本實(shí)用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于橢圓環(huán)的光纖光柵三維應(yīng)變傳感器。

背景技術(shù)：

光纖光柵傳感器具有尺寸小，重量輕，抗電磁干擾，復(fù)用性好等其它類型傳感器不具備的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)光纖光柵傳感器得到了廣泛應(yīng)用。光纖光柵應(yīng)變傳感器在航空航天、大型機(jī)電設(shè)備，橋梁建筑等各個(gè)工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮了重要作用。如李向華通過(guò)光纖光柵實(shí)現(xiàn)了三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力測(cè)量；Carlos Rodrigues通過(guò)表貼式光纖光柵應(yīng)變計(jì)實(shí)現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)服役期應(yīng)變的測(cè)量。

在光纖光柵三維應(yīng)變測(cè)量方面，中國(guó)專利CN 102175366A通過(guò)三個(gè)光纖光柵傳感器在基體材料三維方向的垂直放置實(shí)現(xiàn)了巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)量，但該應(yīng)力測(cè)量方式本身需要黏貼多個(gè)傳感器，并且傳感器粘貼于巖石基體外表面，對(duì)傳感器沒(méi)有采取有效地的保護(hù)措施，埋設(shè)傳感器時(shí)不可避免地對(duì)其造成損害。近年來(lái)，光纖光柵應(yīng)變傳感器得到了良好的發(fā)展，但是三維應(yīng)變傳感器的研究和應(yīng)用很少報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提出了一種基于橢圓環(huán)的光纖光柵三維應(yīng)變傳感器，該傳感器通過(guò)橢圓環(huán)及承載梁一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光纖光柵的內(nèi)部封裝，利用橢圓應(yīng)變環(huán)實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向不同應(yīng)變的傳遞，既能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的測(cè)量，又能分辨出應(yīng)變的方向，并且該傳感器體積較小，易實(shí)現(xiàn)較小空間三維應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

一種基于橢圓環(huán)的光纖光柵三維應(yīng)變傳感器，包括：在三維直角坐標(biāo)系的三個(gè)互相垂直的平面上分別放置中心重合的三個(gè)應(yīng)變橢圓環(huán)，所述每一個(gè)應(yīng)變橢圓環(huán)包括橢圓環(huán)和應(yīng)變敏感徑向梁，所述應(yīng)變敏感徑向梁與應(yīng)變橢圓環(huán)錨固連接，所述應(yīng)變敏感徑向梁表面敷設(shè)光纖光柵，所述光纖尾纖從應(yīng)變敏感徑向梁一端的錨固口引出。

所述應(yīng)變敏感徑向梁與應(yīng)變橢圓環(huán)所在的平面平行。

所述三個(gè)應(yīng)變橢圓環(huán)的尺寸各不相同，以實(shí)現(xiàn)中心重合的三個(gè)應(yīng)變橢圓環(huán)的相互垂直放置。

所述每一個(gè)應(yīng)變敏感徑向梁上敷設(shè)的光纖光柵引出后串聯(lián)連接。

所述應(yīng)變橢圓環(huán)的徑向厚度及橢圓環(huán)厚度可調(diào)，三維應(yīng)變傳感器的測(cè)量應(yīng)力范圍通過(guò)調(diào)節(jié)應(yīng)變橢圓環(huán)的徑向厚度以及橢圓環(huán)厚度實(shí)現(xiàn)。

所述應(yīng)變敏感徑向梁選擇碳纖維板作為基體，光纖光柵通過(guò)α-氰基丙烯酸乙酯與應(yīng)變敏感梁相連，所述三個(gè)應(yīng)變橢圓環(huán)選用的三根光纖光柵的中心波長(zhǎng)不同，防止光纖光柵串聯(lián)后波長(zhǎng)相互干擾影響測(cè)量結(jié)果。

所述光纖尾纖從應(yīng)變橢圓環(huán)的一端引出后，光纖尾纖通過(guò)光分路器與光源及波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備連接。

本實(shí)用新型的有益效果是：

本實(shí)用新型基于橢圓圓環(huán)的光纖光柵三維應(yīng)變傳感器，以光纖光柵作為核心敏感元件，利用中心重合且相互垂直的三個(gè)橢圓環(huán)實(shí)現(xiàn)三維應(yīng)變的傳遞，通過(guò)三個(gè)應(yīng)變矢量的疊加實(shí)現(xiàn)三維應(yīng)變的測(cè)量。

通過(guò)橢圓環(huán)及承載梁一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光纖光柵的內(nèi)部封裝，利用橢圓應(yīng)變環(huán)實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向不同應(yīng)變的傳遞，既能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的測(cè)量，又能分辨出應(yīng)變的方向，并且該傳感器體積較小，易實(shí)現(xiàn)較小空間三維應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1為三維應(yīng)變傳感器的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為應(yīng)變橢圓環(huán)的主視圖；

圖3為應(yīng)變橢圓環(huán)的應(yīng)變敏感徑向梁示意圖；

圖4為固定外界應(yīng)力作用下，應(yīng)變橢圓環(huán)徑向厚度與應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

其中，1.應(yīng)變橢圓環(huán)一，2.應(yīng)變橢圓環(huán)二，3.應(yīng)變橢圓環(huán)三，4.應(yīng)變橢圓環(huán)的應(yīng)變敏感徑向梁，5.光纖光柵，6.光纖尾纖，7.光源，8.光纖解調(diào)設(shè)備。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明：

本實(shí)用新型涉及的基于橢圓圓環(huán)的光纖光柵三維應(yīng)變傳感器如圖1所示。該傳感器主要包括中心重合且相互垂直的三個(gè)應(yīng)變橢圓環(huán)。如圖2和圖3所示，應(yīng)變橢圓環(huán)包括徑向厚度及厚度可調(diào)的橢圓環(huán)及表面敷設(shè)光纖光柵5的應(yīng)變敏感徑向梁4，三個(gè)應(yīng)變敏感徑向梁4分別與坐標(biāo)系的x，y，z坐標(biāo)軸平行，光纖尾纖6從應(yīng)變橢圓環(huán)的應(yīng)變敏感徑向梁4一端的錨固口引出與光源7及波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備8連接。

應(yīng)變橢圓環(huán)的應(yīng)變敏感徑向梁4以選擇碳纖維板作為基體，選用α-氰基丙烯酸乙酯作為光纖光柵5和應(yīng)變梁的粘合劑。為避免光纖光柵5串聯(lián)后波長(zhǎng)相關(guān)干擾影響測(cè)量測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)變橢圓環(huán)所選用的光纖光柵5中心波長(zhǎng)不同。

應(yīng)變橢圓環(huán)的徑向厚度及橢圓環(huán)厚度可調(diào)，三維應(yīng)變傳感器的測(cè)量應(yīng)力范圍通過(guò)調(diào)節(jié)應(yīng)變橢圓環(huán)的徑向厚度以及橢圓環(huán)厚度實(shí)現(xiàn)。固定外界應(yīng)力作用下，應(yīng)變橢圓環(huán)徑向厚度與應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

傳感器測(cè)量原理進(jìn)一步說(shuō)明如下：當(dāng)外界應(yīng)力作用于應(yīng)變橢圓環(huán)一1時(shí)，應(yīng)變橢圓環(huán)的應(yīng)變敏感徑向梁4受到外界應(yīng)力的影響產(chǎn)生應(yīng)變，進(jìn)而改變光纖光柵5的中心波長(zhǎng)。通過(guò)光纖波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備8解調(diào)光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化，從而測(cè)得對(duì)應(yīng)橢圓環(huán)一1所在方向外界應(yīng)力的應(yīng)變值ε₁。同理，應(yīng)變橢圓環(huán)二2和應(yīng)變橢圓環(huán)三3測(cè)量其所在方向的應(yīng)變值為ε₂，ε₃。由于應(yīng)變橢圓環(huán)所測(cè)得的應(yīng)變具有方向性，通過(guò)矢量的疊加可得傳感器所處三維空間內(nèi)的應(yīng)變值。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。