專利名稱：新型光纖光柵的多點(diǎn)裂縫監(jiān)測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種新型光纖光柵多點(diǎn)裂縫監(jiān)測(cè)器，具體的說(shuō)是一種能夠同時(shí)測(cè) 量多個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度與裂縫大小的高精度光纖光柵傳感器。
背景技術(shù)：
目前在隧道、煤礦等大型工程領(lǐng)域與橋梁、大型建筑等大型結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，受施工 條件與工程服役時(shí)間的影響，易出現(xiàn)裂縫，造成了巨大的隱患，因此實(shí)施監(jiān)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)的裂縫 發(fā)生發(fā)展過(guò)程具有重要意義。目前大多采用振弦式裂縫計(jì)，防水性能差，壽命短，易發(fā)生零 點(diǎn)漂移，嚴(yán)重限制了它的廣泛應(yīng)用。光纖光柵是一種性能優(yōu)良的溫度傳感器件，與傳統(tǒng)的電傳感器等相比具有體積 小，精度高，防水性能強(qiáng)，易于組網(wǎng)等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，受到科研人員與工程技術(shù)人員的青睞。尤 其是聚合物光纖光柵，除了具有普通光柵的優(yōu)點(diǎn)外，還具有溫度和應(yīng)變靈敏度高，測(cè)量范圍 大，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。并且聚合物光纖光柵與石英光柵的溫度系數(shù)與應(yīng)變系數(shù)不同，因此同 時(shí)應(yīng)用這兩種不同材料的光柵能夠?qū)崿F(xiàn)溫度和應(yīng)變的解耦。在實(shí)際工程領(lǐng)域，要求快速精確地測(cè)量結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部的溫度與裂縫，目前沒有 新型光纖光柵多點(diǎn)裂縫監(jiān)測(cè)器的報(bào)道，并且未見相關(guān)專利。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測(cè)量精度高，測(cè)量范 圍大，具有良好的防水性能，抗電磁干擾，并且安裝方便的光纖光柵裂縫監(jiān)測(cè)器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案新型光纖光柵的多點(diǎn)裂縫監(jiān)測(cè)器，它包括多個(gè)串聯(lián)的光纖光柵裂縫監(jiān)測(cè)器，每個(gè) 光纖光柵裂縫監(jiān)測(cè)器均包括套管，套管的一端與基座I滑動(dòng)連接，另一端與基座II滑動(dòng)連 接；套管內(nèi)設(shè)有傳輸光纖，傳輸光纖上設(shè)有光纖光柵，傳輸光纖一端與基座I連接，另一端 與彈性體一端連接，所述彈性體另一端與基座II連接。所述傳輸光纖為兩根平行放置的傳輸光纖，其中一根為聚合物傳輸光纖，另一根 為石英傳輸光纖；聚合物傳輸光纖和石英傳輸光纖上分別設(shè)有光纖光柵。所述光纖光柵包括多個(gè)串聯(lián)的聚合物光纖光柵及多個(gè)串聯(lián)的石英光纖光柵，聚合 物光纖光柵設(shè)在聚合物傳輸光纖上，石英光纖光柵設(shè)在石英傳輸光纖上。所述基座I或基座II為相鄰光纖光柵裂縫監(jiān)測(cè)器的共用基座。原理首先將基于聚合物光纖光柵及石英光纖光柵的多點(diǎn)裂縫監(jiān)測(cè)器固定在待測(cè) 點(diǎn)處，若待測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生裂縫，則基座之間的距離發(fā)生變化，使彈性體伸長(zhǎng)產(chǎn)生對(duì)聚合物光纖 光柵與石英光纖光柵的拉力，使兩個(gè)光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化。裂縫越大聚合物光纖光柵 與石英光纖光柵的拉力也越大，兩光柵中心波長(zhǎng)變化也隨之增大。同時(shí)待測(cè)點(diǎn)處溫度的變 化也引起兩根光柵中心波長(zhǎng)的變化。但聚合物光纖光柵與石英光纖光柵的溫度系數(shù)與應(yīng) 變系數(shù)都不相同。因此，在聚合物光纖光柵與石英光纖光柵的溫度系數(shù)與應(yīng)變系數(shù)已知的情況下，可通過(guò)測(cè)量?jī)晒鈻胖行牟ㄩL(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)溫度與應(yīng)變的解耦，進(jìn)而消除光纖光柵對(duì) 溫度與應(yīng)變的交叉敏感，通過(guò)測(cè)量單獨(dú)由應(yīng)變引起的兩光柵中心波長(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)裂縫的測(cè)量。由以上技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型利用聚合物光纖光柵和石英光纖光柵構(gòu)成 的多點(diǎn)裂縫監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)傳感器中心波長(zhǎng)的變化，根據(jù)中心波長(zhǎng)變化可測(cè)量出溫度和裂縫的 大小，并且具有良好的防水性能，抗電磁干擾，提高了測(cè)量精度和測(cè)量結(jié)果的可靠性。

圖1為本實(shí)用新型新型光纖光柵多點(diǎn)裂縫監(jiān)測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本實(shí)用新型中聚合物光纖光柵溫度特性曲線圖；圖3為本實(shí)用新型中石英光纖光柵溫度特性曲線圖；圖4為本實(shí)用新型中聚合物光纖光柵裂縫測(cè)試曲線圖；圖5為本實(shí)用新型中石英光纖光柵裂縫測(cè)試曲線圖。其中1.聚合物光纖光柵，2.石英光纖光柵，3.套管，4.基座，5.彈性體，6.聚合物 傳輸光纖，7.石英傳輸光纖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明圖1中，一種新型光纖光柵多點(diǎn)裂縫監(jiān)測(cè)器，包括多個(gè)光纖光柵裂縫監(jiān)測(cè)器，每個(gè) 光纖光柵裂縫檢測(cè)器都包括聚合物光纖光柵1，聚合物光纖光柵1 一端與彈性體5連接，另 一端固定在傳感器的基座4處，石英光纖光柵2與聚合物光纖光柵1平行放置，并且也是一 端與彈性體5連接，另一端固定在傳感器基座4處。彈性體5另一端則連接到裂縫監(jiān)測(cè)器 另一端的基座4處。聚合物光纖光柵1和石英光纖光柵2與彈性體5有套管3保護(hù)，套管 3與兩端的基座4滑動(dòng)連接。相鄰兩個(gè)裂縫監(jiān)測(cè)器共用一個(gè)基座4，聚合物光纖光柵1和石 英光纖光柵2都采用串聯(lián)的方式連接，前端裂縫監(jiān)測(cè)器的彈性體處聚合物傳輸光纖6和石 英傳輸光纖7處于彎曲狀態(tài)，彎曲程度為不影響裂縫監(jiān)測(cè)器的量程。同時(shí)采用了聚合物光纖光柵1與普通石英光纖光柵2作為溫度與應(yīng)變敏感器件。包括多個(gè)光纖光柵裂縫監(jiān)測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的同時(shí)測(cè)量。前后兩個(gè)裂縫監(jiān)測(cè)器共用一個(gè)基座4。套管3與基座4滑動(dòng)連接，并且該連接處有一卡槽。本實(shí)用新型的具體制作過(guò)程為首先，選定中心波長(zhǎng)在1510nm 1590nm范圍內(nèi)的 聚合物光纖光柵1與石英光纖光柵2，將二者的一端與彈性體5連接，聚合物光纖光柵1與 石英光纖光柵2的另一端固定在基座上4，彈性體5另一端固定在裂縫監(jiān)測(cè)器另一端的基 座4處，與彈性體5平行的聚合物傳輸光纖6與石英傳輸光纖7處于彎曲狀態(tài)，伸直時(shí)不影 響裂縫監(jiān)測(cè)器的量程。其他裂縫監(jiān)測(cè)器采用同樣的方式制作，聚合物光纖光柵1與石英光 纖光柵2都分別采用串聯(lián)的方式。每個(gè)裂縫監(jiān)測(cè)器的長(zhǎng)度和監(jiān)測(cè)的點(diǎn)數(shù)都根據(jù)實(shí)際需要設(shè) 計(jì)。聚合物光纖光柵與石英光纖光柵的溫度系數(shù)分別為ξ工與ξ 2，應(yīng)變系數(shù)分別為K1 與K2,中心波長(zhǎng)漂移分別為Δ X1與Δ λ 2，溫度變化為ΔΤ，應(yīng)變?yōu)棣?。貝Ij[0027]Δ λ ！ = I1X A T+Ki X ε(1)Δ λ 2 = ξ 2 X Δ Τ+Κ2 X ε(2)假設(shè)彈性體的長(zhǎng)度與變化量分別為L(zhǎng)和Δ L，彈性體的彈性系數(shù)為Κ3。由于光柵 的彈性變形非常小，可忽略，因此根據(jù)胡克定律可得AL = ^AF
(3)AF為彈性體處的拉力。假設(shè)聚合物光纖光柵和石英光纖光柵的長(zhǎng)度、變形與截面 積都相同，它們的截面積Α，彈性模量分別為M1與M2,它們所受的拉力△ F1與△ F2分別如公 式⑷與公式(5)所示AF1= Ml AF(4)
M1 +M2AF2 = M\ AF⑶
M1 +M2又因?yàn)锳F1 = AXM1X ε(6)AF2 = AXM2X ε(7)由公式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)可得
.T AxiMl +M2),Q、ΔΙ = ~^——⑶
Κ3由⑶式可以看出，應(yīng)變與裂縫大小乘正比關(guān)系，在其他常數(shù)已知的情況下，可根 據(jù)聚合物光纖光柵與石英光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化可得待測(cè)點(diǎn)處的溫度變化與應(yīng)變，并根 據(jù)應(yīng)變的變化情況得到裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展信息。為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，首先對(duì)該裂縫監(jiān)測(cè)器進(jìn)行了標(biāo)定，聚合物光纖光柵 與石英光纖光柵的初始中心波長(zhǎng)分別為1531nm與1543nm，傳感器中心波長(zhǎng)隨溫度與裂縫 擴(kuò)展的變化關(guān)系分別如圖2，圖3，圖4和圖5所示。圖2為應(yīng)變不變的情況下聚合物光纖光 柵的溫度變化曲線，可以看出聚合物光纖光柵的中心波長(zhǎng)隨著溫度升高向短波方向漂移， 溫度系數(shù)為-0. 015nm/°C。圖3為應(yīng)變不變的情況下石英光纖光柵的溫度變化曲線，可以看 出石英光纖光柵的中心波長(zhǎng)隨著溫度升高向長(zhǎng)波方向漂移，溫度系數(shù)為0.010nm/°C。圖4 為溫度不變的情況下該裂縫監(jiān)測(cè)器中聚合物光纖光柵的隨裂縫擴(kuò)展的變化曲線，可以看出 聚合物光纖光柵的中心波長(zhǎng)隨著裂縫擴(kuò)展向長(zhǎng)波方向漂移，系數(shù)為1. 134nm/mm。圖5為溫 度不變的情況下該裂縫監(jiān)測(cè)器中石英光纖光柵的隨裂縫擴(kuò)展的變化曲線，可以看出石英光 纖光柵的中心波長(zhǎng)隨著裂縫擴(kuò)展也向長(zhǎng)波方向漂移，系數(shù)為0. 826nm/mm。并且該裂縫監(jiān)測(cè) 器中聚合物光纖光柵與石英光纖光柵的線性度都能達(dá)到0. 999，這說(shuō)明本實(shí)用新型是一個(gè) 線性度非常好的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，且具有一般性。在?shí)際工程應(yīng)用中，首先打孔或清理待測(cè)點(diǎn)處表面，再將新型光纖光柵多點(diǎn)裂縫 監(jiān)測(cè)器固定在待測(cè)點(diǎn)處，通過(guò)測(cè)量傳感器中心波長(zhǎng)的變化檢測(cè)待測(cè)點(diǎn)的溫度變化與裂縫產(chǎn) 生于擴(kuò)展情況。通過(guò)以上測(cè)量方法，該發(fā)明的檢測(cè)精度為0. 1°C和0. 005mm，有效提高了檢測(cè)的質(zhì)
量和效率。
權(quán)利要求1.新型光纖光柵的多點(diǎn)裂縫監(jiān)測(cè)器，其特征是，它包括多個(gè)串聯(lián)的光纖光柵裂縫監(jiān)測(cè) 器，每個(gè)光纖光柵裂縫監(jiān)測(cè)器均包括套管，套管的一端與基座I滑動(dòng)連接，另一端與基座II 滑動(dòng)連接；套管內(nèi)設(shè)有傳輸光纖，傳輸光纖上設(shè)有光纖光柵，傳輸光纖一端與基座I連接， 另一端與彈性體一端連接，所述彈性體另一端與基座II連接。
2.如權(quán)利要求1所述的新型光纖光柵的多點(diǎn)裂縫監(jiān)測(cè)器，其特征是，所述傳輸光纖為 兩根平行放置的傳輸光纖，其中一根為聚合物傳輸光纖，另一根為石英傳輸光纖；聚合物傳 輸光纖和石英傳輸光纖上分別設(shè)有光纖光柵。
3.如權(quán)利要求2所述的新型光纖光柵的多點(diǎn)裂縫監(jiān)測(cè)器，其特征是，所述光纖光柵包 括多個(gè)串聯(lián)的聚合物光纖光柵及多個(gè)串聯(lián)的石英光纖光柵，聚合物光纖光柵設(shè)在聚合物傳 輸光纖上，石英光纖光柵設(shè)在石英傳輸光纖上。
4.如權(quán)利要求1所述的新型光纖光柵的多點(diǎn)裂縫監(jiān)測(cè)器，其特征是，所述基座I或基座 II為相鄰光纖光柵裂縫監(jiān)測(cè)器的共用基座。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種新型光纖光柵的多點(diǎn)裂縫監(jiān)測(cè)器，它包括多個(gè)光纖光柵裂縫監(jiān)測(cè)器，每個(gè)光纖光柵裂縫監(jiān)測(cè)器均包括套管，套管的一端與基座I滑動(dòng)連接，另一端與基座II滑動(dòng)連接；套管內(nèi)設(shè)有傳輸光纖，傳輸光纖上設(shè)有光纖光柵，傳輸光纖一端與基座I連接，另一端與彈性體一端連接，所述彈性體另一端與基座II連接。利用本實(shí)用新型能夠同時(shí)測(cè)量溫度和裂縫的大小，并且具有良好的防水性能，抗電磁干擾，提高了測(cè)量精度和測(cè)量結(jié)果的可靠性。
文檔編號(hào)G01B11/14GK201844825SQ20102059437
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月5日
發(fā)明者張法業(yè), 王正方, 王靜, 白濤, 苗飛, 賈磊, 陳霄, 隋青美 申請(qǐng)人:山東大學(xué)