[发明专利]一种用于测量管道环向应变的应变箍传感器

说明书

技术领域

本发明属于传感技术领域，涉及一种基于光纤光栅技术的测量管道环向应变的应变箍传感器。

背景技术

目前测量管道环向应变的方法通常是使用电阻应变计。但是这种方法只能测量应变计所在位置的局部应变，测量范围小，不能反映整个管道环向变形情况，而且电阻应变计灵敏度低、易受电磁信号干扰、长期稳定性差、寿命短，所以需要开发一种能够克服上述缺点的测量管道环向应变的传感器。

光纤光栅自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域。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。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点，所以近年来得到了广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是基于光纤光栅技术，提供一种测量管道环向应变的应变箍传感器，这种应变箍传感器可以和管道紧密结合，能够测量整个管道截面的环向应变，灵敏度高，抗干扰性强，解决了现有的电阻应变计测量范围小，易受外界电磁干扰，测量灵敏度不高，长期稳定性差，寿命短等问题。

这种测量管道环向应变的应变箍传感器由金属支座1、夹持件9、光纤光栅5、毛细钢管3、毛细钢管6以及封装部件8组成。

本发明所采用的技术方案是：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与应变ε_f的关系式为式(1)：

Δλ＝K_f·ε_f(1)

该(1)式中K_f为光纤光栅应变传感器灵敏度系数。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_f等于1.2pm/με。

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d与两端封装部件之间光纤的长度d_f间的比值关系来改变传感器的灵敏度系数。在传感器结构中，采用钢管封装，封装部件的应变可以忽略，所以固定支点间的变形量几乎全部加载在光纤上。在管道环向应变测量中，管道周长变化量

对于应变箍传感器，管道周长的变化量全部加载在长为d_f的光纤上，因此有ϵf=Δldf=2πRϵpdf---(3)]]>代入(1)式得到ϵp=dfΔλ2πRKf---(4)]]>

对于中心波长处于1550nm左右波段的光纤光栅，传感器的中心波长变化与外界应变的关系如下式：

式中ε_p为管道环向应变，ε_f为光纤应变，Δl为管道周长改变量。从上式可以看出，通过调整d_f的大小，可以改变光纤光栅应变箍传感器的应变测量灵敏度。