[发明专利]基于椭圆环的光纤光栅三维应变传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于椭圆环的光纤光栅三维应变传感器。

背景技术

光纤光栅传感器具有尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，复用性好等其它类型传感器不具备的优点，近年来光纤光栅传感器得到了广泛应用。光纤光栅应变传感器在航空航天、大型机电设备，桥梁建筑等各个工程领域广泛应用并发挥了重要作用。如李向华通过光纤光栅实现了三维编织复合材料结构的内应力测量；Carlos Rodrigues通过表贴式光纤光栅应变计实现了桥梁结构服役期应变的测量。

在光纤光栅三维应变测量方面，中国专利CN 102175366 A通过三个光纤光栅传感器在基体材料三维方向的垂直放置实现了岩石三维应力状态的测量，但该应力测量方式本身需要黏贴多个传感器，并且传感器粘贴于岩石基体外表面，对传感器没有采取有效地的保护措施，埋设传感器时不可避免地对其造成损害。近年来，光纤光栅应变传感器得到了良好的发展，但是三维应变传感器的研究和应用很少报道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于椭圆环的光纤光栅三维应变传感器，该传感器通过椭圆环及承载梁一体化结构实现光纤光栅的内部封装，利用椭圆应变环实现三个方向不同应变的传递，既能实现应变的测量，又能分辨出应变的方向，并且该传感器体积较小，易实现较小空间三维应变的同时测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于椭圆环的光纤光栅三维应变传感器，包括：在三维直角坐标系的三个互相垂直的平面上分别放置中心重合的三个应变椭圆环，所述每一个应变椭圆环包括椭圆环和应变敏感径向梁，所述应变敏感径向梁与应变椭圆环锚固连接，所述应变敏感径向梁表面敷设光纤光栅，所述光纤尾纤从应变敏感径向梁一端的锚固口引出。

所述应变敏感径向梁与应变椭圆环所在的平面平行。

所述三个应变椭圆环的尺寸各不相同，以实现中心重合的三个应变椭圆环的相互垂直放置。

所述每一个应变敏感径向梁上敷设的光纤光栅引出后串联连接。

所述应变椭圆环的径向厚度及椭圆环厚度可调，三维应变传感器的测量应力范围通过调节应变椭圆环的径向厚度以及椭圆环厚度实现。

所述应变敏感径向梁选择碳纤维板作为基体，光纤光栅通过α-氰基丙烯酸乙酯与应变敏感梁相连，所述三个应变椭圆环选用的三根光纤光栅的中心波长不同，防止光纤光栅串联后波长相互干扰影响测量结果。

所述光纤尾纤从应变椭圆环的一端引出后，光纤尾纤通过光分路器与光源及波长解调设备连接。

本发明的有益效果是：

本发明基于椭圆圆环的光纤光栅三维应变传感器，以光纤光栅作为核心敏感元件，利用中心重合且相互垂直的三个椭圆环实现三维应变的传递，通过三个应变矢量的叠加实现三维应变的测量。

通过椭圆环及承载梁一体化结构实现光纤光栅的内部封装，利用椭圆应变环实现三个方向不同应变的传递，既能实现应变的测量，又能分辨出应变的方向，并且该传感器体积较小，易实现较小空间三维应变的同时测量。

附图说明

图1为三维应变传感器的三维结构示意图；

图2为应变椭圆环的主视图；

图3为应变椭圆环的应变敏感径向梁示意图；

图4为固定外界应力作用下，应变椭圆环径向厚度与应变的对应关系。

其中，1.应变椭圆环一，2.应变椭圆环二，3.应变椭圆环三，4.应变椭圆环的应变敏感径向梁，5.光纤光栅，6.光纤尾纤，7.光源，8.光纤解调设备。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

本发明涉及的基于椭圆圆环的光纤光栅三维应变传感器如图1所示。该传感器主要包括中心重合且相互垂直的三个应变椭圆环。如图2和图3所示，应变椭圆环包括径向厚度及厚度可调的椭圆环及表面敷设光纤光栅5的应变敏感径向梁4，三个应变敏感径向梁4分别与坐标系的x，y，z坐标轴平行，光纤尾纤6从应变椭圆环的应变敏感径向梁4一端的锚固口引出与光源7及波长解调设备8连接。

应变椭圆环的应变敏感径向梁4以选择碳纤维板作为基体，选用α-氰基丙烯酸乙酯作为光纤光栅5和应变梁的粘合剂。为避免光纤光栅5串联后波长相关干扰影响测量测量结果的准确性，应变椭圆环所选用的光纤光栅5中心波长不同。

应变椭圆环的径向厚度及椭圆环厚度可调，三维应变传感器的测量应力范围通过调节应变椭圆环的径向厚度以及椭圆环厚度实现。固定外界应力作用下，应变椭圆环径向厚度与应变的对应关系如图4所示。