一种用于测量微小应变的光纤光栅传感器增敏装置的制作方法

1.本实用新型属于光学传感技术领域，特别涉及一种用于测量微小应变的光纤光栅传感器增敏装置。


背景技术：

2.现阶段存在许多适用于各种商业，军事和工业市场的应变传感器技术。电阻应变计在过去是最广泛使用的，并且是目前最容易获得的技术。电阻应变计可提供多种配置，包括温度补偿有限和耐恶劣环境的配置。然而，电阻应变计的固有缺点，包括安装成本，复杂性，重量，长期测量漂移，电磁噪声敏感性以及电力需求的危害，都限制了其在某些领域的应用。
3.基于光纤技术的新型多种应变传感器，例如外部法布里-珀罗茨，在线光纤标准具，内部法布里珀罗特和布拉格光栅，都得到了广泛的开发。所有这些光学传感器通过应用施加在光纤传感器部位的应变可以改变能被光学仪器检测到的电磁光谱的原理测量待测结构的应变信息。这种光学传感器技术已经克服了电阻应变片和电气传输网络中存在的许多困难。
4.光纤传感器具有抗电磁干扰能力强、电气隔离性好、测量点多、连接光缆少、每测点的平均功耗体积小、可靠性高、长期稳定性好等优点，可以在强电磁环境条件下实现高精度的测量，可以构成多测点的温度、应变监测系统，可以在腐蚀、高低温、辐照等恶劣环境下长期稳定地工作，在航天器结构、载荷的温度、应变测试和监测中具有重要的应用前景。
5.限制光纤光栅应变传感器发展的关键是其较低的灵敏度无法满足某些特殊应用的需求。目前已有的增敏技术结构较为复杂，实际增敏系数与理论值相差较大，难以实现工程应用。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种光纤光栅传感器应力测量增敏装置，其特征在于，该装置包括：两副应变增敏的夹持机构、两根l 形刚性悬臂梁及悬臂梁定位板、光纤光栅传感器、固定支座；其中l形刚性悬臂梁的长短臂相互垂直，短臂垂直焊接在悬臂梁定位板上；两根l形刚性悬臂梁的长臂相对在一条直线上，通过悬臂梁定位板用螺钉固定在固定支座两端上；并且两根l形刚性悬臂梁长臂之间保持距离l2，即光纤光栅传感器的长度；所述悬臂梁定位板之间的距离为l1；光纤光栅传感器的两端分别粘接于两根l形刚性悬臂梁的长臂端部上，两副应变增敏的夹持机构分别压住光纤光栅传感器两端；将光纤光栅传感器两端分别固定在两根l形刚性悬臂梁的长臂端部上。
7.所述l形刚性悬臂梁长臂与固定支座面平行。
8.所述两副应变增敏的夹持机构包括两个夹块和多个固定螺栓，应变增敏夹持机构由四个固定螺栓加弹性钢垫圈将光纤光栅紧固于l形刚性悬臂梁的长臂端部上；并在紧固位置外侧涂抹固定胶，进一步加强固定牢固度。
9.所述每根l形刚性悬臂梁的长臂端部包含三个夹持结构固定位，通过改变夹持结构位置获得不同增敏系数。
10.所述l形刚性悬臂梁的材质为钢。
11.所述紧固胶为环氧树脂胶。
12.本实用新型的有益效果是本光纤光栅传感器应力测量增敏装置的安装工艺简单，造价低廉，且具备光纤光栅传感元件灵敏度高，体积小，抗电磁辐射等优点，可以根据待测结构应变的理论计算值，改变监测装置的灵敏度系数，以适应实际工程的需求。使用该增敏装置不仅可有效地提高了光纤光栅传感器的灵敏度，而且可以保护光纤光栅传感器，广泛应用于测量精度要求高、应变量程小的监测测试。
附图说明
13.图1为增敏装置立体图。
14.图2为增敏装置结构正视图。
15.图3为增敏装置结构侧视图。
16.图4为增敏装置俯视图。
具体实施方式
17.本实用新型提供一种光纤光栅传感器应力测量增敏装置，以下结合附图和实施例对本实用新型予以详细描述。
18.图1-图4所示为增敏装置结构侧视图，图1所示装置包括：两副应变增敏的夹持机构1、两根l形刚性悬臂梁2及悬臂梁定位板4、光纤光栅传感器3、固定支座5；其中l形刚性悬臂梁2的长短臂相互垂直，短臂垂直焊接在悬臂梁定位板4上；两根l形刚性悬臂梁2的长臂相对在一条直线上，通过悬臂梁定位板4用螺钉固定在固定支座5两端上；并且两根l形刚性悬臂梁长臂之间保持距离l2，即光纤光栅传感器的长度；所述悬臂梁定位板之间的距离为l1；光纤光栅传感器的两端分别粘接于两根l形刚性悬臂梁的长臂端部上，两副应变增敏的夹持机构分别压住光纤光栅传感器两端；将光纤光栅传感器两端分别固定在两根l形刚性悬臂梁的长臂端部上。
19.所述l形刚性悬臂梁长臂与固定支座面平行。
20.所述两副应变增敏的夹持机构包括两个半圆式夹块和多个固定螺栓，应变增敏夹持机构由四个固定螺栓加弹性钢垫圈通过螺栓将光纤光栅紧固于所述l形刚性悬臂梁的长臂端部上；所述紧固位置外侧涂抹固定胶进一步提升固定能力；每根l形刚性悬臂梁的长臂端部包含三个夹持结构固定位，在不同应变增敏系数要求下，通过改变夹持结构位置获得不同增敏系数。
21.所述l形刚性悬臂梁的材质为钢。
22.所述紧固胶为环氧树脂胶。
23.实施例1
24.按照图1所示装置的结构，将悬臂梁定位板4使用螺栓固定在固定支座5 上，光纤光栅传感器3的两端分别粘接于两根l形刚性悬臂梁2的长臂端部上，两副应变增敏的夹持机构1分别压住光纤光栅传感器3两端；将光纤光栅传感器两端分别固定在两根l形刚性悬
臂梁的长臂端部上；使栅区部分位于两根悬臂梁之间，且不与悬臂梁直接接触。
25.若光栅长度为0.02米，算上两端留余光纤长度，光纤光栅传感器长度l2为0.05米。当(增敏结构支架)应变增敏的夹持机构长度为0.25米时，增敏装置测量应变结果将是真实应变的5倍。一般情况下，光纤光栅传感器的最小测量应变变化为10με，使用装置进行应变测量时，传感器的最小测量应变变化可以降低至2με。
26.实施例2，使用光纤光栅传感器应力测量增敏装置测量增敏系数，
27.假设固定支座的热膨胀系数为α1，l形刚性悬臂梁的热膨胀系数为α2，当温度发生变化时，刚性悬臂梁与测量结构均发生热膨胀，形成热错配，所述光纤光栅传感器的形变表征为由待测结构以及l形刚性悬臂梁膨胀共同强制带动的变化量；
28.设两个悬臂梁定位板之间的距离为l1；光纤光栅传感器的长度即两根刚性悬臂梁之间的距离为l2；待测固定支座产生ε1的应变，待测固定支座的温度变化为δt1，刚性悬臂梁的温度变化为δt2，忽略两幅应变增敏加持装置和光纤光栅传感器之间粘接剂的影响，相应的两幅应变增敏加持装置之间和光纤光栅的形变量δl1和δl2的表达式如式(1)、式(2)所示：
29.δl1＝l1ε1+α1δt1l1(1)，δl2＝l1ε1+α1δtl
1-α2δt2(l
1-l2)(2)；
30.计算光纤光栅传感器以及固定支座的应变量ε
′1、ε
′2，如式(3)、式(4)所示
[0031][0032][0033]
计算待测结构的增敏系数k，如式(5)所示：
[0034][0035]
优选地，可通过改变所述刚性悬臂梁的长度来调整所述增敏装置的灵敏度系数。
[0036]
综上所述，本实用新型的安装工艺简单，造价低廉，且具备光纤光栅传感元件灵敏度高，体积小，抗电磁辐射等优点，可以根据固定支座应变的理论计算值，改变监测装置的灵敏度系数，以适应实际工程的需求。使用该增敏装置不仅可有效地提高了光纤光栅传感器的灵敏度，而且可以保护光纤光栅传感器，广泛应用于测量精度要求高、应变量程小的监测测试。