專利名稱：一種溫度自補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖光柵技術(shù)的傳感領(lǐng)域，尤其是涉及一種溫度自補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器。
背景技術(shù)：
光纖光柵應(yīng)變傳感器的設(shè)計原理在于光纖光柵在應(yīng)力作用下，波長值變化與應(yīng)力大小成線性關(guān)系。但光纖光柵同時還具有熱敏效應(yīng)，即在溫度的變化下，波長值也有相應(yīng)的變化，加上被測基體也存在溫度效應(yīng)(熱脹冷縮)，所以在存在溫差的測試環(huán)境下，必須進行溫度補償。傳統(tǒng)光纖光柵應(yīng)變傳感器，如中國實用新型專利C擬651704Y于2004年10月 27日公開的一種光纖光柵應(yīng)變傳感器，其對溫度補償?shù)姆椒ㄒ话闶窃趹?yīng)變傳感器邊上串接一個溫度傳感器進行補償，而補償方式通常有以下兩種(1)單獨消除光柵本身的溫度效應(yīng)方法如下應(yīng)變所造成的波長變化ACWAS= (CWS1TI-CWTI)-(CWSCITO-WTO)Cffs010 應(yīng)變傳感器的初始波長，CWto 補償用溫度傳感器的初始波長，Cffsin 應(yīng)變傳感器的測量波長，Cffn 補償用溫度傳感器的測量波長。光柵溫度效應(yīng)補償后的應(yīng)變值ε = ACW^/kk 給定應(yīng)變傳感器的應(yīng)變系數(shù)；(2)同時消除光柵本身的溫度效應(yīng)和被測基體的溫度效應(yīng)方法如下應(yīng)變所造成的波長變化ACff^' = (Cffsin-Cffn) - (CWs0t0-CWt0) -A α ATk= Δ ds-A α ATkΔ T = T1-T0T1 測量溫度，T0 初始參考溫度，Cffsin 應(yīng)變傳感器測試波長，Cffs010 應(yīng)變傳感器初始波長，CWT1:溫度傳感器測試波長，CWto 溫度傳感器初始波長，α 被測量基體的熱膨脹系數(shù)，A與約束條件有關(guān)的參數(shù)在0和1之間。補償后的應(yīng)變值ε ‘ = ACW^/k-Aa Δ Tα ΔΤ為材料在Δ T溫度變化條件下的熱應(yīng)變量。α取材料線膨脹系數(shù)經(jīng)驗值， ΔT通過溫度傳感器測得。方法一的缺點在于溫度傳感器需要與基體、應(yīng)變傳感器保持在同一個溫度環(huán)境下才能做到準確補償，溫度傳感器與應(yīng)變傳感器感的感溫速度存在差異，在溫度起伏較大的環(huán)境下很難做到精確補償，而且將基體的熱膨冷縮也作為一種應(yīng)變參與應(yīng)力計算，在Δ T 較大時，會反應(yīng)出較大的應(yīng)變值，易出現(xiàn)誤報，同時也很難將基體實際的受力情況分離出來；方法二缺點在于約束條件A的值很難測得，計算誤差也比較大，膨脹系數(shù)α —般取經(jīng)驗值，存在一定的誤差，整個補償方法也比較繁瑣，如果是健康監(jiān)測系統(tǒng)，軟件部分的編寫也比較復(fù)雜。溫度自補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器設(shè)計所要達到的效果是溫度發(fā)生變化而無外力的情況下，光纖光柵應(yīng)變傳感器的波長保持不變，即傳感器只在基體受力的情況下發(fā)生波長變化，應(yīng)變計算也變簡單了 ε = (Cffsl-Cffs0) /K

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種數(shù)據(jù)更加直觀， 減少了溫度補償?shù)倪\算及測試成本，提高測量準確度的溫度自補償式光纖光柵應(yīng)變傳感
ο本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種溫度自補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于，該傳感器由第一螺管、第二螺管、金屬管、彈性桿、光纖光柵、外管及安裝座組成，所述的第一螺管及第二螺管上各設(shè)有兩個螺母，第一螺管與金屬管左端通過螺紋連接，所述的彈性桿左端與金屬管右端連接，右端與第二螺管連接，彈性桿延伸在金屬管內(nèi)部，兩端焊接有光纖光柵，所述的外管套設(shè)在金屬管的外部，所述的安裝座經(jīng)焊接或粘接與被測基體固定。所述的第一螺管及第二螺管為高硬度材料制成。所述的第一螺管及第二螺管為銅或不銹鋼材料制成。所述的金屬管為高膨脹系數(shù)材料制成。所述的金屬管為銅或鋁材料制成。所述的彈性桿的材料為殷鋼。所述的彈性桿左端與金屬管連接，右端與右側(cè)的螺管連接。
所述的傳感器內(nèi)部填充硅油。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)在環(huán)境溫度發(fā)生變化而無應(yīng)力產(chǎn)生的情況下，傳感器的波長不發(fā)生變化，即傳感器只在有應(yīng)力產(chǎn)生的情況下發(fā)生波長變化，這樣的數(shù)據(jù)更加直觀，減少了溫度補償?shù)倪\算，同時減少了測試成本，提高了測量的準確度；(2)底座底面可設(shè)計成平面與基底表面焊接或粘接，或設(shè)計成弧面，與鋼筋表面焊接，所以此應(yīng)變計可作為表面應(yīng)變計，同時也可以作為鋼筋應(yīng)力計，主要用于測試混凝土表面、鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)表面上應(yīng)力變化(如大橋、大壩、鋼骨架結(jié)構(gòu)、高樓承重梁等)，達到監(jiān)測及預(yù)防的作用；(3)傳感器內(nèi)部填充了硅油，可防止空氣侵入后產(chǎn)生內(nèi)部零件的氧化或腐蝕。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為第一螺管、2為金屬管、3為彈性桿、4為外管、5為安裝座、6為螺母、7為
光纖光柵、8為第二螺管。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例一種光纖光柵應(yīng)變傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括縱向上設(shè)有開口槽的兩安裝座5，第一螺管1與金屬管2相連，金屬管2連接著彈性桿3的左端，光纖光柵7固定在彈性桿3的兩端，彈性桿3的右端連接第二螺管8，彈性桿3外側(cè)套有外管4，第一螺管1，第二螺管8上各設(shè)有兩個螺母6，兩螺管6卡在安裝座5的開口槽內(nèi)，四個螺母6分別分布在兩個安裝座5的兩側(cè)，通過螺母6將光纖光柵應(yīng)變傳感器固定。兩安裝座5焊接或通過膨脹釘固定在基體上。本發(fā)明的其創(chuàng)新點在于在溫度升高時，設(shè)計中的金屬管2由于膨脹會向內(nèi)側(cè)延伸，由于彈性桿3為彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計，金屬管2的膨脹會使得彈性桿3被壓縮，另外由于彈性桿3的膨脹系數(shù)接近為零，所以基本不會向外延伸，這樣，光纖光柵7上的應(yīng)力將被部分釋放，通過選擇合適的金屬管材料及長度，便能實現(xiàn)不僅抵消基底膨脹對傳感器波長的影響， 同時也抵消的光柵本身的熱敏特性。彈性桿3選擇了低膨脹系數(shù)材料殷鋼(invar)，這類金屬材料的膨脹系數(shù)接近于零，當(dāng)溫度變化時，材料自身的熱脹冷縮改變傳感器的波長值趨于零。第一螺管1與第二螺管8為不銹鋼或黃銅等高硬度金屬，螺母6同樣為不銹鋼或黃銅材料，這樣的搭配能提高螺紋間的咬合牢度，防止脫扣或滑絲。下面結(jié)合

本發(fā)明的動作過程。通過鎖緊第一螺管1及第二螺管8上的螺母6使傳感器固定在底座上。當(dāng)基體受外力作用時，外力通過結(jié)構(gòu)傳遞到光纖光柵7上，光纖光柵7產(chǎn)生了波長變化，反應(yīng)出外力的大小。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，基體的膨脹應(yīng)變作用到傳感器上，而傳感器內(nèi)部金屬管2為高膨脹材料，彈性桿3為彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計，金屬管2的膨脹直接壓縮彈性桿3，而光纖光柵7固定在彈性桿3的兩端，這樣便釋放了作用于光纖光柵7上的基體膨脹應(yīng)變，而彈性桿3為殷鋼材料，溫度的升高基本不會使彈性桿3產(chǎn)生膨脹，這樣就很大程度上減少了彈性桿3的膨脹引起的傳感器的波長變化。溫度降低時的工作原理一樣。傳感器自身補償?shù)牟ㄩL變化量是基體在自由狀態(tài)下受溫度影響之下自身的熱脹冷縮引起的傳感器波長變化及光纖光柵自身的熱敏效應(yīng)的波長變化之和，當(dāng)基體受結(jié)構(gòu)約束不能自由熱脹冷縮時，在無外力情況下，溫度升高時，波長會減小，而溫度降低時，波長會增大，而這個波長變化量真實反應(yīng)了基體受到約束而產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，這也是此發(fā)明的一大優(yōu)勢之一。
權(quán)利要求
1.一種溫度自補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于，該傳感器由第一螺管、第二螺管、金屬管、彈性桿、光纖光柵、外管及安裝座組成，所述的第一螺管及第二螺管上各設(shè)有兩個螺母，第一螺管與金屬管左端通過螺紋連接，所述的彈性桿左端與金屬管右端連接，右端與第二螺管連接，彈性桿延伸在金屬管內(nèi)部，兩端焊接有光纖光柵，所述的外管套設(shè)在金屬管的外部，所述的安裝座經(jīng)焊接或粘接與被測基體固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫度自補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于，第一螺管及第二螺管為高硬度材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種溫度自補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于，第一螺管及第二螺管為銅或不銹鋼材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫度自補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述的金屬管為高膨脹系數(shù)材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種溫度自補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述的金屬管為銅或鋁材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫度自補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述的彈性桿的材料為殷鋼。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫度自補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述的彈性桿左端與金屬管連接，右端與右側(cè)的螺管連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫度自補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述的傳感器內(nèi)部填充硅油。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種溫度自補償式光纖光柵應(yīng)變傳感器，由第一螺管、第二螺管、金屬管、彈性桿、光纖光柵、外管及安裝座組成，螺管上設(shè)有兩個螺母，第一螺管與金屬管左端螺紋連接，彈性桿左端與金屬管右端連接并延伸在金屬管內(nèi)部，彈性桿右端與第二螺管連接，彈性桿兩端焊接有光纖光柵，外管套設(shè)在金屬管的外部，安裝座與被測基體固接。本發(fā)明在無應(yīng)力的情況下，波長值不隨溫度的變化而變化，達到溫度自補償?shù)男Ч桓饫w光柵的波長變化數(shù)據(jù)直接反應(yīng)被測物體的應(yīng)變變化，底座底面與鋼筋表面焊接，測試混凝土表面、鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)表面上應(yīng)力變化，達到監(jiān)測及預(yù)防的作用，傳感器內(nèi)部填充的硅油防止空氣侵入后產(chǎn)生內(nèi)部零件的氧化或腐蝕。
文檔編號G01B11/16GK102410817SQ201010287980
公開日2012年4月11日 申請日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者孫斌 申請人:孫斌