专利名称：一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤光栅技术的传感领域，尤其是涉及一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器。
背景技术：
光纤光栅应变传感器的设计原理在于光纤光栅在应力作用下，波长值变化与应力大小成线性关系。但光纤光栅同时还具有热敏效应，即在温度的变化下，波长值也有相应的变化，加上被测基体也存在温度效应(热胀冷缩)，所以在存在温差的测试环境下，必须进行温度补偿。传统光纤光栅应变传感器，如中国实用新型专利C拟651704Y于2004年10月 27日公开的一种光纤光栅应变传感器，其对温度补偿的方法一般是在应变传感器边上串接一个温度传感器进行补偿，而补偿方式通常有以下两种(1)单独消除光栅本身的温度效应方法如下应变所造成的波长变化ACWAS= (CWS1TI-CWTI)-(CWSCITO-WTO)Cffs010 应变传感器的初始波长，CWto 补偿用温度传感器的初始波长，Cffsin 应变传感器的测量波长，Cffn 补偿用温度传感器的测量波长。光栅温度效应补偿后的应变值ε = ACW^/kk 给定应变传感器的应变系数；(2)同时消除光栅本身的温度效应和被测基体的温度效应方法如下应变所造成的波长变化ACff^' = (Cffsin-Cffn) - (CWs0t0-CWt0) -A α ATk= Δ ds-A α ATkΔ T = T1-T0T1 测量温度，T0 初始参考温度，Cffsin 应变传感器测试波长，Cffs010 应变传感器初始波长，CWT1:温度传感器测试波长，CWto 温度传感器初始波长，α 被测量基体的热膨胀系数，A与约束条件有关的参数在0和1之间。补偿后的应变值ε ‘ = ACW^/k-Aa Δ Tα ΔΤ为材料在Δ T温度变化条件下的热应变量。α取材料线膨胀系数经验值， ΔT通过温度传感器测得。方法一的缺点在于温度传感器需要与基体、应变传感器保持在同一个温度环境下才能做到准确补偿，温度传感器与应变传感器感的感温速度存在差异，在温度起伏较大的环境下很难做到精确补偿，而且将基体的热膨冷缩也作为一种应变参与应力计算，在Δ T 较大时，会反应出较大的应变值，易出现误报，同时也很难将基体实际的受力情况分离出来；方法二缺点在于约束条件A的值很难测得，计算误差也比较大，膨胀系数α —般取经验值，存在一定的误差，整个补偿方法也比较繁琐，如果是健康监测系统，软件部分的编写也比较复杂。温度自补偿式光纤光栅应变传感器设计所要达到的效果是温度发生变化而无外力的情况下，光纤光栅应变传感器的波长保持不变，即传感器只在基体受力的情况下发生波长变化，应变计算也变简单了 ε = (Cffsl-Cffs0) /K

发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种数据更加直观， 减少了温度补偿的运算及测试成本，提高测量准确度的温度自补偿式光纤光栅应变传感
ο本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，该传感器由第一螺管、第二螺管、金属管、弹性杆、光纤光栅、外管及安装座组成，所述的第一螺管及第二螺管上各设有两个螺母，第一螺管与金属管左端通过螺纹连接，所述的弹性杆左端与金属管右端连接，右端与第二螺管连接，弹性杆延伸在金属管内部，两端焊接有光纤光栅，所述的外管套设在金属管的外部，所述的安装座经焊接或粘接与被测基体固定。所述的第一螺管及第二螺管为高硬度材料制成。所述的第一螺管及第二螺管为铜或不锈钢材料制成。所述的金属管为高膨胀系数材料制成。所述的金属管为铜或铝材料制成。所述的弹性杆的材料为殷钢。所述的弹性杆左端与金属管连接，右端与右侧的螺管连接。
所述的传感器内部填充硅油。与现有技术相比，本发明具有以下优点(1)在环境温度发生变化而无应力产生的情况下，传感器的波长不发生变化，即传感器只在有应力产生的情况下发生波长变化，这样的数据更加直观，减少了温度补偿的运算，同时减少了测试成本，提高了测量的准确度；(2)底座底面可设计成平面与基底表面焊接或粘接，或设计成弧面，与钢筋表面焊接，所以此应变计可作为表面应变计，同时也可以作为钢筋应力计，主要用于测试混凝土表面、钢筋及钢结构表面上应力变化(如大桥、大坝、钢骨架结构、高楼承重梁等)，达到监测及预防的作用；(3)传感器内部填充了硅油，可防止空气侵入后产生内部零件的氧化或腐蚀。


图1为本发明的结构示意图。图中1为第一螺管、2为金属管、3为弹性杆、4为外管、5为安装座、6为螺母、7为
光纤光栅、8为第二螺管。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例一种光纤光栅应变传感器，其结构如图1所示，包括纵向上设有开口槽的两安装座5，第一螺管1与金属管2相连，金属管2连接着弹性杆3的左端，光纤光栅7固定在弹性杆3的两端，弹性杆3的右端连接第二螺管8，弹性杆3外侧套有外管4，第一螺管1，第二螺管8上各设有两个螺母6，两螺管6卡在安装座5的开口槽内，四个螺母6分别分布在两个安装座5的两侧，通过螺母6将光纤光栅应变传感器固定。两安装座5焊接或通过膨胀钉固定在基体上。本发明的其创新点在于在温度升高时，设计中的金属管2由于膨胀会向内侧延伸，由于弹性杆3为弹性结构设计，金属管2的膨胀会使得弹性杆3被压缩，另外由于弹性杆3的膨胀系数接近为零，所以基本不会向外延伸，这样，光纤光栅7上的应力将被部分释放，通过选择合适的金属管材料及长度，便能实现不仅抵消基底膨胀对传感器波长的影响， 同时也抵消的光栅本身的热敏特性。弹性杆3选择了低膨胀系数材料殷钢(invar)，这类金属材料的膨胀系数接近于零，当温度变化时，材料自身的热胀冷缩改变传感器的波长值趋于零。第一螺管1与第二螺管8为不锈钢或黄铜等高硬度金属，螺母6同样为不锈钢或黄铜材料，这样的搭配能提高螺纹间的咬合牢度，防止脱扣或滑丝。下面结合

本发明的动作过程。通过锁紧第一螺管1及第二螺管8上的螺母6使传感器固定在底座上。当基体受外力作用时，外力通过结构传递到光纤光栅7上，光纤光栅7产生了波长变化，反应出外力的大小。当环境温度升高时，基体的膨胀应变作用到传感器上，而传感器内部金属管2为高膨胀材料，弹性杆3为弹性结构设计，金属管2的膨胀直接压缩弹性杆3，而光纤光栅7固定在弹性杆3的两端，这样便释放了作用于光纤光栅7上的基体膨胀应变，而弹性杆3为殷钢材料，温度的升高基本不会使弹性杆3产生膨胀，这样就很大程度上减少了弹性杆3的膨胀引起的传感器的波长变化。温度降低时的工作原理一样。传感器自身补偿的波长变化量是基体在自由状态下受温度影响之下自身的热胀冷缩引起的传感器波长变化及光纤光栅自身的热敏效应的波长变化之和，当基体受结构约束不能自由热胀冷缩时，在无外力情况下，温度升高时，波长会减小，而温度降低时，波长会增大，而这个波长变化量真实反应了基体受到约束而产生的内部应力，这也是此发明的一大优势之一。
权利要求
1.一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，该传感器由第一螺管、第二螺管、金属管、弹性杆、光纤光栅、外管及安装座组成，所述的第一螺管及第二螺管上各设有两个螺母，第一螺管与金属管左端通过螺纹连接，所述的弹性杆左端与金属管右端连接，右端与第二螺管连接，弹性杆延伸在金属管内部，两端焊接有光纤光栅，所述的外管套设在金属管的外部，所述的安装座经焊接或粘接与被测基体固定。
2.根据权利要求1所述的一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，第一螺管及第二螺管为高硬度材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，第一螺管及第二螺管为铜或不锈钢材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的金属管为高膨胀系数材料制成。
5.根据权利要求1或4所述的一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的金属管为铜或铝材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的弹性杆的材料为殷钢。
7.根据权利要求1所述的一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的弹性杆左端与金属管连接，右端与右侧的螺管连接。
8.根据权利要求1所述的一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的传感器内部填充硅油。
全文摘要
本发明涉及一种温度自补偿式光纤光栅应变传感器，由第一螺管、第二螺管、金属管、弹性杆、光纤光栅、外管及安装座组成，螺管上设有两个螺母，第一螺管与金属管左端螺纹连接，弹性杆左端与金属管右端连接并延伸在金属管内部，弹性杆右端与第二螺管连接，弹性杆两端焊接有光纤光栅，外管套设在金属管的外部，安装座与被测基体固接。本发明在无应力的情况下，波长值不随温度的变化而变化，达到温度自补偿的效果，一根光纤光栅的波长变化数据直接反应被测物体的应变变化，底座底面与钢筋表面焊接，测试混凝土表面、钢筋及钢结构表面上应力变化，达到监测及预防的作用，传感器内部填充的硅油防止空气侵入后产生内部零件的氧化或腐蚀。
文档编号G01B11/16GK102410817SQ201010287980
公开日2012年4月11日 申请日期2010年9月20日 优先权日2010年9月20日
发明者孙斌 申请人:孙斌