[发明专利]微弯光纤应力计

说明书

一般来说，本发明与应力计有关，特别是与一种新型有用的微弯光纤应力计有关;这种应力计使用了一根覆有涂层的光纤，这样光纤被固定在两块波纹板之间并受到弯曲;还使用了一根参考光纤，参考光纤被暴露在与前一根光纤同样的热环境中，但没有被固定在两块波纹板之间。

已经开发了许多种应力计，用来测量结构负载，以便验证单独部件或整体结构设计得是否得当。现有的应力计包括箔、薄膜或线电阻装置，这些装置被粘或焊在被测样品上。加在样品上的负荷会使样品、以及粘在样品上的应力计受到拉伸、压缩或扭曲。在应力计上产生的应力使它的电阻发生变化。如果用应力计电阻做为温斯顿电桥的一臂，则电桥会变得不平衡，所产生的电压将正比于在应力计上感应出的应力大小。这种方法是目前使用的应力计测量的基础。

但是，当需要在高温下进行应力测量时会遇到困难。例如，应力计和样品的热膨胀不同，使应力计受到应力;这种应力用掉了相当大的量程，从而掩盖了需要测量的由负载所引起的应力。更进一步，要进行准确和可靠的测量，电阻应力计的使用温度一般都限制在约315℃（约600°F）以下。超过这一温度，物理和金属学的效应，如合金分解、相变、选择氧化和扩散，将使应力计的输出产生有很大不可重复性的、不可预测的变化，经常使应力计或引线系统过早失灵。

目前，对于温度超过315℃的准确和可靠的应力测量，还没有一种满意的方法。需要一种可靠、稳定的应力计，它能够在这种高温下工作;并且能使与被测样品的热膨胀相匹配，以便在低温时就能将应力计粘在样品上。

在测量结构条，如长支杆的伸长时，也会遇到与测量应力时遇到的相似的困难。在较温和的条件下，如能够产生自由振动，伸长可能会随时间缓慢地变化。这种情况要求伸长传感器能进行基本上是直流的测量。因此，传感器的漂移必须很小。

当结构条被置于恶劣条件下时，情况就更复杂了。

在高性能的飞机中，为了提高燃料效率，发动机性能和总体可靠性，需要能在飞行中监测发动机进口、出口情况的装置。这种装置必须能承受恶劣的发动机条件，其中包括高温运行条件和振动。光纤和光传感方法已被应用于许多恶劣环境下的测量，其中包括位移，速度、应力、流量、温度、粒度分布、气体成份和发生性。这些光传感方法也可用来在恶劣条件下测量压力。

还可设计光传感器，使它能在高温、或强电磁场中工作。

本发明描述了一个应力计;应力计使用一对波纹板;波纹板上有波纹，相对放置，相隔一定间距;一根覆有涂层的光纤被夹在上述相对的波纹表面中，并被波纹弯曲，弯曲程度取决于将两块板推向一起的附加力的大小;因此，通过光纤的光受到的调制，取决于两块板所受到的压力。

本发明的一个方面是，做为应力计的一部分，包括一根附加光纤，它的结构与上述第一根光纤的完全相同，但没有被夹在两块板中，第二根光纤与第一根光纤相距很近，这样使它们暴露在相同的温度条件下;由第二根光纤中传过并受到它调制的光，与由第一根光纤中传过并受到它调制的光一起，被用来产生热一机械偏差修正值。

通过在玻璃光纤上覆上铝或聚酰亚胺涂层，可以得到能在高达约427℃（约800°F）条件下使用的应力计。通过在玻璃光纤上覆上金涂层，使用温度范围可扩展到约540℃（约1000°F）。

本发明的另一方面是提供了一种设计简单、结构坚固、制造经济和抗恶劣环境的应力计。

本发明的各种独特特点具体地在权利要求中指出;权利要求附在本文之后并构成本文的一部分。为了更好的理解本发明、它的操作优点和特殊应用结果，对附图做了说明，并结合推荐实施例进行了描述。

在附图中：

图1是本发明中应力计最简单形式的截面侧视图。

图2是方框图，表示使用信号光纤和参考光纤的本发明中的应力计。

图3是本发明中负载随光纤位移的变化，光纤有两个空间弯曲。

图4是应力计输出电压随应力计中板的位移的变化。

图5是本发明微弯应力计相对于一个参考应力计的定标图。

图6是截面侧视图，表示位于待测应力样品的狭槽中的本发明应力计。

图1画出了微弯光纤应力计。其中使用的玻璃、玻璃光纤10具有下列参数：

芯直径    125μm

包层直径    170μm

数值孔径    0.2

缓冲涂层    厚度为40μm的铝或聚酰亚胺

总直径    250μm

其中，1μm＝10⁶米