng)保護(hù)，又可能失去以微彎?rùn)z測(cè)的條件，或者需要特殊的裝置來(lái)保護(hù)，又無(wú)形中增加了成本。這些都限制了該發(fā)明的光纖傳感器的推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于柱體的光纖應(yīng)力傳感裝置， 采用的是預(yù)制的光纖微彎結(jié)構(gòu)，不僅可以監(jiān)測(cè)到應(yīng)力的變化，同時(shí)可以計(jì)算出應(yīng)力的大小， 在有第二信號(hào)光纖時(shí)，還可以得到應(yīng)力作用的方向。使本發(fā)明的光纖應(yīng)力監(jiān)測(cè)裝置具有使用壽命長(zhǎng)、精度高、用途廣的特點(diǎn)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置，其特征在于在柱體10上分布有縫隙4，縫隙4的相對(duì)兩面上分別布設(shè)有A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4-2，A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4-2相互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)，A側(cè)變形齒4_1和B側(cè)變形齒4-2對(duì)應(yīng)布設(shè)在信號(hào)光纖6的兩側(cè)，信號(hào)光纖6通過延長(zhǎng)光纖1接測(cè)試單元5，在測(cè)試單元5后面接處理單元7。當(dāng)柱體10在應(yīng)力下變形時(shí)，縫隙4的寬度變化，使位于縫隙4的相對(duì)兩面上的A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4-2之間的距離也會(huì)改變，從而使夾持于兩者變形齒間的信號(hào)光纖6的彎曲曲率變化，這又使信號(hào)光纖6的彎曲損耗變化，通過測(cè)試單元5可得到信號(hào)光纖 6彎曲損耗變化的大小，并傳遞給處理單元7，處理單元7推算出柱體10所受應(yīng)力的大小。 由于在柱體10上布設(shè)有眾多相互對(duì)應(yīng)的變形齒，從而使信號(hào)光纖6的有效彎曲部分的長(zhǎng)度大大延長(zhǎng)，一方面減少了信號(hào)光纖6的彎曲曲率，另一方面提高該裝置的精度，同時(shí)也大大延長(zhǎng)了信號(hào)光纖6的使用壽命。所述的縫隙4的分布方向是橫向的，即與柱體10的軸向垂直。
所述的縫隙4的分布方向是縱向的，即與柱體10的軸向平行。所述的縫隙4的分布方向是傾斜的，即與柱體10的軸向的夾角是大于零度小于九十度的。有多條縫隙4平行分布于柱體10上。所述的縫隙4以螺旋的方式分布于柱體10上。所述的縫隙4分布于柱體10的外表面上。所述的縫隙4分布于柱體10的內(nèi)表面上。所述的縫隙4是包含于柱體10內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。所述的縫隙4的寬度從柱體10的一端到另一端是變化的。所述的柱體4和變形齒的膨脹系數(shù)的關(guān)系可以補(bǔ)償溫度效應(yīng)，優(yōu)選的是柱體10的膨脹系數(shù)略大于變形齒的膨脹系數(shù)。所述的柱體10的材料是不銹鋼、高分子材料、銅合金材料。在所述的信號(hào)光纖6的一端安置有光反射裝置，如光反射鏡、光纖光柵、或在信號(hào)光纖的端面鍍反射膜，或僅僅是將信號(hào)光纖的端面處理為鏡面。所述的信號(hào)光纖6的另一端通過延長(zhǎng)光纖1與1X2光分路器的1 口連接，1X2光分路器的2 口分別接構(gòu)成測(cè)試單元5的穩(wěn)定光源和光功率計(jì)。從柱體10的一端至另一端、分布于柱體10上縫隙4內(nèi)的變形齒的齒高、齒距或齒形是變化的，如齒高是遞增或遞減的、齒距是遞增或遞減的、齒形頂端的曲率是遞增或遞減的。所述的柱體10是軸連接器。信號(hào)光纖6或信號(hào)光纖8的一部分沒有被所述的分布于柱體10上縫隙4內(nèi)的變形齒夾持，或該部分沒有對(duì)應(yīng)的變形齒，該部分的信號(hào)光纖6或信號(hào)光纖8是緩沖光纖，是用于吸納或補(bǔ)償其余部分信號(hào)光纖6或信號(hào)光纖8在彎曲變形時(shí)光纖長(zhǎng)度的變化。所述的信號(hào)光纖6或信號(hào)光纖8被防水材料包覆。所述的防水材料是阻水油膏。所述信號(hào)光纖6或信號(hào)光纖8為外部包有多層光纖保護(hù)層的光纖，如緊套光纖、碳涂覆光纖、聚酰亞胺涂覆光纖等；所述信號(hào)光纖6或信號(hào)光纖8也可以是塑料光纖、多芯光纖、細(xì)徑光纖或光子晶體光纖。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置，是將柱體10與光纖微彎結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮各自結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并互相補(bǔ)充，使該傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、設(shè)計(jì)合理、操作方便且使用方式靈活、靈敏度高；
2、一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓饫w微彎結(jié)構(gòu)，包括增加信號(hào)光纖6或信號(hào)光纖8的有效彎曲長(zhǎng)度，從而一方面增加了檢測(cè)的精度和靈敏度，并可以減少信號(hào)光纖6或信號(hào)光纖8的彎曲曲率，從而延長(zhǎng)了信號(hào)光纖6或信號(hào)光纖8的使用壽命，使該光纖傳感裝置具有使用壽命長(zhǎng)、精度高的特點(diǎn)；
3、一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置由于可以采用增加信號(hào)光纖6或信號(hào)光纖8長(zhǎng)度的光纖微彎結(jié)構(gòu)，從而可以使本裝置可以響應(yīng)更大的應(yīng)力以及更大的應(yīng)力作用距離，擴(kuò)展了該裝置的使用范圍。4、一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置中的柱體10可以是軸連接器，可以監(jiān)測(cè)輸出力矩或扭矩的大小。5、一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置中的柱體10可以是經(jīng)特殊加工的鋼筋、鋼棒或鋼管，或其他堅(jiān)固耐用的材料，安置于建筑物中或需監(jiān)測(cè)的山體及巖體上，由于該結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，和高靈敏的監(jiān)測(cè)性，所以是一種良好的應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器。綜上所述，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏度高、 使用效果好，匯集了柱體10與光纖微彎結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，并使其具有的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步的放大，使本發(fā)明的裝置具有更好的精度、更長(zhǎng)的使用壽命、以及更優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)能力。下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明第一具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明第一具體實(shí)施方式
中柱體沿的A-A’的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明第二具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明第三具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)記說明
1一延長(zhǎng)光纖；4一縫隙；4-1 一A側(cè)變形齒； 4-2—B側(cè)變形齒；5—測(cè)試單元；6—信號(hào)光纖； 7—處理單元；8—第二信號(hào)光纖；10—柱體； 4-3—第二 A側(cè)變形齒；4-4一第二 B側(cè)變形齒。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括一個(gè)在柱體10的外表面的縫隙4中的相對(duì)兩個(gè)面上分別布設(shè)有A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4-2，A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4_2相互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)，A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4-2對(duì)應(yīng)布設(shè)在信號(hào)光纖6的兩側(cè)，信號(hào)光纖6通過延長(zhǎng)光纖1接測(cè)試單元5，測(cè)試單元5后面接有處理單元7。當(dāng)柱體10在應(yīng)力下伸縮變形時(shí)，位于柱體10的外表面上的縫隙4中的A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4-2之間的距離也會(huì)改變，從而使夾持于兩者變形齒間的信號(hào)光纖6 的彎曲曲率變化，這又使信號(hào)光纖6的彎曲損耗變化，通過測(cè)試單元5可得到信號(hào)光纖6彎曲損耗變化的大小，測(cè)試單元5將數(shù)據(jù)傳遞給處理單元7，處理單元7推算出柱體10所受應(yīng)力的大小。由于在柱體10的外表面上的縫隙4中布設(shè)有眾多相互對(duì)應(yīng)的變形齒，從而使信號(hào)光纖6的有效彎曲長(zhǎng)度大大延長(zhǎng)，一方面減少了信號(hào)光纖6的彎曲曲率，另一方面提高該裝置的精度，同時(shí)也大大延長(zhǎng)了信號(hào)光纖6的使用壽命。一種優(yōu)選的做法是在信號(hào)光纖6中有一部分是作為緩沖光纖的，即該部分的信號(hào)光纖6附近沒有對(duì)應(yīng)的變形齒，當(dāng)信號(hào)光纖6彎曲曲率變化時(shí)，緩沖光纖吸納或補(bǔ)償信號(hào)光纖6的長(zhǎng)度的變化。在監(jiān)測(cè)柱體10的彎曲變形參數(shù)時(shí)，一種做法是將沿柱體10徑向的某個(gè)方向的區(qū)域中的縫隙4內(nèi)的變形齒去掉，該區(qū)域的信號(hào)光纖6作為緩沖光纖，這樣可以監(jiān)測(cè)到柱體10 變形的方向。所述的縫隙4可以是螺旋形分布于柱體10的外表面、內(nèi)表面或柱體10的內(nèi)部?？p隙4也可以以多條平行的方式分布于柱體10上。所述的柱體10是軸連接器，可以同時(shí)監(jiān)測(cè)軸旋轉(zhuǎn)的扭力、扭矩、角加速度以及轉(zhuǎn)速。所述的縫隙4的寬度從柱體的一端到另一端是變化的，這樣可以進(jìn)一步加大柱體 10的變形范圍。通過選擇適當(dāng)?shù)牟牧鲜怪w10和變形齒受溫度影響的變形可以相互抵消或部分抵消，從而補(bǔ)償溫度帶來(lái)的影響，如柱體10的膨脹系數(shù)稍大于變形齒的膨脹系數(shù)，在溫度升高時(shí)，柱體10整體伸長(zhǎng)，使縫隙4的寬度略微增加，同時(shí)溫度的升高也使變形齒的高度也稍微伸長(zhǎng)一些，可以看出兩者的變化可以補(bǔ)償一定的溫度效應(yīng)，通過選擇兩者的合適膨脹系數(shù)的材料可以盡可能的減少溫度影響。所述的柱體10的材料是不銹鋼、高分子材料、銅合金材料。在所述的信號(hào)光纖6的一端可以安置有光反射裝置，如光反射鏡、光纖光柵、或在信號(hào)光纖的端面鍍反射膜，或僅僅是將信號(hào)光纖的端面處理為鏡面。所述的信號(hào)光纖6的另一端通過延長(zhǎng)光纖1與1X2光分路器的1 口連接，1X2光分路器的2 口分別接構(gòu)成測(cè)試單元5的穩(wěn)定光源和光功率計(jì)。從柱體10的一端至另一端、分布于柱體10上縫隙4內(nèi)的變形齒的齒高、齒距或齒形是變化的，如齒高是遞增或遞減的、齒距是遞增或遞減的、齒形頂端的曲率是遞增或遞減的，可以根據(jù)實(shí)際要求改變，更增加了本裝置的靈活使用能力。所述信號(hào)光纖6為外部包有多層光纖保護(hù)層的光纖，如緊套光纖、碳涂覆光纖、聚酰亞胺涂覆光纖等；所述信號(hào)光纖6也可以是塑料光纖、多芯光纖、細(xì)徑光纖或光子晶體光纖；或是多根信號(hào)光纖6并排夾持在變形齒間，或是多根信號(hào)光纖6通過樹脂合并為信號(hào)光纖束或信號(hào)光纖帶。所述信號(hào)光纖6和延長(zhǎng)光纖1外部包覆有防水材料，如防水油膏，可進(jìn)一步防止水分子對(duì)信號(hào)光纖6和延長(zhǎng)光纖1的侵蝕，延長(zhǎng)了信號(hào)光纖6和延長(zhǎng)光纖1的使用壽命。
實(shí)施例2
如圖3所示，本實(shí)施例中，與實(shí)施例1不同的是在縫隙4內(nèi)安裝有第二組變形齒，在第二組變形齒間夾持有第二信號(hào)光纖8，信號(hào)光纖8也通過延長(zhǎng)光纖接測(cè)試單元5，可以通過使第二組變形齒的齒高、齒距或齒形等參數(shù)與信號(hào)光纖6變形齒的不同來(lái)做到對(duì)施加于柱體10上待測(cè)應(yīng)力方向的測(cè)試，使本裝置測(cè)試結(jié)果可靠程度提高。一種優(yōu)選的做法是在信號(hào)光纖8中有一部分是作為緩沖光纖的，即該部分的信號(hào)光纖8附近沒有對(duì)應(yīng)的變形齒，當(dāng)信號(hào)光纖8彎曲曲率變化時(shí)，緩沖光纖吸納或補(bǔ)償信號(hào)光纖8的長(zhǎng)度的變化。本實(shí)施例中，其余部分的結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系和工作原理均與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3
如圖4所示，本實(shí)施例中，與實(shí)施例1不同的是縫隙4縱向分布于柱體10的表面上， 可以通過測(cè)試信號(hào)光纖6光功率變化來(lái)監(jiān)測(cè)柱體10的扭轉(zhuǎn)參數(shù)，如扭轉(zhuǎn)力或力矩，扭轉(zhuǎn)角度等參數(shù)。本實(shí)施例中，其余部分的結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系和工作原理均與實(shí)施例1相同。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置，其特征在于在柱體(10)上分布有縫隙(4)，縫隙(4)的相對(duì)兩面上分別布設(shè)有A側(cè)變形齒(4-1)和B側(cè)變形齒(4-2)，A側(cè)變形齒(4-1)和B側(cè)變形齒(4-2)相互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)，A側(cè)變形齒(4-1)和B側(cè)變形齒(4-2)對(duì)應(yīng)布設(shè)在信號(hào)光纖(6)的兩側(cè)，信號(hào)光纖(6)通過延長(zhǎng)光纖(1)接測(cè)試單元(5)，在測(cè)試單元(5)后面接處理單元(7)。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置，其特征在于有多條縫隙(4)平行分布于柱體(10)上。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置，其特征在于所述的縫隙(10)以螺旋的方式分布于柱體(10)上。
4.按照權(quán)利要求1、2或3所述的一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置，其特征在于所述的縫隙(4) 分布于柱體(10)的外表面上。
5.按照權(quán)利要求1、2或3所述的一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置，其特征在于所述的縫隙(4) 分布于柱體(10)的內(nèi)表面上。
6.按照權(quán)利要求1、2或3所述的一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置，其特征在于所述的縫隙(4) 是包含于柱體(10)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。
7.按照權(quán)利要求1至6所述的任意一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置，其特征在于所述的縫隙 (4)的寬度從柱體(10)的一端到另一端是變化的。
8.按照權(quán)利要求1至6所述的任意一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置，其特征在于所述的柱體 (10)的膨脹系數(shù)大于變形齒的膨脹系數(shù)。
9.按照權(quán)利要求1至6所述的任意一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置，其特征在于從柱體(10) 的一端至另一端、分布于柱體(10)上縫隙(4)內(nèi)的變形齒的齒高、齒距或齒形是變化的。
10.按照權(quán)利要求1所述的一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置，其特征在于信號(hào)光纖(6)或信號(hào)光纖(8)的一部分沒有被所述的分布于柱體(10)上縫隙(4)內(nèi)的變形齒夾持，或該部分沒有對(duì)應(yīng)的變形齒，該部分的信號(hào)光纖(6)或信號(hào)光纖(8)是緩沖光纖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柱體應(yīng)力感測(cè)裝置，其是在柱體(10)上分布的縫隙(4)內(nèi)布設(shè)有兩列變形齒，信號(hào)光纖(6)夾持變形齒間。當(dāng)柱體(10)在應(yīng)力下變形時(shí)，在柱體(10)上的縫隙(4)內(nèi)的兩列變形齒之間的距離會(huì)改變，從而使夾持于兩者變形齒間的信號(hào)光纖(6)的彎曲曲率變化，導(dǎo)致信號(hào)光纖(6)的彎曲損耗變化，通過測(cè)試單元(5)和處理單元(7)可推算出柱體(10)所受應(yīng)力的大小。在具有第二信號(hào)光纖(8)時(shí)，對(duì)應(yīng)信號(hào)光纖(8)的變形齒參數(shù)與對(duì)應(yīng)信號(hào)光纖(6)的變形齒不同，通過獲取同一時(shí)刻兩者光纖的數(shù)據(jù)可計(jì)算出柱體(10)所受應(yīng)力的方向。通過將柱體(10)和微彎結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成了新型傳感裝置。
文檔編號(hào)G01L1/24GK102384804SQ201010271879
公開日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者杜兵 申請(qǐng)人:西安金和光學(xué)科技有限公司