[发明专利]一种光纤光栅二维应变增敏传感器及其封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅技术领域，具体涉及一种光纤光栅二维应变增敏传感器及其封装方法。

背景技术

在重型矿山机械、大型工程机械、重型机床等领域，由于作业负荷大，作业连续性强，现场环境恶劣等因素，需要对机械设备大型结构件的健康状态进行监测，而应变作为一种监测手段常常被采用。目前机械设备的状态监测主要采用电磁类传感器，该类传感器具有测点单一、抗电磁干扰能力弱、不能进行应变增敏等局限性。

而利用光纤传感技术对机械设备进行实时监测，具有防爆、抗电磁干扰、耐高温高压、可进行分布式测量、可对应变进行增敏等电磁类传感器无法比拟的优势。

然而，大型结构件的变形很小，产生的应变也很小，将光纤光栅直接粘贴于大型结构件上测量的灵敏度不高，并且大型结构件表面的应变并不是单一方向而是两个方向同时作用。根据光纤光栅应变传递原理可知裸光纤光栅的应变测量灵敏度为1.2με/pm，无法满足对大型结构件微小应变的测量需求。在专利号CN201410160233.8提出的一种光纤光栅差动应变片，消除了温度对应变测量的影响，并未提出对应变进行增敏及测量二维应变的方法。因此，迫切需要提出一种既能进行应变增敏，又能同时测量两垂直方向应变的二维应变增敏传感器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种光纤光栅二维应变增敏传感器及其封装方法，结构简单，制造成本低，安装方便，具有较高的应变增敏系数，有较高的一致性和可靠性，便于重复性使用，可同时测量两垂直方向的应变，并且在两个方向均有相同的增敏效果。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种光纤光栅二维应变增敏传感器，包括一个二维应变增敏基片和两个光纤光栅，两个光纤光栅相互垂直设置于二维应变增敏基片中心，两个光纤光栅分别为Ⅰ号光纤光栅和Ⅱ号光纤光栅；

其中，二维应变增敏基片包括四个固定板和圆环，四个固定板沿环向均匀分布于圆环四周，四个固定板分别为左固定板、右固定板、上固定板和下固定板，Ⅰ号光纤光栅、左固定板和右固定板分布于圆环的水平中心线上，Ⅱ号光纤光栅、上固定板和下固定板分布于圆环的竖直中心线上，两个光纤光栅的两端均固定于圆环上，同时Ⅰ号光纤光栅的两端分别与左固定板和右固定板连接，Ⅱ号光纤光栅的两端分别与上固定板和下固定板连接，两个光纤光栅中部的栅区均悬空于圆环的环内。

按照上述技术方案，固定板包括连接臂和安装板，安装板通过连接臂与圆环连接。

按照上述技术方案，光纤光栅通过粘接剂或焊接剂与二维应变增敏基片连接。

按照上述技术方案，所述的粘接剂为有机胶水，焊接剂为玻璃。

按照上述技术方案，圆环上设有两个半圆细槽，两个半圆细槽分布于圆环的水平中心线上，Ⅰ号光纤光栅的两端分别放置于两个半圆细槽内。

按照上述技术方案，固定于二维应变增敏基片的光纤光栅上设有一定的预应力。

按照上述技术方案，光纤光栅上的预应力施加于光纤光栅的栅区两端。

按照上述技术方案，固定于二维应变增敏基片上的Ⅰ号光纤光栅与Ⅱ号光纤光栅并不互相接触。

一种光纤光栅二维应变增敏传感器的封装方法，包括以下步骤：

1)将二维应变增敏基片固定于水平封装台上；

2)在Ⅰ号光纤光栅两端施加一定的预紧力，将Ⅰ号光纤光栅的一端与二维应变增敏基片中的圆环和左固定板连接固定，将Ⅰ号光纤光栅的另一端与二维应变增敏基片中的圆环和右固定板连接固定；

3)在将Ⅰ号光纤光栅完全固定在二维应变增敏基片上后，将二维应变增敏基片从水平封装台上拆下，逆时针旋转90度后再将其固定在水平封装台上；

4)在Ⅱ号光纤光栅两端施加一定的预紧力，将Ⅱ号光纤光栅的一端与二维应变增敏基片中的圆环和上固定板连接固定，将Ⅱ号光纤光栅的另一端与二维应变增敏基片中的圆环和下固定板连接固定。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明结构简单，制造成本低，安装方便，具有较高的应变增敏系数，有较高的一致性和可靠性，便于重复性使用，本发明的光纤光栅二维应变增敏传感器通过二维应变增敏基片和两个光纤光栅形成的双十字结构可同时测量两垂直方向的应变，并且在两个方向均有相同的增敏效果，两个方向的增敏倍数均可达到裸光纤光栅的5倍。

2、二维应变增敏基片可通过调节连接臂的长度、宽度调节应变增敏的倍数。

附图说明

图1是本发明实施例中光纤光栅二维应变增敏传感器的主视图；