本發(fā)明涉及一種應(yīng)變傳感器及其制備方法,特別涉及一種光纖應(yīng)變傳感器及其制備方法,可用于檢測(cè)物體的形變量。
背景技術(shù):
光纖傳感器是以光為載體、光纖為媒介,感知和傳輸外界信號(hào),適用于易燃易爆、高溫和高壓等環(huán)境中加速度、壓強(qiáng)、以及振動(dòng)的檢測(cè)[IEEE Sensors Journal,vol.8,PP.1184-1193,2008]。光纖傳感器由于其體積小,重量輕,安裝方便,不易受化學(xué)物質(zhì)腐蝕,不受電磁輻射干擾,能夠遠(yuǎn)程傳感和多點(diǎn)化傳感的優(yōu)點(diǎn),非常適合于應(yīng)變的檢測(cè),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑物健康監(jiān)測(cè)與智能材料之中。
目前,光纖應(yīng)變傳感器通常采用光纖光柵結(jié)構(gòu),但是光纖光柵結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器需要可調(diào)諧激光器或光譜分析儀等來(lái)監(jiān)控反射波長(zhǎng),因此系統(tǒng)價(jià)格昂貴。并且,光纖光柵對(duì)溫度敏感,由于熱脹冷縮會(huì)導(dǎo)致光柵的周期發(fā)生改變,相應(yīng)的反射波長(zhǎng)也隨溫度改變,從而降低了檢測(cè)精度。
因此,研發(fā)對(duì)溫度不敏感、高靈敏度、且低成本的光纖應(yīng)變傳感器,是本發(fā)明的創(chuàng)研動(dòng)機(jī)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種對(duì)溫度不敏感、可調(diào)諧、制備簡(jiǎn)單、高靈敏度、且低成本的一種光纖應(yīng)變傳感器。本發(fā)明的另一目的還提供了一種光纖應(yīng)變傳感器的制備方法。
本發(fā)明所提供的一種光纖應(yīng)變傳感器,其主要技術(shù)方案為:
一種光纖應(yīng)變傳感器,其特征在于:包括至少兩個(gè)固定支架,光纖器件,傳動(dòng)桿,懸臂梁,傳動(dòng)桿的一端固定在其中一個(gè)固定支架上,傳動(dòng)桿的另一端與懸臂梁接觸,光纖器件和懸臂梁固定在另外一個(gè)固定支架上,光纖器件用于 發(fā)射探測(cè)光束和接收從懸臂梁反射回的探測(cè)光束。
本發(fā)明所提供的一種光纖應(yīng)變傳感器,還可以包括以下附屬技術(shù)方案:
其中,所述傳動(dòng)桿的熱膨脹系數(shù)與待測(cè)底座的熱膨脹系數(shù)相同或相近。
其中,所述傳動(dòng)桿的長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)。
其中,所述傳動(dòng)桿由不同熱膨脹系數(shù)的材料串接或并接構(gòu)成。
其中,所述固定支架具有凸起,所述懸臂梁的一端固定在所述凸起上。
其中,所述的光纖器件選自光纖、光纖準(zhǔn)直器或拉錐光纖中的任一種。
其中,所述光纖器件、所述懸臂梁和所述傳動(dòng)桿保持同一高度,并且光纖器件與懸臂梁垂直。
其中,所述懸臂梁選自金屬應(yīng)變片、鍍了金屬薄膜的無(wú)機(jī)玻璃、硅薄膜或者有機(jī)薄膜中的任一種。
其中,所述懸臂梁形狀選自梯形、矩形或錐形中的任一種。
本發(fā)明還提供了一種光纖應(yīng)變傳感器的制備方法,其技術(shù)方案為:
一種光纖應(yīng)變傳感器的制備方法,包括以下步驟:
首先,制備兩個(gè)固定支架,將兩個(gè)固定支架固定在待測(cè)底座上,其中一個(gè)固定支架的角上凸起一塊,用于固定懸臂梁;
然后,將傳動(dòng)桿的一端固定在一個(gè)固定支架上,光纖器件和懸臂梁固定在具有凸起的固定支架上;
最后,調(diào)節(jié)傳動(dòng)桿的長(zhǎng)度,使得傳動(dòng)桿接觸或者擠壓懸臂梁,使器件工作在合適的靜態(tài)工作點(diǎn),得到光纖傳感器。
本發(fā)明的工作原理是:在光纖器件的端面附近懸置彈性懸臂梁(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“懸臂梁”),光纖器件射出的光束經(jīng)懸臂梁反射后返回到光纖器件中,并被光電探測(cè)器所探測(cè)(如圖1);傳動(dòng)桿是懸空的,其一端與懸臂梁接觸,另一端固定在固定支架上;當(dāng)傳動(dòng)桿擠壓懸臂梁時(shí)懸臂梁發(fā)生彎曲,光纖器件與懸臂梁的間距L3、以及光束反射角都會(huì)發(fā)生改變,導(dǎo)致了返回光纖器件的光束強(qiáng)度發(fā)生改變,從而可以獲知傳動(dòng)桿固定端的形變量。
本發(fā)明的光纖應(yīng)變傳感器,其中兩個(gè)固定支架是固定在待測(cè)底座上,光纖器件、懸臂梁和傳動(dòng)桿分別固定在兩個(gè)固定支架上(如圖2)。當(dāng)待測(cè)底座受壓形變時(shí),兩個(gè)固定支架的間距由L1變?yōu)長(zhǎng)1-ΔL(變化量為ΔL),由于傳動(dòng)桿是懸空的(其長(zhǎng)度L2保持不變),相應(yīng)的光纖器件與懸臂梁的間距由L3變?yōu)長(zhǎng)3-ΔL(由于L1=L2+L3)。因此,外界作用在待測(cè)底座上的形變量ΔL,通過(guò)傳動(dòng)桿傳遞到懸臂梁上,使得懸臂梁的一端發(fā)生ΔL的位移,并導(dǎo)致反射回光纖器件的功率發(fā)生變化。
本發(fā)明的傳感器,當(dāng)溫度發(fā)生變化ΔT時(shí),由于材料的熱脹冷縮,待測(cè)底座和傳動(dòng)桿分別發(fā)生ΔLd和ΔLc的形變(ΔLd=ΔT×L1×αd,ΔLc=ΔT×L2×αc,其中αd和αc分別為待測(cè)底座和傳動(dòng)桿的熱膨脹系數(shù)),相應(yīng)的光纖器件與懸臂梁的間距由L3變?yōu)長(zhǎng)3+ΔLd-ΔLc。通過(guò)選擇合適的材料,使得待測(cè)底座和傳動(dòng)桿的溫度形變量相等(即ΔLd=ΔLc),那么光纖器件與懸臂梁的間距L3可以不受溫度影響,從而傳感器對(duì)溫度不敏感。
本發(fā)明的傳感器,測(cè)試對(duì)象可以是除待測(cè)底座之外的物體(如鋼筋、水泥等),此時(shí)只需待測(cè)底座換成測(cè)試對(duì)象,可以利用同樣的方式檢測(cè)應(yīng)變。
本發(fā)明的傳感器,當(dāng)傳動(dòng)桿擠壓懸臂梁時(shí),光纖器件與懸臂梁的間距L3發(fā)生改變,從而使得懸臂梁彎曲、并改變懸臂梁對(duì)光束的反射角。
本發(fā)明的傳感器,經(jīng)懸臂梁反射,返回到光纖器件中的光束功率P(L3)是L3的函數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)傳動(dòng)桿的長(zhǎng)度,可以調(diào)節(jié)L3的大小,從而改變器件的靜態(tài)工作點(diǎn)和靈敏度。
本發(fā)明的傳感器,通過(guò)調(diào)節(jié)傳動(dòng)桿的長(zhǎng)度,可以調(diào)節(jié)傳動(dòng)桿的溫度形變量ΔLc,從而精確的抵消待測(cè)底座的溫度形變量ΔLd,使得傳感器對(duì)溫度不敏感。
本發(fā)明的實(shí)施包括以下技術(shù)效果:
本發(fā)明提供的一種光纖應(yīng)變傳感器采用光纖器件接收懸臂梁反射回的探測(cè)光束,并利用傳動(dòng)桿將形變量傳遞到懸臂梁上;可以通過(guò)改變傳動(dòng)桿的長(zhǎng)度和熱膨脹系數(shù),可以降低溫度對(duì)傳感器的影響。該傳感器具有可調(diào)諧、制備簡(jiǎn)單、 以及低成本的優(yōu)勢(shì)。
附圖說(shuō)明
圖1為光纖應(yīng)變傳感器的示意圖(俯視圖);
圖2為光纖應(yīng)變傳感器的示意圖(側(cè)視圖)。
1、固定支架;2、懸臂梁;3、傳動(dòng)桿;4、光纖器件;5、待測(cè)底座。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合實(shí)施例以及附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說(shuō)明,需要指出的是,所描述的實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解,而對(duì)其不起任何限定作用。
參見(jiàn)附圖1為本實(shí)施例一種光纖應(yīng)變傳感器的示意圖(俯視圖);圖2為本實(shí)施例一種光纖應(yīng)變傳感器的示意圖(側(cè)視圖)。一種光纖應(yīng)變傳感器,包括至少兩個(gè)固定支架1,光纖器件4,傳動(dòng)桿3,懸臂梁2,傳動(dòng)桿3的一端固定在其中一個(gè)固定支架1上,傳動(dòng)桿3的另一端與懸臂梁2接觸,光纖器件4和懸臂梁2固定在另外一個(gè)固定支架1上,光纖器件4用于發(fā)射探測(cè)光束和接收從懸臂梁2反射回的探測(cè)光束。所述的光纖器件4選自光纖、光纖準(zhǔn)直器或拉錐光纖中的任一種;本實(shí)施例優(yōu)選光纖準(zhǔn)直器;所述傳動(dòng)桿3由不同熱膨脹系數(shù)的材料串接或并接構(gòu)成;從而調(diào)節(jié)傳動(dòng)桿3整體的熱膨脹系數(shù);并且本實(shí)施例中所述傳動(dòng)桿3的熱膨脹系數(shù)與待測(cè)底座5的熱膨脹系數(shù)相同或相近,使得傳感器可以不受溫度的影響,對(duì)使用環(huán)境的溫度不敏感。所述傳動(dòng)桿3的長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié),如此可以改變器件的靜態(tài)工作點(diǎn)和靈敏度;所述固定支架1具有凸起,所述懸臂梁2的一端固定在所述凸起上,利于懸臂梁2的變形。所述光纖器件4、所述懸臂梁2和所述傳動(dòng)桿3保持同一高度,并且光纖器件4與懸臂梁2垂直,可以提高傳感器的靈敏度。所述懸臂梁2選自金屬應(yīng)變片、鍍了金屬薄膜的無(wú)機(jī)玻璃、硅薄膜或者有機(jī)薄膜中的任一種本實(shí)施例優(yōu)選金屬應(yīng)變片,可以提高反射率。所述懸臂梁2形狀選自梯形、矩形或錐形中的任一種;本實(shí)施例優(yōu)選矩形。
一種光纖應(yīng)變傳感器的制備方法,包括以下步驟:
首先,制備兩個(gè)固定支架1,將兩個(gè)固定支架1固定在待測(cè)底座5上,其中一個(gè)固定支架1的角上凸起一塊,用于固定懸臂梁2;
然后,將傳動(dòng)桿3的一端固定在一個(gè)固定支架1上,光纖器件4和懸臂梁2固定在具有凸起的固定支架1上;
最后,調(diào)節(jié)傳動(dòng)桿3的長(zhǎng)度,使得傳動(dòng)桿3接觸或者擠壓懸臂梁2,使器件工作在合適的靜態(tài)工作點(diǎn),得到光纖傳感器。
綜上所述,本發(fā)明提供的光纖應(yīng)變傳感器,利用傳動(dòng)桿3將形變量傳遞到懸臂梁2上,并通過(guò)改變傳動(dòng)桿3的長(zhǎng)度和熱膨脹系數(shù),降低溫度對(duì)傳感器的影響。發(fā)明的傳感器具有可調(diào)諧、制備簡(jiǎn)單、以及低成本的優(yōu)勢(shì)。
最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是,以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案,而非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制,盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)地說(shuō)明,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換,而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。