一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法發(fā)明內(nèi)容

一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法專利目的

《一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法》的目的是提供一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法。該方法不僅有效的保護(hù)了裸光纖光柵，而且可以改變光纖光柵的應(yīng)變靈敏度，其增減敏系數(shù)可以根據(jù)封裝材料的尺寸制定，滿足實(shí)際工程的測(cè)量需求。增敏型應(yīng)變傳感器提高了光纖光柵的應(yīng)變靈敏度，可以應(yīng)用于應(yīng)變量程小、測(cè)量精度要求高的應(yīng)變測(cè)試中；而減敏型應(yīng)變傳感器相對(duì)降低了光纖光柵的應(yīng)變靈敏度，適合于應(yīng)變量程大、測(cè)量精度相對(duì)低的測(cè)量需求?；谶@種封裝方法的光纖光柵應(yīng)變傳感器，為大型工程結(jié)構(gòu)的表面及內(nèi)部應(yīng)變測(cè)量提供了大應(yīng)變量程和高測(cè)量精度的監(jiān)測(cè)手段。

一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法技術(shù)方案

《一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法》所采用的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：傳感器由光纖光柵、兩個(gè)封裝部件、兩個(gè)夾持部件以及兩個(gè)固定支點(diǎn)組成。其中封裝部件與夾持部件均為鋼管。采用膠接的方法將光纖光柵兩端固定于兩個(gè)封裝部件內(nèi)，由于膠粘劑沒有直接封裝光纖光柵區(qū)域，消除了膠粘劑對(duì)光纖光柵應(yīng)變傳遞的影響；然后將兩個(gè)封裝部件分別置于兩個(gè)夾持部件內(nèi)，并使用膠粘劑粘接封裝部件和夾持部件；最后使用鉚固、焊接或膠接的方式將夾持部件與固定支點(diǎn)連接。

封裝部件材料為鋼管；設(shè)兩個(gè)固定支點(diǎn)的距離為L(zhǎng)，兩個(gè)封裝部件之間的光纖的長(zhǎng)度為

其中

鋼的彈性模量約為光纖的3倍，當(dāng)封裝鋼管的截面積

L定義傳感器的增減敏系數(shù)，代入式(5)可得

由式(6)可以看出，通過調(diào)整增減敏系數(shù)K的值，即

一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法有益效果

《一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法》的效果和益處是，基于這種封裝技術(shù)的光纖光柵應(yīng)變傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)；由于膠粘劑沒有直接接觸光纖光柵區(qū)域，不僅消除了膠粘劑對(duì)光纖光柵應(yīng)變傳遞的影響，而且避免了光纖光柵區(qū)域粘接不均勻帶來的反射波長(zhǎng)多峰值的現(xiàn)象；傳感器的增減敏系數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要通過改變固定支點(diǎn)的位置來確定；通過一些輔助構(gòu)件，傳感器不僅可以采用鉚固、焊接或膠接的方式安裝于被測(cè)結(jié)構(gòu)的表面，也可以埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量?；谶@種封裝方法的光纖光柵應(yīng)變傳感器，為大型工程結(jié)構(gòu)的表面及內(nèi)部應(yīng)變測(cè)量提供了大應(yīng)變量程和高測(cè)量精度的監(jiān)測(cè)手段。

光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的新一代光無源器件，在光纖通信和光纖傳感等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著愈來愈重要的作用。以光纖光柵為傳感元件研制的應(yīng)變傳感器，具有如靈敏度高、體積小、耐腐蝕、抗電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)；克服了傳統(tǒng)電類傳感器易受電磁輻射干擾，精度低、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差以及信號(hào)傳輸距離短的缺點(diǎn)；能夠滿足在土木工程、航天、石油工業(yè)等惡劣工作環(huán)境中的測(cè)量需要。多個(gè)光纖光柵還可以組成準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)，采用一根光纜，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量。

截止2007年之前，光纖光柵應(yīng)變傳感器封裝方式主要有基片式、嵌入式和管式封裝等。這些封裝方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)。但容易產(chǎn)生應(yīng)變傳遞損耗，使得測(cè)量精度有所降低；而且由于膠粘劑直接接觸光纖光柵區(qū)域，容易產(chǎn)生反射波長(zhǎng)多峰值的現(xiàn)象。

對(duì)于光纖光柵應(yīng)變傳感器的增減敏問題，特別是光纖光柵的應(yīng)變?cè)雒艏夹g(shù)，國(guó)內(nèi)外已有較多的研究，而且取得了較大進(jìn)展。但是目前已有的增敏技術(shù)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，增減敏方式單一，實(shí)際增敏系數(shù)與理論值相差比較大，難以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

附圖1是光纖光柵增敏型應(yīng)變傳感器封裝結(jié)構(gòu)的示意圖。

附圖2是光纖光柵減敏型應(yīng)變傳感器封裝結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖中：1光纖，2封裝部件，3夾持部件，4光纖光柵，5固定支點(diǎn)。

《一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法》屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法。

《一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法》其特征在于：該傳感器是由光纖光柵(4)、兩個(gè)封裝部件(2)、兩個(gè)夾持部件(3)及兩個(gè)固定支點(diǎn)(5)組成；其中封裝部件(2)和夾持部件(3)均為鋼管；采用膠接的方法將光纖光柵(4)兩端固定于兩個(gè)封裝部件(2)內(nèi)，然后將兩個(gè)封裝部件(2)分別置于兩個(gè)夾持部件(3)內(nèi)，并使用膠粘劑粘接封裝部件(2)和夾持部件(3)，最后使用鉚固、焊接或膠接的方式將夾持部件與固定支點(diǎn)連接，該傳感器的增減敏系數(shù)

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述該發(fā)明的最佳實(shí)施例。

《一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法》提出的光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器封裝結(jié)構(gòu)的示意圖如附圖1和附圖2所示。封裝的具體做法是，首先剝離光纖光柵4其中一端的光纖1表面的涂敷層，將光纖1置于封裝部件2中，使用精密光纖調(diào)整架調(diào)整其位置，使光纖1的剝離區(qū)域處于中央部位，接著灌入膠粘劑粘接光纖1于封裝部件2內(nèi)，待膠粘劑固化后，采用同樣的方式處理另一端的光纖1和封裝部件2；然后將兩個(gè)夾持部件3分別套入光纖光柵兩端的封裝部件2內(nèi)，灌入膠粘劑粘接夾持部件3與封裝部件

2，待膠固化后即完成封裝過程。

2017年12月，《一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法》獲得第十九屆中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)。 2100433B

研究腐蝕缺陷對(duì)埋地管道安全輸送的影響和管道泄漏監(jiān)測(cè)和定位已成為埋地管道安全運(yùn)行所關(guān)注的課題之一。本項(xiàng)目首次提出采用光纖光柵應(yīng)變箍傳感器沿管道環(huán)向安裝在管道外壁，可以監(jiān)測(cè)到由管道內(nèi)部壓力導(dǎo)致的管道外壁環(huán)向變形情況。通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)環(huán)向應(yīng)變變化情況可以得到埋地管道的壁厚變化狀況和管道內(nèi)部的壓力變化情況，從而獲得埋地管道的內(nèi)外腐蝕程度和管道泄漏信息。本項(xiàng)目將研究光纖光柵應(yīng)變箍傳感器的增敏技術(shù)和長(zhǎng)期可靠性問題、詳細(xì)分析管道內(nèi)部壓力、腐蝕程度和環(huán)向應(yīng)變?nèi)叩鸟詈详P(guān)系、建立埋地管道腐蝕發(fā)展和剩余強(qiáng)度的力學(xué)模型、研究光纖光柵應(yīng)變箍傳感器所測(cè)得壓力信號(hào)的降噪問題和管道泄露位置定位算法問題。本項(xiàng)目的完成對(duì)于提高管道安全性，降低安全隱患和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高總體經(jīng)濟(jì)效益，將產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。

近年來，管道事故頻發(fā)，因此管道健康監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于及時(shí)了解管道安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，確保國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。隨著新型材料、新型傳感器的不斷發(fā)展，各種管道檢測(cè)及監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本課題提出一種利用環(huán)向應(yīng)變進(jìn)行管道腐蝕監(jiān)測(cè)以及管道泄漏定位的方法，同時(shí)，為了測(cè)量管道環(huán)向平均應(yīng)變，開發(fā)了一種光纖光柵應(yīng)變箍傳感器。圍繞上述監(jiān)測(cè)理論及傳感技術(shù)，主要進(jìn)行了以下幾方面的研究工作： 管道腐蝕引起的壁厚減小和管道泄漏引起的壓力突降均會(huì)使管道環(huán)向應(yīng)變發(fā)生變化。通過有限元軟件分析了管道環(huán)向平均應(yīng)變對(duì)于局部腐蝕的敏感性，表明環(huán)向平均應(yīng)變測(cè)量相比于單點(diǎn)測(cè)量對(duì)于管道腐蝕評(píng)價(jià)更有優(yōu)勢(shì)。本文通過鋼管道模型和PVC管道模型分別進(jìn)行了腐蝕和泄漏模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了文中提出方法的有效性。而基于環(huán)向應(yīng)變的管道泄漏監(jiān)測(cè)方法中，包括用于常規(guī)泄漏量的負(fù)壓波時(shí)間差定位法，以及用于泄漏量較小情況的負(fù)壓波能量衰減定位法。 為滿足管道環(huán)向應(yīng)變監(jiān)測(cè)要求，開發(fā)了一種光纖光柵應(yīng)變箍傳感器，可用于監(jiān)測(cè)管道的環(huán)向平均應(yīng)變進(jìn)而評(píng)價(jià)管道腐蝕程度，且具有監(jiān)測(cè)泄漏過程所引起的環(huán)向應(yīng)變動(dòng)態(tài)變化的能力。對(duì)自行研制封裝的光纖光柵應(yīng)變箍傳感器進(jìn)行了靈敏度、穩(wěn)定性等方面的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明這種傳感器性能良好，適合用于管道的安全測(cè)量。設(shè)計(jì)中還包括一種應(yīng)變箍傳感器夾持系統(tǒng)，通過這種系統(tǒng)安裝固定應(yīng)變箍傳感器，可使其與管道結(jié)構(gòu)保持一致變形，提高測(cè)量靈敏度。 利用特征線法，分析了管道泄漏后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，管道沿線的環(huán)向應(yīng)變分布。結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于管道沿線穩(wěn)態(tài)環(huán)向應(yīng)變分布的管道泄漏定位方法。分析比較了不同環(huán)向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)數(shù)量、隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量時(shí)，該定位方法對(duì)于管道泄漏位置判斷的準(zhǔn)確率，獲得了最優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，還通過疊加干擾信號(hào)證明了該方法對(duì)噪聲干擾具有較好的抑制能力。 由于環(huán)向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置靈活，通過布設(shè)一定數(shù)量的環(huán)向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，可使管道的目標(biāo)檢測(cè)泄漏量的限值大幅降低。本文利用數(shù)學(xué)模型分析了管道泄漏發(fā)生后的負(fù)壓波能量衰減規(guī)律，并提出基于環(huán)向應(yīng)變的管道泄漏定位方法中，使用環(huán)向應(yīng)變可檢半徑來確定環(huán)向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)間距的方法，以滿足對(duì)于不同目標(biāo)檢測(cè)泄漏量的要求。 2100433B

由于布拉格光纖光柵的中心波長(zhǎng)同時(shí)受到溫度和應(yīng)變的影響，所以傳感具體參量的時(shí)候必須通過相應(yīng)的方法把這兩個(gè)效應(yīng)區(qū)分開。布拉格光纖光柵的溫度和應(yīng)變靈敏度如表經(jīng)過研究,已經(jīng)提出了許多方案來實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)檢測(cè),主要包括以下方法:

(1)參考FBG法

這種方法的原理是引入一個(gè)參考FGB,使其不受應(yīng)變影響而只受溫度影響,同時(shí)這個(gè)參考FGB和傳感FGB處于相同的環(huán)境,這樣就可以通過這個(gè)參考FGB來檢測(cè)出溫度,再從傳感FGB總的波長(zhǎng)偏移量中除去參考FGB的溫度影響,就可以把溫度和應(yīng)變區(qū)分開。

(2)蝕刻FBG法

這種方法通過蝕刻FGB,刻有FGB的那段光纖的芯徑尺寸呈線性遞減關(guān)系,這樣當(dāng)對(duì)其軸向施加均勻應(yīng)力時(shí),沿軸向的應(yīng)變也是呈線性關(guān)系,這樣就導(dǎo)致了惆啾,即反射帶寬的變化,而溫度對(duì)其影響只是使其中心波長(zhǎng)偏移,而不改變帶寬,也就是帶寬是溫度不敏感的,通過檢測(cè)帶寬的變化就可以把溫度效應(yīng)導(dǎo)致的誤差除去。但是這種方法的缺點(diǎn)是減小了光纖的強(qiáng)度,也即減小了傳感的范圍。

(3)雙波長(zhǎng)FBG法

這種方法的原理是通過在光纖的同一個(gè)位置寫入兩個(gè)波長(zhǎng)不同的FGB,然后檢測(cè)這兩個(gè)不同波長(zhǎng)的偏移量來分辨溫度和應(yīng)變。因?yàn)闇囟群蛻?yīng)變導(dǎo)致的布拉格波長(zhǎng)的偏移量由式

(4)FBG諧波法

FGB諧波法和上面的雙波長(zhǎng)FGB法原理是一樣的,只是這里用的是FGB的二次諧波而不是兩個(gè)波長(zhǎng)不同的FGB,當(dāng)FGB的反射率很高時(shí),折射率的調(diào)制有可能不是很好的正弦調(diào)制,從而導(dǎo)致了二次諧波的產(chǎn)生,而這兩個(gè)諧波的溫度和應(yīng)變靈敏度不同,通過矩陣法就可以同時(shí)檢測(cè)溫度和應(yīng)變。

(5)FBG和長(zhǎng)周期光纖光柵(LpG)混合檢測(cè)

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)周期光纖光柵(LpG)的溫度和應(yīng)變靈敏度和FGB有著較大的差異,因此如果精確知道FGB和LGP的溫度和應(yīng)變靈敏度的話,就可以通過結(jié)合FBG和LGP實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分辨。這種方法的缺點(diǎn)是:長(zhǎng)周期光柵的帶寬大容易影響測(cè)量精度和復(fù)用能力;而且長(zhǎng)周期光柵的長(zhǎng)度較長(zhǎng),埋設(shè)進(jìn)材料后受非均勻應(yīng)變場(chǎng)的影響很大,從而降低測(cè)量精度。

除了以上凡種典型的應(yīng)變溫度分辨方法外,還有采用取樣布拉格光纖光柵等方法,但是真正能實(shí)用的分辨技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。