[发明专利]基于光纤光栅的点式测力传感器

权利要求书

1.一种基于光纤光栅的点式测力传感器，其特征在于：包括外套钢管、内芯钢管、测力触头、光纤引出端口和设置在内芯钢管内并与测力触头相连接的测试传感元件，所述测试传感元件为内嵌有光纤光栅的弹性结构，所述内芯钢管位于所述外套钢管内，所述的测力触头与弹性结构相接触，用于将外部的压力变化敏感地传递到测试传感元件中的弹性结构，再经由内嵌在测试传感元件中的光纤光栅的变形测出外部压力的变化；所述光纤光栅远离测力触头的一端与光纤引出端口连接，所述光纤引出端口用于光纤光栅导线的引出；

所述光纤光栅为布拉格光纤光栅，所述的布拉格光纤光栅的布拉格波长为

λ_B＝2n_eΛ                     (1)

式中，Λ，为折射率变化的周期；n_e为纤芯的有效折射率，当Λ和n_e中任一发生变化时都将引起光栅波长的移动，即

由式(2)知，当光纤长度方向上产生应变时，使Λ和n_e产生变化，导致布拉格光纤光栅反射波长改变，从而通过检测λ_B的变化量来求得待测应变量；

基于光纤光栅的点式测力传感器的工作流程为：

StepA:将基于光纤光栅的点式传感器安装固定在固定装置或直接安装在管壁上；

StepB：外界压力的变化传递至测力触头(1)的位置；StepC：测力触头将压力传递至弹性结构(5)；

StepD：弹性结构(5)受力产生变形并将变形传递至内嵌的布拉格光纤光栅；

StepE：布拉格光纤光栅的受压变形致使布拉格光纤光栅内光的波长发生变化；

StepF：通过波长变化的大小，根据数学解析的方法算得外界某点的压力值；

StepG：通过导线从光纤引出端口(4)将测得的数据导出到电脑储存和分析；

其中，所述的测试传感元件的顶部与测力触头(1)接触，外界液体、土体会使测力触头附近的压力发生改变，外部的压力变化通过测力触头传递至测试传感元件的弹性结构；

所述的弹性结构(5)，采用高灵敏度的材料，能够测量到测量触头压力的微小变化；

式中，P_e为有效弹光系数，μ为纤芯材料的泊松比；

由(4)式得到压力灵敏度：

布拉格光纤光栅二阶灵敏度系数为：

则有布拉格光纤光栅的轴向应变ε₁引起的波长变化为：

假设沿光纤轴向施加压力F₁，根据胡克定律易求得布拉格光纤光栅处轴向应变为：

式中，E₁为布拉格光纤光栅的杨氏模量，A₁为布拉格光纤光栅的有效横截面积，F₁为作用在布拉格光纤光栅上的压力值；

则布拉格光纤光栅的波长变化引起的压力F₁的变化为：

根据变形协调的原理，内芯钢管和弹性结构内的布拉格光纤光栅受力压缩产生的变形值应相等：

ε₁＝ε₂                        (10)

F＝F₁+F₂                      (12)

式中，ε₁为布拉格光纤光栅的轴向应变，ε₂为内芯钢管的轴向应变，E₁为布拉格光纤光栅的杨氏模量，E₂为内芯钢管的杨氏模量，A₁为布拉格光纤光栅的受力表面积，A₂为内芯钢管的受力表面积，F₂为内芯钢管顶部所受的压力值，F为外界某点的压力总值；

所述的光纤引出端口，采用SMA接口，将布拉格光纤光栅测得的数据传输到数据采集仪中，根据上述力学解析法就可得知该点的压力值。

2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的点式测力传感器，其特征在于：所述内芯钢管底部为螺纹结构，所述外套钢管的底部为螺母结构，将内芯钢管固定在外套钢管上。

3.如权利要求1所述的基于光纤光栅的点式测力传感器，其特征在于：所述的外套钢管为圆环形钢管，内芯钢管为圆柱形钢管。