[发明专利]基于光纤光栅的点式测力传感器

说明书

一种基于光纤光栅的点式测力传感器，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。本发明耐腐蚀、实时监控、传感精度高、抗电磁干扰、准分布式监测、物理量的绝对测量、可重复利用和易于数据管理。

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感领域、结构内压力监测技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的点式测力传感器，测试结果可用于评估结构的受力状态和安全性能。

背景技术

如果能实时掌握工程结构外的流体压力、土体压力等外界压力的变化信息，即可在结构服役过程中出现安全风险时，及时采用适当工程加固方法有效降低事故发生的几率，延长结构的使用年限。此基于光纤光栅的点式测力传感器是一种运用范围较广的监测装置，其广泛应用于各种交通工程、水利工程、海洋工程和管道输送工程等服役过程中等结构的侧向梯度压力的监测，以往针对水下压力或土中压力测试没有专门的传感器，大部分现有的测压传感器在水中或土中易受到外部环境影响而导致测量精度的下降，会受外部介质的侵蚀而无法长期工作，耐久性差。第二、不易安装的特点也十分突出，大多数仪器在水中或土中的安装和固定十分不方便，灵活性差，而且一经安装就不能轻易改动，在实际工程中的实用性非常低。

发明内容

为了克服已有的测力传感器耐久性差、不易于安装、体积大、不能实时测量液体压力或者土体压力的变化等不足，本发明的目的在于提供一种通过弹性结构与布拉格布拉格光纤光栅的结合、提高布拉格布拉格光纤光栅的精确性和耐久性并能将测得的数据实时地导出到地面的数据库中方便数据的计算和储存的基于光纤光栅的点式测力传感器，具有耐腐蚀、实时监控、传感精度高、抗电磁干扰、准分布式监测、物理量的绝对测量、可重复利用和易于数据管理的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

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导致光纤光栅的波长变化从而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。

进一步，所述光纤引出端口为SMA接口。具有频带宽、性能优、高可靠、寿命长的特点。

再进一步，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。使测试传感原件更加稳固，不会导致测试传感原件的倾斜所产生的外力测量不准确的情况。

更进一步，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。