專利名稱：溫度補(bǔ)償光纖應(yīng)變儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變的溫度補(bǔ)償光纖應(yīng)變儀。
背景技術(shù)：
光纖應(yīng)變儀通常連接到主體結(jié)構(gòu)，以測(cè)量主體結(jié)構(gòu)經(jīng)受的應(yīng)變或者振動(dòng)。主體 結(jié)構(gòu)經(jīng)受的應(yīng)變或者振動(dòng)傳遞到與成型的或者蝕刻的金屬支座連接的光纖布拉格光柵 (FBG)。FBG是記錄在光纖的芯部中的結(jié)構(gòu)。FGB的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致特定波長(zhǎng)(稱為布拉格波長(zhǎng)) 的光在光纖內(nèi)反射。該結(jié)構(gòu)的節(jié)距(Λ)和有效折射率(Iirff)以及布拉格波長(zhǎng)(表示為 2neffA)高度重復(fù)地對(duì)應(yīng)變和溫度敏感。因此，F(xiàn)BG是優(yōu)秀的光纖傳感器。FBG的應(yīng)變或者 溫度以布拉格波長(zhǎng)編碼，該布拉格波長(zhǎng)可采用光學(xué)詢問(wèn)器來(lái)測(cè)量。極度需要一種精確并且可靠的應(yīng)變儀。

發(fā)明內(nèi)容
在第一優(yōu)選方面中，提供一種用于測(cè)量主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變的溫度補(bǔ)償光纖應(yīng)變儀， 所述應(yīng)變儀包括支座，該支座操作地連接到所述主體結(jié)構(gòu)，所述支座具有使得所述支座的第一部 分與所述支座的第二部分分隔開(kāi)的空隙；第一光纖布拉格光柵，即第一 FBG，該第一光纖布拉格光柵記錄在光纖的芯部?jī)?nèi)， 用于測(cè)量應(yīng)變和溫度，所述第一 FBG橫過(guò)所述空隙定位，所述第一 FBG的第一端部操作地連 接到所述支座的第一部分，所述第一 FBG的第二端部操作地連接到所述支座的第二部分， 所述第一 FBG的這兩個(gè)端部被預(yù)加載應(yīng)變的量大于所述第一 FBG的預(yù)定操作范圍；第二光纖布拉格光柵，即第二 FBG，該第二光纖布拉格光柵記錄在所述光纖的芯部 內(nèi)，用于測(cè)量溫度，所述第二 FBG的溫度測(cè)量用來(lái)消除溫度對(duì)所述第一 FBG的應(yīng)變測(cè)量的影 響，所述第二 FBG的第一端部操作地連接到所述第一 FBG，所述第二 FBG的第二端部操作地 連接到所述支座，使得所述第二 FBG沒(méi)有應(yīng)變；以及能被移除的橋接部分，該橋接部分與所述空隙相鄰，以將所述支座的第一部分連 接到所述支座的第二部分，所述橋接部分在所述支座操作地連接到所述主體結(jié)構(gòu)之后移 除，其中，通過(guò)檢測(cè)反射波長(zhǎng)是否恢復(fù)到所述第一 FBG的原始布拉格波長(zhǎng)來(lái)提供右側(cè) 故障驗(yàn)證特征，從而指示所述第一 FBG是否斷裂。第一橋接部分可鄰近所述空隙的頂部縱向側(cè)定位，第二橋接部分可鄰近所述空隙 的底部縱向側(cè)定位。可通過(guò)采用剪切鉗從所述支座切割或者通過(guò)采用切模沖壓，來(lái)移除所述橋接部 分。所述支座可由金屬制成。所述金屬支座具有上表面和下表面，所述金屬支座的下表面可通過(guò)點(diǎn)焊或者粘接劑例如環(huán)氧樹(shù)脂或者膠連接到所述主體結(jié)構(gòu)。所述金屬支座可以具有多個(gè)孔，以將過(guò)量的粘接劑從所述金屬支座的下表面引導(dǎo) 到所述金屬支座的上表面，使得保持所述金屬支座和所述主體結(jié)構(gòu)之間的緊密接觸，以最 大化地將應(yīng)變從所述主體結(jié)構(gòu)傳遞到所述第一 FBG。所述金屬支座的上表面可以具有凹入焊盤，用于將所述金屬支座點(diǎn)焊到所述主體 結(jié)構(gòu)。所述金屬支座可以具有通過(guò)蝕刻或者機(jī)加工所述金屬支座形成的四個(gè)凹入焊盤。所述光纖可以是低彎曲損耗光纖，例如滿足ITU G. 657表B的單模式石英光纖。所述第一 FBG可由防水彈性膠例如硅樹(shù)脂膠覆蓋，以保護(hù)所述第一 FBG不受濕氣 影響，并且緩沖第一 FBG以避免側(cè)向震蕩。所述空隙可以定位在所述支座的中間部分。所述應(yīng)變儀還可包括定位在每個(gè)橋接部分的中間部分的凹口，用于緩解當(dāng)可移除 的橋接部分被移除時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。所述應(yīng)變儀還可還包括位于所述支座的端部處的一對(duì)可折疊的翼，所述翼被折疊 以將光纖覆蓋和固定在所述支座的所述端部。所述支座的下表面可包括凹入通道，用于容納所述光纖和FBG，使得所述光纖不會(huì) 突出來(lái)而超出所述支座的下表面。所述凹入通道可具有彎曲部分和窄的筆直部分，所述彎曲部分允許光纖響應(yīng)于機(jī) 械應(yīng)變或者熱應(yīng)變而在所述FBG的預(yù)定操作范圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，所述窄的筆直部分確保所述 第二 FBG保持筆直。所述第一 FBG和所述第二 FBG可以定位在所述支座的中間部分，并且定向成基本 上相互平行，以減小用于應(yīng)變儀的光纖的長(zhǎng)度。所述第二 FBG的第二端部可連接到所述支座的懸垂部分，從而使該第二端部沒(méi)有 張力。在第二方面中，提供一種用于測(cè)量主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括支座，該支座操作地連接到所述主體結(jié)構(gòu)，所述支座具有使得所述支座的第一部 分與所述支座的第二部分分隔開(kāi)的空隙；第一光纖布拉格光柵，即第一 FBG，該第一光纖布拉格光柵記錄在光纖的芯部?jī)?nèi)， 用于測(cè)量應(yīng)變和溫度，所述第一 FBG橫過(guò)所述空隙定位，所述第一 FBG的第一端部操作地連 接到所述支座的第一部分，所述第一 FBG的第二端部操作地連接到所述支座的第二部分， 所述第一 FBG的這兩個(gè)端部被預(yù)加載應(yīng)變的量大于所述第一 FBG的預(yù)定操作范圍；第二光纖布拉格光柵，即第二 FBG，該第二光纖布拉格光柵記錄在所述光纖的芯部 內(nèi)，用于測(cè)量溫度，所述第二 FBG的溫度測(cè)量用來(lái)消除溫度對(duì)所述第一 FBG的應(yīng)變測(cè)量的影 響，所述第二 FBG的第一端部操作地連接到所述第一 FBG，所述第二 FBG的第二端部操作地 連接到所述支座，使得所述第二 FBG沒(méi)有應(yīng)變；以及能被移除的橋接部分，該橋接部分與所述空隙相鄰，以將所述支座的第一部分連 接到所述支座的第二部分，所述橋接部分在所述支座操作地連接到所述主體結(jié)構(gòu)之后移 除，其中，通過(guò)檢測(cè)反射波長(zhǎng)是否恢復(fù)到所述第一 FBG的原始布拉格波長(zhǎng)來(lái)提供右側(cè)故障驗(yàn)證特征，從而指示所述第一 FBG是否斷裂。在第三方面中，提供了一種用于提供用于溫度補(bǔ)償光纖應(yīng)變儀的右側(cè)故障驗(yàn)證特 征的方法，所述方法包括將支座操作地連接到主體結(jié)構(gòu)，所述支座具有將所述支座的第一部分與所述支座 的第二部分分離開(kāi)的空隙；對(duì)連接到所述第一部分和第二部分的第一光纖布拉格光柵，即第一 FBG的端部施 加預(yù)應(yīng)變，其量為大于所述第一 FBG的預(yù)定操作范圍；將第二光纖布拉格光柵，即第二FBG操作地連接到所述第一FBG和所述支座；以及在所述支座操作地連接到所述主體結(jié)構(gòu)之后將連接所述第一部分和第二部分的 橋接部分移除；其中，通過(guò)檢測(cè)反射波長(zhǎng)是否恢復(fù)到所述第一 FBG的原始布拉格波長(zhǎng)來(lái)提供右側(cè) 故障驗(yàn)證特征，從而指示所述第一 FBG是否斷裂。在第四方面中，提供了一種用于溫度補(bǔ)償光纖應(yīng)變儀的支座，所述支座包括位于支座的中間部分的空隙，用于將所述支座分成第一部分和第二部分；和能被移除的橋接部分，用于連接所述第一部分和所述第二部分；其中，在所述支座已經(jīng)操作地連接到主體結(jié)構(gòu)后，移除所述能被移除的橋接部分。在第五方面中，提供了一種用于測(cè)量主體結(jié)構(gòu)的溫度的溫度傳感器，所述溫度傳 感器包括支座，該支座操作地連接到所述主體結(jié)構(gòu)；凹入通道，該凹入通道限定在所述支座的表面上，并具有至少一個(gè)筆直部分和至 少一個(gè)彎曲部分；記錄在光纖的芯部中以測(cè)量溫度的光纖布拉格光柵，即FBG，所述FBG位于所述凹 入通道的筆直部分中，以確保所述FBG保持筆直；其中，所述凹入通道的所述至少一個(gè)彎曲部分允許所述光纖進(jìn)行有限的橫向運(yùn)動(dòng)。在第六方面中，提供了一種用于溫度傳感器的支座，所述支座包括凹入通道，該凹入通道限定在所述支座的表面上，并具有至少一個(gè)筆直部分和至 少一個(gè)彎曲部分；其中，記錄在光纖的芯部中以測(cè)量溫度的光纖布拉格光柵，即FBG定位在所述凹 入通道的筆直部分中，以確保所述FBG保持筆直，并且所述凹入通道的所述至少一個(gè)彎曲 部分允許所述光纖進(jìn)行有限的橫向運(yùn)動(dòng)。


下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明的示例進(jìn)行描述，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的在安裝之前的光纖應(yīng)變儀的俯視圖；圖2是在安裝之前的圖1所示的應(yīng)變儀的仰視圖；圖3是在安裝之后的圖1所示的應(yīng)變儀的俯視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的在安裝之前的應(yīng)變儀的俯視圖；圖5是在安裝之前的圖4所示的應(yīng)變儀的仰視圖6是在安裝之后的圖4所示的應(yīng)變儀的俯視圖；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的溫度傳感器的俯視圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1至圖3，提供了用于測(cè)量主體結(jié)構(gòu)5的應(yīng)變的溫度補(bǔ)償光纖應(yīng)變儀10。主 體結(jié)構(gòu)5可以是但不限于I型梁或者鐵路軌道。應(yīng)變儀10總體上包括支座20、第一光纖 布拉格光柵(FBG) 30、第二光纖布拉格光柵(FBG) 40和可拆卸的橋接部分M。第一光纖布 拉格光柵30和第二光纖布拉格光柵40可以再涂覆有薄層的保護(hù)涂層，例如聚酰亞胺。支 座20由金屬制成，并且在應(yīng)變儀10的安裝期間可操作地連接至主體結(jié)構(gòu)5。支座20具有 空隙19，該空隙19將支座20的第一部分17與支座20的第二部分18分開(kāi)?？障?9位于 支座20的中間部分。第一 FBG 30記錄在光纖11的芯部中，以測(cè)量主體結(jié)構(gòu)5經(jīng)受的應(yīng)變 和溫度。優(yōu)選地，光纖11是低彎曲損耗光纖，例如滿足ITUG. 657表B的單模石英光纖。第 一 FBG30橫過(guò)空隙19定位。第一 FBG30的一端可操作地連接到支座20的第一部分17。第 一 FBG 30的另一端可操作地連接到支座20的第二部分18。第一 FBG 30的兩個(gè)端部被施 加量(大小)大于第一raG 30的預(yù)定操作范圍的預(yù)應(yīng)變，這使得能夠提供右側(cè)故障驗(yàn)證特 征。第二 FBG 40也記錄在光纖11的芯部中，以測(cè)量溫度。第二 FBG40的溫度測(cè)量是用來(lái)消 除溫度對(duì)第一 FBG 30的應(yīng)變測(cè)量的影響。第二 FBG40的一端可操作地連接到第一 FBG 30。 第二 FBG 40的另一端可操作地連接到支座，使得第二 FBG 40沒(méi)有應(yīng)變。橋接部分M與空 隙19相鄰定位。橋接部分M將支座20的第一部分17連接到第二部分18上。在安裝應(yīng) 變儀10期間將支座20可操作地連接到主體結(jié)構(gòu)5上之后移除橋接部分24。通過(guò)檢測(cè)反射 波長(zhǎng)是否恢復(fù)到第一 FBG 30的原始布拉格波長(zhǎng)來(lái)提供右側(cè)故障驗(yàn)證特征，以指示第一 FBG 30是否斷裂。存在兩個(gè)橋接部分24。橋接部分M鄰接空隙19的頂部和底部縱向側(cè)。通過(guò)采用 剪切鉗從支座20上切除橋接部分M，或者通過(guò)采用切模將支座0從支座20中沖出，從而移 除橋接部分M。在每個(gè)橋接部分M的中間，提供凹口 23。凹口 23緩解了橋接部分對(duì)移 除期間建立的應(yīng)力。支座20具有上表面和下表面。支座20的下表面通過(guò)點(diǎn)焊、釬焊或者例如環(huán)氧樹(shù) 脂或者膠之類的粘接劑連接到主體結(jié)構(gòu)50。支座20具有多個(gè)孔22，以將過(guò)量的粘合劑從 支座20的下表面引到支座20的上表面。這確保了保持支座20和主體結(jié)構(gòu)5之間的緊密 接觸，以最大化將應(yīng)變從主體結(jié)構(gòu)5傳遞到第一 FBG 30，以用于測(cè)量。支座20的上表面具 有四個(gè)凹入的焊盤21，用于將支座20點(diǎn)焊到主體結(jié)構(gòu)5。凹入的焊盤21通過(guò)蝕刻或者機(jī) 加工支座20而形成。一對(duì)可折疊的翼觀設(shè)置在支座20的纜線端。翼觀可被折疊以在安 裝期間將光纖11覆蓋和固定在支座20的纜線端。支座20的下表面包括凹入通道12。凹 入通道12容納光纖11和FBG 30、40。這確保了光纖11保持在凹入通道12中，并且不會(huì)突 出高于支座20的下表面。凹入通道12具有彎曲部分沈和窄的筆直部分25。彎曲部分沈 允許光纖11響應(yīng)于機(jī)械應(yīng)變或者熱應(yīng)變而在FBG 30,40的預(yù)定操作范圍內(nèi)自由移動(dòng)。窄 的筆直部分25確保第二 FBG 40保持筆直。第一 FBG 30通過(guò)防水彈性膠例如硅樹(shù)脂膠覆蓋，以保護(hù)第一 FBG 30不會(huì)吸潮。膠 也緩沖了第一 FBG 30，以避免側(cè)向振蕩。
參見(jiàn)圖4至圖6，在另一實(shí)施方式中，提供第二應(yīng)變儀100。第二應(yīng)變儀100與上 述第一應(yīng)變儀10不同，因?yàn)榈谝?FBG 30和第二 FBG 40位于支座20的中間部分。第一 FBG 30和第二 FBG 40定向成基本上彼此平行，以減小應(yīng)變儀10所需的光纖11的長(zhǎng)度。這使得 能夠提供更短的光纖應(yīng)變儀100。第二 FBG 40的第二端連接到支座20的懸垂部分，使得 其不受張力。第二 FBG 40保持筆直，但通過(guò)支座20的懸垂部分45保持不受張力。在支座 20的下側(cè)上也存在凹入通道12，以容納和保護(hù)第一 FBG 30、第二 FBG 40和光纖11。當(dāng)?shù)谝?FBG 30連接到金屬支座上時(shí)對(duì)第一 FBG 30是施加預(yù)應(yīng)變的原因是當(dāng)應(yīng)變 儀10經(jīng)受負(fù)應(yīng)變或者應(yīng)力時(shí)，其防止第一 FBG 30松垂。對(duì)第一 FBG 30施加的預(yù)應(yīng)變的量 必須遠(yuǎn)大于傳感器的正常操作范圍。例如，如果FBG的操作范圍是士 1000微應(yīng)變，則第一 FBG 30必須被賦予大于+1000微應(yīng)變的預(yù)應(yīng)變。第一 FBG 30通過(guò)支座20中的彎曲通道 連接到第二 FBG 40。這種連接布置允許第一 FBG 30僅在一端連接，因此簡(jiǎn)化了安裝過(guò)程。 將光纖11的兩端連接在同一側(cè)上允許第一 FBG 30用于小轉(zhuǎn)彎處或者小的區(qū)域。第二 FBG 40僅在一端連接到支座20。第二 FBG 40的另一端沒(méi)有連接到支座。這種連接布置使得第 二 FBG 40不受任何機(jī)械應(yīng)變，并且僅對(duì)溫度變化作出響應(yīng)。第一 FBG 30和第二 FBG 40彼 此緊密相鄰，因此認(rèn)為經(jīng)受相同的溫度。從第二 FBG 40知道溫度，可以消除器對(duì)由第一TOG 30獲得的應(yīng)變/振動(dòng)測(cè)量的影響。通過(guò)比較從第一 FBG 30到第二 FBG 40的測(cè)量，應(yīng)變儀 10用作溫度補(bǔ)償應(yīng)變儀或者溫度補(bǔ)償振動(dòng)傳感器。應(yīng)變或者應(yīng)力的變化改變從第一 FBG 30反射的光的波長(zhǎng)的中心。溫度的變化改 變從第一 FBG 30和第二 FBG 40反射的光的波長(zhǎng)的中心。應(yīng)變和溫度直接影響折射率調(diào)制 的周期(Λ)和有效折射率(η)。因此，應(yīng)變和溫度的任何變化直接影響布拉格波長(zhǎng)。支座20由成型金屬制成，并且在支座20的下側(cè)上蝕刻或者機(jī)加工有凹入通道12。 凹入通道12容納光纖11和第一 FBG 30、第二 FBG 40。這使光纖11能夠在支座20的下側(cè) 的表面下方保持在凹入通道12中。特別地，凹入通道12的彎曲部分沈允許光纖11在第二 FBG 40的指定操作范圍內(nèi)自由移動(dòng)，使得支座0的機(jī)械應(yīng)變和熱應(yīng)變不會(huì)傳遞到第二 FBG 40。凹入通道12的筆直部分25是窄且筆直的，以保持第二 FBG 40筆直。支座20的上側(cè)蝕刻或者機(jī)加工有凹入焊盤21。在安裝期間，使支座20的具有光 纖11的下側(cè)面向主體結(jié)構(gòu)5。應(yīng)變儀10通過(guò)在凹入焊盤21的位置進(jìn)行電焊而焊接到主體 結(jié)構(gòu)5。替代地，使用環(huán)氧樹(shù)脂膠將應(yīng)變儀10粘接到主體結(jié)構(gòu)5上。支座20上的通孔22 將過(guò)量的環(huán)氧樹(shù)脂從下側(cè)引導(dǎo)到上側(cè)，以便保持環(huán)氧樹(shù)脂層均勻并且盡可能薄。這使得能 夠保持應(yīng)變儀10和主體結(jié)構(gòu)5之間的緊密接觸，并且最大化從主體結(jié)構(gòu)5到應(yīng)變儀10的 應(yīng)變傳遞。在支座20的纜線端，存在兩個(gè)可折疊的翼28。這兩個(gè)翼28在支座20的上側(cè)上 折疊在光纖11上。這將光纖11固定到支座20上。在支座20的中間部分，具有兩個(gè)橋接 部對(duì)，這些橋接部防止金屬支座20變形。在應(yīng)變儀10牢固連接到主體結(jié)構(gòu)5上之后，兩個(gè) 橋接部M被移除，使得第一 FBG 30的中間部分僅被主體結(jié)構(gòu)5支撐，而不被支座20支撐。 橋接部M的移除可以通過(guò)切除橋接部M來(lái)進(jìn)行。通過(guò)應(yīng)變儀10提供右側(cè)故障驗(yàn)證特征。這對(duì)于安全至上的應(yīng)用例如鐵路是非常 重要的。如果應(yīng)變儀10從主體結(jié)構(gòu)5意外分離，例如，第一 FBG 30斷裂或者觀察到非同尋 常大的應(yīng)變變化，則大的應(yīng)變變化使得發(fā)射波長(zhǎng)回到第一 FBG 30的未施加預(yù)應(yīng)變或者不允許的波長(zhǎng)。該不允許的波長(zhǎng)是第一 FBG 30在連接到支座20之前的原始的布拉格波長(zhǎng)。 第一 FBG 30的布拉格波長(zhǎng)在第一 FBG 30連接到支座上之后變成更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，并且在操作 期間不會(huì)回到其原始值。第一 FBG 30的布拉格波長(zhǎng)僅僅在第一 FBG 30未受任何張力的情 況下會(huì)回到其原始波長(zhǎng)。這種情況的檢測(cè)可以得出，第一 FBG 30斷裂，或者光纖應(yīng)變儀完 全或者部分從主體結(jié)構(gòu)5分離。這種情況的檢測(cè)是可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榈谝?FBG 30被賦予預(yù) 應(yīng)變，其量大于第一 FBG 30的操作測(cè)量范圍。在安裝之后當(dāng)橋接部M被移除或切除時(shí)，當(dāng) 金屬支座20的一側(cè)或者兩側(cè)從主體結(jié)構(gòu)5分離時(shí)，第一 FBG 30將斷裂或者失去張力。分 離或者損壞的應(yīng)變儀10是可以檢測(cè)到的。在移除橋接部M之后，第一 FBG 30和回復(fù)光纖11被防水彈性膠覆蓋。例如，可 以采用硅樹(shù)脂膠。膠保護(hù)第一 FBG 30和第二 FBG 40免受水分并且緩沖張緊的FBG30、40 以避免任何側(cè)向振蕩。應(yīng)變儀10可以用來(lái)測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和應(yīng)力或者振動(dòng)。當(dāng)安裝應(yīng)變儀10的環(huán)境不 適于傳統(tǒng)的電應(yīng)變儀時(shí)該應(yīng)變儀10是特別有用的。這些環(huán)境包括光電磁輻射場(chǎng)，例如馬達(dá) 和電力傳送線/塔、具有點(diǎn)燃危險(xiǎn)的可燃?xì)怏w/液體，或者存在腐蝕性物質(zhì)。更重要的是， 應(yīng)變儀10提供右側(cè)故障驗(yàn)證特征以允許該應(yīng)變儀用于必須有故障保護(hù)的應(yīng)用中。換句話 說(shuō)，無(wú)功能的應(yīng)變儀10必須前瞻性地將自身識(shí)別為不起作用。例如，這些應(yīng)用包括需要符 合安全等級(jí)為四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的鐵路應(yīng)用。與傳統(tǒng)電應(yīng)變儀相比，應(yīng)變儀10、100具有如下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)抗EMI干擾、長(zhǎng)感測(cè)距 離、簡(jiǎn)單的傳感器構(gòu)造、和沒(méi)有引燃風(fēng)險(xiǎn)。僅僅光學(xué)信號(hào)在光纖應(yīng)變儀內(nèi)傳送，而光學(xué)信號(hào) 不受電磁干擾(EMI)影響。通過(guò)使用低損耗通信級(jí)單模式石英光纖來(lái)連接和制作光纖應(yīng)變 儀，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)感測(cè)距離。沿著單個(gè)光纖可以串聯(lián)幾十個(gè)甚至幾百個(gè)光纖應(yīng)變儀。相反，每 個(gè)電應(yīng)變儀必須與至少一對(duì)電纜聯(lián)用。因此，光纖應(yīng)變儀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜桶惭b優(yōu)于電應(yīng)變儀。 光纖應(yīng)變儀僅僅承載光學(xué)信號(hào)，該信號(hào)沒(méi)有引弧和導(dǎo)致起火的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)安裝場(chǎng)所有爆炸或 者起火危險(xiǎn)，例如化工廠和油井時(shí)，該特征尤其重要。應(yīng)變儀10提供在其他現(xiàn)有光纖應(yīng)變儀中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)重要特征。通過(guò)在應(yīng)變 儀組件內(nèi)使用低彎曲損耗光纖，光線的導(dǎo)入和輸出都可以從光纖組件的一側(cè)進(jìn)行。該特征 使得應(yīng)變儀10能夠用于空間有限的位置(例如，小的角落或者死角)，在這些位置安裝回流 線纜是困難的或者不可能的。通過(guò)組裝與感測(cè)應(yīng)變的第一 FBG 30位于相同組件內(nèi)的測(cè)量溫度的第二 FBG 40， 整個(gè)應(yīng)變儀10可用作溫度補(bǔ)償光纖應(yīng)變儀。應(yīng)變儀10的右側(cè)故障特征使得其能夠用于安全至關(guān)重要的應(yīng)用。如果沒(méi)有右側(cè) 故障驗(yàn)證特征，未被注意的傳感器失效可能導(dǎo)致嚴(yán)重的問(wèn)題甚至危及生命。在環(huán)境因素例如風(fēng)和振動(dòng)很明顯的一些應(yīng)用中，結(jié)合低彎曲損耗的G657表B的光 纖實(shí)現(xiàn)了光學(xué)功率水平和應(yīng)變信號(hào)穩(wěn)定?；疖嚭丸F軌、汽車、飛機(jī)和橋梁屬于這些應(yīng)用。低彎曲損耗連接的光纖/電纜更不易于受不希望的振動(dòng)的影響?？捎糜诘谝?FBG 30和第二 FBG 40的低彎曲損耗光纖/電纜可用于將一系列光纖應(yīng)變儀10低連接損耗地 連接在一起。低彎曲損耗光纖更不易于受外部擾動(dòng)例如振動(dòng)的影響。該特征在其中應(yīng)變儀 10安裝在移動(dòng)物體中的一些應(yīng)用中是關(guān)鍵的，例如火車，其中過(guò)度的振動(dòng)或者溫度變化可 能引起連接光纖/電纜發(fā)生一些小彎曲，導(dǎo)致偶然的大的光學(xué)損耗，使得光信號(hào)太小而不能被系統(tǒng)讀取。使用彈性膠來(lái)緩解第一 FBG 30的側(cè)向振動(dòng)也是重要的特征，因?yàn)樵撜駝?dòng)會(huì)引入 不希望的波長(zhǎng)變化，該變化會(huì)損害應(yīng)變儀10的應(yīng)變或者縱向振動(dòng)測(cè)量。消除了支座20對(duì)第一 FBG 30和第二 FBG 40的影響。應(yīng)變儀10的設(shè)計(jì)消除了應(yīng) 變測(cè)量期間支座20對(duì)第一 FBG 30和第二 FBG 40的影響。應(yīng)變儀10的兩個(gè)橋接部M的 切除防止了支座20上的溫度效應(yīng)傳遞到第一 FBG30和第二 FBG 40。同時(shí)，該設(shè)計(jì)也消除了 環(huán)氧樹(shù)脂/膠(如果使用)在溫度測(cè)量時(shí)的影響。支座20的熱膨脹沒(méi)有傳遞到第二 FBG 40，因此顯著更少的光譜需要分配給第二 FBG 40用于在給定的溫度范圍進(jìn)行溫度測(cè)量。例如，F(xiàn)BG的溫度系數(shù)通常是大約10pm/°C， 傳統(tǒng)包裝的FBG的溫度系數(shù)為大約30-40pm/°C。因此，采用應(yīng)變儀10，F(xiàn)BG詢問(wèn)器可處理 沿著單個(gè)光纖的多3-4倍的FBG溫度傳感器。與傳統(tǒng)的FBG安裝方法相反，應(yīng)變儀10不需要第一 FBG 30和第二 FBG40的整個(gè) 長(zhǎng)度用環(huán)氧樹(shù)脂膠合或者膠接到主體結(jié)構(gòu)5上。這消除了安裝期間的FBG 30、40的光譜擴(kuò) 展。這可能由多個(gè)因素導(dǎo)致，包括結(jié)構(gòu)5的表面不均勻性以及引入測(cè)量誤差。這也簡(jiǎn)化了 安裝過(guò)程，因?yàn)閼?yīng)變儀10不需要高度拋光的表面來(lái)安裝。參照?qǐng)D7，提供了用于測(cè)量主體結(jié)構(gòu)的溫度的溫度傳感器200。類似于之前的實(shí) 施方式，溫度傳感器200包括可操作地連接到主體結(jié)構(gòu)上的支座20和限定在支座20的 表面上的凹入通道12。凹入通道12具有至少一個(gè)筆直部分25，用于放置光纖布拉格光柵 (FBG) 40，用于測(cè)量溫度。筆直部分25確保了 FBG 40保持筆直。凹入通道12還具有若干 彎曲部分26，彎曲部分沈允許光纖11進(jìn)行有限的橫向運(yùn)動(dòng)。彎曲部分沈的寬度大于筆直 部分，使得當(dāng)使用溫度傳感器200時(shí)具有更大的空間來(lái)容納光纖11的運(yùn)動(dòng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)具體實(shí)施方式
部分所示的本發(fā)明進(jìn)行各種變化 和/或改進(jìn)，而不背離廣泛描述的本發(fā)明的精神或者范圍。因此，這些實(shí)施方式只是示例性 的，不是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變的溫度補(bǔ)償光纖應(yīng)變儀，所述應(yīng)變儀包括支座，該支座操作地連接到所述主體結(jié)構(gòu)，所述支座具有使得所述支座的第一部分與 所述支座的第二部分分隔開(kāi)的空隙；第一光纖布拉格光柵，即第一 FBG，該第一光纖布拉格光柵記錄在光纖的芯部?jī)?nèi)，用于 測(cè)量應(yīng)變和溫度，所述第一 FBG橫過(guò)所述空隙定位，所述第一 FBG的第一端部操作地連接到 所述支座的第一部分，所述第一 FBG的第二端部操作地連接到所述支座的第二部分，所述 第一 FBG的這兩個(gè)端部被預(yù)加載應(yīng)變的量大于所述第一 FBG的預(yù)定操作范圍；第二光纖布拉格光柵，即第二 FBG，該第二光纖布拉格光柵記錄在所述光纖的芯部?jī)?nèi)， 用于測(cè)量溫度，所述第二 FBG的溫度測(cè)量用來(lái)消除溫度對(duì)所述第一 FBG的應(yīng)變測(cè)量的影響， 所述第二 FBG的第一端部操作地連接到所述第一 FBG，所述第二 FBG的第二端部操作地連接 到所述支座，使得所述第二 FBG沒(méi)有應(yīng)變；以及能被移除的橋接部分，該橋接部分與所述空隙相鄰，以將所述支座的第一部分連接到 所述支座的第二部分，所述橋接部分在所述支座操作地連接到所述主體結(jié)構(gòu)之后移除，其中，通過(guò)檢測(cè)反射波長(zhǎng)是否恢復(fù)到所述第一 FBG的原始布拉格波長(zhǎng)來(lái)提供右側(cè)故障 驗(yàn)證特征，從而指示所述第一 FBG是否斷裂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變儀，其中，第一橋接部分鄰近所述空隙的頂部縱向側(cè)定 位，第二橋接部分鄰近所述空隙的底部縱向側(cè)定位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變儀，其中，通過(guò)采用剪切鉗從所述支座切割或者通過(guò)采 用切模沖壓，來(lái)移除所述橋接部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變儀，其中，所述支座由金屬制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)變儀，其中，所述金屬支座具有上表面和下表面，所述金屬 支座的下表面通過(guò)點(diǎn)焊或者粘接劑例如環(huán)氧樹(shù)脂或者膠連接到所述主體結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)變儀，其中，所述金屬支座具有多個(gè)孔，以將過(guò)量的粘接劑 從所述金屬支座的下表面引導(dǎo)到所述金屬支座的上表面，使得保持所述金屬支座和所述主 體結(jié)構(gòu)之間的緊密接觸，以最大化地將應(yīng)變從所述主體結(jié)構(gòu)傳遞到所述第一 FBG。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)變儀，其中，所述金屬支座的上表面具有凹入焊盤，用于將 所述金屬支座點(diǎn)焊到所述主體結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)變儀，其中，所述金屬支座具有通過(guò)蝕刻或者機(jī)加工所述 金屬支座形成的四個(gè)凹入焊盤。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變儀，其中，所述光纖是低彎曲損耗光纖，例如滿足ITU G. 657表B的單模式石英光纖。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變儀，其中，所述第一FBG由防水彈性膠例如硅樹(shù)脂膠覆 蓋，以保護(hù)所述第一 FBG不受濕氣影響，并且緩沖所述第一 FBG以避免側(cè)向震蕩。.10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變儀，其中，所述空隙位于所述支座的中間部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變儀，還包括定位在每個(gè)橋接部分的中間部分的凹口，用 于緩解當(dāng)能被移除的橋接部分被移除時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變儀，還包括位于所述支座的端部處的一對(duì)可折疊的翼， 所述翼被折疊以將光纖覆蓋和固定在所述支座的所述端部。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變儀，其中，所述支座的下表面包括凹入通道，用于容納所述光纖和FBG，使得所述光纖不會(huì)突出來(lái)而超出所述支座的下表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的應(yīng)變儀，其中，所述凹入通道具有彎曲部分和窄的筆直部 分，所述彎曲部分允許光纖響應(yīng)于機(jī)械應(yīng)變或者熱應(yīng)變而在所述FBG的預(yù)定操作范圍內(nèi)自 由運(yùn)動(dòng)，所述窄的筆直部分確保所述第二 FBG保持筆直。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變儀，其中，所述第一FBG和所述第二 FBG定位在所述支 座的中間部分，并且定向成基本上相互平行，以減小用于應(yīng)變儀的光纖的長(zhǎng)度。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變儀，其中，所述第二FBG的第二端部連接到所述支座的 懸垂部分，從而使該第二端部沒(méi)有張力。
17.一種用于測(cè)量主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括支座，該支座操作地連接到所述主體結(jié)構(gòu)，所述支座具有使得所述支座的第一部分與 所述支座的第二部分分隔開(kāi)的空隙；第一光纖布拉格光柵，即第一 FBG，該第一光纖布拉格光柵記錄在光纖的芯部?jī)?nèi)，用于 測(cè)量應(yīng)變和溫度，所述第一 FBG橫過(guò)所述空隙定位，所述第一 FBG的第一端部操作地連接到 所述支座的第一部分，所述第一 FBG的第二端部操作地連接到所述支座的第二部分，所述 第一 FBG的這兩個(gè)端部被預(yù)加載應(yīng)變的量大于所述第一 FBG的預(yù)定操作范圍；第二光纖布拉格光柵，即第二 FBG，該第二光纖布拉格光柵記錄在所述光纖的芯部?jī)?nèi)， 用于測(cè)量溫度，所述第二 FBG的溫度測(cè)量用來(lái)消除溫度對(duì)所述第一 FBG的應(yīng)變測(cè)量的影響， 所述第二 FBG的第一端部操作地連接到所述第一 FBG，所述第二 FBG的第二端部操作地連接 到所述支座，使得所述第二 FBG沒(méi)有應(yīng)變；以及能被移除的橋接部分，該橋接部分與所述空隙相鄰，以將所述支座的第一部分連接到 所述支座的第二部分，所述橋接部分在所述支座操作地連接到所述主體結(jié)構(gòu)之后移除，其中，通過(guò)檢測(cè)反射波長(zhǎng)是否恢復(fù)到所述第一 FBG的原始布拉格波長(zhǎng)來(lái)提供右側(cè)故障 驗(yàn)證特征，從而指示所述第一 FBG是否斷裂。
18. 一種用于提供用于溫度補(bǔ)償光纖應(yīng)變儀的右側(cè)故障驗(yàn)證特征的方法，所述方法包括將支座操作地連接到主體結(jié)構(gòu)，所述支座具有將所述支座的第一部分與所述支座的第 二部分分離開(kāi)的空隙；對(duì)連接到所述第一部分和第二部分的第一光纖布拉格光柵，即第一 FBG的端部施加預(yù) 應(yīng)變，其量為大于所述第一 FBG的預(yù)定操作范圍；將第二光纖布拉格光柵，即第二 FBG操作地連接到所述第一 FBG和所述支座；以及 在所述支座操作地連接到所述主體結(jié)構(gòu)之后將連接所述第一部分和第二部分的橋接 部分移除；其中，通過(guò)檢測(cè)反射波長(zhǎng)是否恢復(fù)到所述第一 FBG的原始布拉格波長(zhǎng)來(lái)提供右側(cè)故障 驗(yàn)證特征，從而指示所述第一 FBG是否斷裂。
19. 一種用于溫度補(bǔ)償光纖應(yīng)變儀的支座，所述支座包括位于支座的中間部分的空隙，用于將所述支座分成第一部分和第二部分；和能被移除的橋接部分，用于連接所述第一部分和所述第二部分；其中，在所述支座已經(jīng)操作地連接到主體結(jié)構(gòu)后，移除所述能被移除的橋接部分。
20. 一種用于測(cè)量主體結(jié)構(gòu)的溫度的溫度傳感器，所述溫度傳感器包括支座，該支座操作地連接到所述主體結(jié)構(gòu)；凹入通道，該凹入通道限定在所述支座的表面上，并具有至少一個(gè)筆直部分和至少一 個(gè)彎曲部分；記錄在光纖的芯部中以測(cè)量溫度的光纖布拉格光柵，即FBG，所述FBG位于所述凹入通 道的筆直部分中，以確保所述FBG保持筆直；其中，所述凹入通道的所述至少一個(gè)彎曲部分允許所述光纖進(jìn)行有限的橫向運(yùn)動(dòng)。
21. 一種用于溫度傳感器的支座，所述支座包括凹入通道，該凹入通道限定在所述支座的表面上，并具有至少一個(gè)筆直部分和至少一 個(gè)彎曲部分；其中，記錄在光纖的芯部中以測(cè)量溫度的光纖布拉格光柵，即FBG定位在所述凹入通 道的筆直部分中，以確保所述FBG保持筆直，并且所述凹入通道的所述至少一個(gè)彎曲部分 允許所述光纖進(jìn)行有限的橫向運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
一種用于測(cè)量主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變的溫度補(bǔ)償光纖應(yīng)變儀(10)，所述應(yīng)變儀(10)包括支座(20)，其操作地連接到所述主體結(jié)構(gòu)，所述支座(20)具有使得支座(20)的第一部分(17)與支座(20)的第二部分(18)分隔開(kāi)的空隙(19)；第一光纖布拉格光柵(FBG)(30)，其記錄在光纖(11)的芯部?jī)?nèi)，用于測(cè)量應(yīng)變和溫度，所述第一FBG(30)橫過(guò)所述空隙(19)定位，所述第一FBG(30)的第一端部操作地連接到所述支座(20)的第一部分(17)，所述第一FBG(30)的第二端部操作地連接到所述支座(20)的第二部分(18)，所述第一FBG(30)的這兩個(gè)端部被預(yù)加載應(yīng)變的量大于所述第一FBG(30)的預(yù)定操作范圍；第二光纖布拉格光柵(FBG)(40)，其記錄在光纖(11)的芯部?jī)?nèi)，用于測(cè)量溫度，所述第二FBG(40)的溫度測(cè)量用來(lái)消除溫度對(duì)第一FBG(30)的應(yīng)變測(cè)量的影響，所述第二FBG(40)的第一端部操作地連接到所述第一FBG(30)，所述第二FBG(40)的第二端部操作地連接到所述支座(20)，使得所述第二FBG(40)沒(méi)有應(yīng)變；以及能被移除的橋接部分(24)，其與所述空隙(19)相鄰，以將所述支座(20)的第一部分(17)連接到所述支座(20)的第二部分(18)，所述橋接部分(24)可在所述支座(20)操作地連接到所述主體結(jié)構(gòu)之后移除，其中，通過(guò)檢測(cè)反射波長(zhǎng)是否恢復(fù)到第一FBG(40)的原始布拉格波長(zhǎng)來(lái)提供右側(cè)故障驗(yàn)證特征，從而指示第一FBG(40)是否斷裂。
文檔編號(hào)G01B11/16GK102089618SQ200980127482
公開(kāi)日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者何兆鎏, 廖信儀, 李家潤(rùn), 李鏡權(quán), 譚華耀, 譚耀明, 陳慶強(qiáng), 韓振昌 申請(qǐng)人:香港理工大學(xué), 香港鐵路有限公司