[发明专利]一种光纤光栅冰力传感器

说明书

技术领域

本发明属于基于传感技术的压力测量工具领域，涉及到一种基于光纤光栅技术的冰压力传感器。

背景技术

光纤光栅是20世纪90年代发展起来的一种新型全光纤无源器件，光纤光栅传感器是用光纤光栅制成的一种新型传感器，通过检测写入光纤内部的光栅反射或透射布拉格波长光谱，实现被测结构的应力、应变和温度量值的绝对测量。由于光纤传感器具有常规监测技术不可比拟的诸多优点，如抗电磁干扰、灵敏度高、体积小和结构简单等，同时能实现“传”和“感”的合二为一。因此，近年来它在许多工程结构健康监测中得到了广泛应用。

目前，基于光纤技术的冰压力传感器研究主要适合海洋平台以及类似原型结构的冰压力测试，标定时采取的是冰压力与等强度梁梁端位移之间的关系，二者之间的关系相对于冰压力与应变之间的表达式来说显得有些复杂，不便于应用；此外，其体积和尺寸均较大，重量也不轻，应用起来不是很方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种通过测量应变间接测量压力的光纤光栅冰力传感器，该传感器能够对冰激桥墩振动室内模型试验中的动冰力进行有效测量；与光纤光栅对压力的灵敏度低相反，光纤光栅对应变十分敏感。该传感器利用光纤光栅自身的性质提高了传感器的压力灵敏度系数，不受材料的影响；同时传感器的测量灵敏度可以根据实际需求通过改变器件尺寸进行调整，能够适用于不同种类的模型试验。

本发明的技术方案如下：

首先根据光纤光栅的工作原理可知，光纤光栅的波长变化Δλ为波长变化与应变ε的关系为下列式(1)：

Δλ＝K_ε·ε

该(1)式中，K_ε为光纤光栅应变传感灵敏度系数。对于纤芯是纯石英的光纤情况，中心波长为1550nm附近的光纤光栅，K_ε约等于1.2pm/με。其次根据材料力学，对于等强度梁如图1所示，梁上各个截面的应变与外力的关系为下列式(2)：

F=Bh2E6Lϵ]]>

该(2)式中L为等强度梁的长度，E为梁的弹性模量，B为梁中最大截面的宽度，h为梁的厚度，由式(2)可以看出，只要保证梁的尺寸不变，则应变ε是一定值。令则式(2)可写下列式(3)F＝Kε；由(3)式可以看出，梁端压力与梁轴线应变呈线性关系，故可以采用光纤光栅传感器测应变的方法测量压力。

在应变测量方面，采用对光纤光栅进行两端夹持的封装方式，这种封装方式可以通过调整两端固定支点的距离L_Δ，两端夹持部件内侧端点间距L_f之间的比值关系来改变传感器的灵敏度系数。在整个传感器的结构中，夹持部件的应变可以忽略。固定支点之间的变形量几乎全部加载在光纤上。对于中心波长处于1550nm波段的光纤光栅，传感器中心波长变化与外界应变的关系为下列(4)式：

ϵ=LfLΔϵf=LfΔλ1.2LΔ;]]>

将(4)式带入式(2)中，可得式(5)：