CN220507965U - 三向应变花光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种三向应变花光纤光栅传感器，包括：整体金属基片、3个光栅金属基片、3个光纤光栅、3个金属封装片；其中，3个光纤光栅包括第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅。第一光纤光栅的首端连接第二光纤光栅的尾端，第二光纤光栅的首端连接第三光纤光栅的尾端；所述光栅金属基片固定在所述整体金属基片上；3个光纤光栅的轴向延长线相交于一点。本申请设置了三个不同方向的光纤光栅，可以检测3个不同方位的应力，提高了光纤光栅传感器检测的多方向的能力。

Description

三向应变花光纤光栅传感器

技术领域

本申请涉及测量技术领域，具体而言，涉及一种三向应变花光纤光栅传感器。

背景技术

相关技术中，对地铁轨道进行检测，将光纤光栅传感器安装固定在钢轨上时，只是将光纤光栅传感器在钢轨轴向安装，光纤光栅传感器只可以测量钢轨的轴向应变，不可以测量多个方向的应变。

实用新型内容

本申请的主要目的在于提供三向应变花光纤光栅传感器，以解决上述问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种三向应变花光纤光栅传感器，包括：

整体金属基片（1）、3个光栅金属基片（2）；3个光纤光栅（5）和3个金属封装片（6）；3个光纤光栅（5） 包括：第一光纤光栅（51）、第二光纤光栅（52）和第三光纤光栅（53）；

第一光纤光栅（51）的首端连接第二光纤光栅（52）的尾端，第二光纤光栅（52）的首端连接第三光纤光栅（53）的尾端；

所述光栅金属基片（2）、所述光纤光栅（5）和所述金属封装片（6）一一对应设置，分成3组；在每组中，每个光纤光栅（5）封装在对应的光栅金属基片（2）和金属封装片（6）构成的腔体中；所述光栅金属基片（2）固定在所述整体金属基片（1）上；3个光纤光栅（5）的轴向延长线相交于一点。

在一种实施方式中，所述整体金属基片（1）上设置3个第一安装槽，每组的光栅金属基片（2），光纤光栅（5）和金属封装片（6）镶嵌在每个第一安装槽中。

在一种实施方式中，所述3个光纤光栅（5）的轴向延长线相交于所述整体金属基片的中心点。

在一种实施方式中，在每组的光栅金属基片（2），光纤光栅（5）和金属封装片（6）中；

所述金属封装片（6）和所述光栅金属基片（2）分别设置有第二安装槽；

所述金属封装片（6）和所述光栅金属基片（2）的上下第二安装槽形成容纳所述光纤光栅（5）的腔体；

所述光栅金属基片（2）和金属封装片（6）通过金属基粘结剂固定；

所述光纤光栅（5）两端由玻璃焊料固定在所述光栅金属基片（2）上。

在一种实施方式中，所述整体金属基片（1）的背面设置有粘结层，外附保护膜；安装时，揭下所述保护膜，以使所述粘结层暴露，便于粘贴。

在一种实施方式中，所述整体金属基片（1）的形状矩形，四个角的位置设置有固定孔，所述固定孔用于使用连接件固定所述整体金属基片（1）。

在一种实施方式中，所述整体金属基片（1）、光栅金属基片（2）和金属封装片（6）的金属材料相同。

在一种实施方式中，所述体金属基片（1）、光栅金属基片（2）和金属封装片（6）的材料为高弹性不锈钢材料。

在一种实施方式中，还包括光纤固定件（4）；所述光纤固定件（4）用于将各个光纤光栅（5）之间连接的光纤固定在所述整体金属基片（1）。

在一种实施方式中，所述光纤固定件（4）采用矩形的金属片制作，将金属片的中间部进行折叠，形成开口的矩形的通道，所述通道用于容纳光纤，两个端部分别使用粘结剂粘贴在整体金属基片（1）上。

在本申请具有以下的优点：三向应变花光纤光栅传感器设置有 3个不同方向的光纤光栅（5），包括：第一光纤光栅（51）、第二光纤光栅（52）和第三光纤光栅（53）；第一光纤光栅（51）的首端连接第二光纤光栅（52）的尾端，第二光纤光栅（52）的首端连接第三光纤光栅（53）的尾端，3个光纤光栅（5）的轴向延长线相交于一点。由于设置了3个不同方向的光纤光栅，这样，可以测量3个不同方向的应变，有利于实现光纤光栅传感器的测量方向的多样性。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的一种三向应变花光纤光栅传感器；

图2是根据本申请实施例的另一种三向应变花光纤光栅传感器。

附图标记说明

1-整体金属基片；2-光栅金属基片；3-第一尾纤；4-光纤固定件；5-光纤光栅；6-金属封装片；7-第二尾纤；8-固定孔；51-第一光纤光栅51；52-第二光纤光栅；53-第三光纤光栅。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本实用新型及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本实用新型中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本申请提出了一种三向应变花光纤光栅传感器，参见图1，包括：整体金属基片1、3个光栅金属基片2；3个光纤光栅5；3个金属封装片6。其中，每个光纤光栅5的首端朝外侧，尾端朝内侧设置。

如图2所示，光纤光栅5具体包括：第一光纤光栅51、第二光纤光栅52和第三光纤光栅53。第一光纤光栅51的尾端连接第二尾纤7；第一光纤光栅51的首端连接第二光纤光栅52的尾端，第二光纤光栅52的首端连接第三光纤光栅53的尾端；第三光纤光栅53的首端连接第一尾纤3。

所述光栅金属基片2、所述光纤光栅5和所述金属封装片6一一对应设置，分成3组；在每组中，每个光纤光栅5封装在对应的光栅金属基片2和金属封装片6构成的腔体中；所述光栅金属基片2固定在所述整体金属基片1上。

在所述整体金属基片1上，3个光纤光栅5设置时，每个光纤光栅5的长轴的第一方向分别按照竖直方向、水平方向和与水平方向成45度角的方向设置。

具体的，每个光纤光栅5的长轴的第一方向分别按照90度、0度和与-135度角的方向设置。

其中，长轴的第一方向为，从该光纤光栅5的尾端到首端的方向。3个光纤光栅5的长轴的第二方向的延长线相交于内侧的一点。其中，长轴的第二方向是指，从该光纤光栅5的首端到尾端的方向。实际操作时，对于一个光栅，可以任意指定光栅的一端为首端，另一端为尾端。

如图所示，第一光纤光栅51和第二光纤光栅52的长轴线的正方向的夹角为90度。第三光纤光栅53和第一光纤光栅51的长轴线的正方向的夹角为135度。第三光纤光栅53和第二光纤光栅52的夹角为135度。

在一种实施方式中，所述整体金属基片1上设置3个第一安装槽，每组的光栅金属基片2，光纤光栅5和金属封装片6镶嵌在每个第一安装槽中。

如图1所示，首先，在上述的整体金属基片1上确定三个第一安装槽的位置，该三个第一安装槽中，第一第一安装槽的长轴线与第二第一安装槽的长轴线夹角为90；第三第一安装槽的长轴线和第一第一安装槽的长轴线的夹角为135度；第三第一安装槽的长轴线和第二第一安装槽的长轴线的夹角为135度。3个第一安装槽的长轴线的延长线相交于一点。

确定第一安装槽的位置后，在整体金属基片1开设第一安装槽；然后，三个光栅金属基片2在上述的第一安装槽位置，通过焊接或者胶粘等方式固定在整体金属基片1的每个第一安装槽中。并且，上述光栅金属基片2上开有第二安装槽，长度略长于光纤光栅，这样，可以把光纤光栅固定在光栅金属基片2的第二安装槽中。

在一种实施方式中，所述3个光纤光栅5的轴向延长线相交于所述整体金属基片1的中心点。

在一种实施方式中，在每组的光栅金属基片2，光纤光栅5和金属封装片6中；所述金属封装片6和所述光栅金属基片2分别设置有第二安装槽；所述金属封装片6和所述光栅金属基片2的上下第二安装槽形成容纳所述光纤光栅5的腔体；所述光栅金属基片2和金属封装片6通过金属基粘结剂固定；所述光纤光栅5两端由玻璃焊料固定在所述光栅金属基片2上。

具体的，光纤光栅5的两端分别通过低温玻璃焊料固定在光栅金属基片2上，金属封装片6通过金属基粘结剂与所述的光栅金属基片2紧密结合。金属封装片6上同样开有第二安装槽，与光栅金属基片2上的第二安装槽形成容纳光纤光栅的腔体。

光纤光栅通过金属基片和金属封装片进行封装，金属材料性质稳定、强度高，可以有效保护光纤光栅传感器，避免恶劣工程环境的影响。封装后的光纤光栅随金属材料发生形变，具有和金属基片、金属封装片类似的动态特性，特别是高频的动态响应，可以测量高频的应变变化。因此金属基片和金属封装片应选择同种材料。

相关技术中，对地铁轨道进行检测，将光纤光栅传感器安装固定在钢轨上时，包括打磨除锈、加装保护罩、粘贴、焊接等一系列工序，工序非常繁杂，所以，本申请提出了一种方便固定光纤光栅传感器的安装方式，在一种实施方式中，所述整体金属基片1的背面设置有粘结层，外附保护膜；安装时，揭下所述保护膜，以使所述粘结层暴露，便于粘贴。实际安装时，可以首先揭掉保护膜，然后将光纤光栅传感器粘贴在钢轨上。固定起来更加方便，提高安装效率。

本申请还提出了另一种固定的方式，在一种实施方式中，所述整体金属基片1的形状为矩形，四个角的位置设置有固定孔，所述固定孔用于使用连接件固定所述整体金属基片1。

其中，固定孔可以为螺纹孔，通孔，固定件可以为螺栓，使用时，通过螺栓把光纤光栅传感器粘固定在钢轨上。

在一种实施方式中，所述整体金属基片1、光栅金属基片2和金属封装片6的金属材料相同。

光纤光栅5通过金属基片和金属封装片进行封装，金属材料性质稳定、强度高，可以有效保护光纤光栅传感器，避免恶劣工程环境的影响。封装后的光纤光栅随金属材料发生形变，具有和金属基片、金属封装片类似的动态特性，特别是高频的动态响应，可以测量高频的应变变化。因此，整体金属基片1、光栅金属基片2和金属封装片6应选择同种材料。

整体金属基片1的形状为矩形，在该整体金属基片1的四个角的位置设置有安装孔8。安装孔8用于固定所述整体金属基片1。固定时，可以采用螺栓穿过安装孔8进行固定。

在一种实施方式中，所述整体金属基片1、光栅金属基片2和金属封装片6的材料为高弹性不锈钢材料。高弹性不锈钢材料，弹性高，可以有效的传递应力，有利于提高对于钢轨的测量精度。不锈钢的材料，有利于防止生锈。

在一种实施方式中，还包括光纤固定件4；所述光纤固定件4用于将各个光纤光栅5之间连接的光纤固定在所述整体金属基片1。

参见图2，需要设置光纤固定件4来固定光纤。光纤固定件4的数量可以根据实际需要进行。在弯曲的曲率比较大的位置设定光纤固定件4。

所述光纤固定件4可以采用矩形的金属片制作，将金属片的中间部进行折叠，形成开口的矩形的通道，所述通道用于容纳上述的连接的光纤，两个端部分别使用粘结剂粘贴在整体金属基片1上。这样，使用的时候可以直接通过粘结剂粘贴的方式来对上述的光纤，以及光纤固定件4进行固定，使用方便，安装规定效率高。

本申请的三向应变花传感器，可以实现三个方向应变的检测，使得应变结果更丰富立体；光纤光栅通过金属基片和金属封装片进行封装，整体金属基片1可以通过焊接、胶粘或螺栓固定在钢轨上，使得光纤光栅与钢轨紧密结合，提高应变检测的准确性；金属封装片覆盖于光纤光栅上方，可以有效保护光纤光栅，降低恶劣环境对光纤光栅服役性能和期限的影响；整体金属基片1背面设置的粘合部使得光纤光栅传感器能够直接粘贴在钢轨上，简化了安装工序，显著提高安装效率。

如图2所示，光纤固定件4可以根据需要在各个位置进行固定。

本实施例中，三向应变花光纤光栅传感器可以采用胶粘的方法固定于钢轨上，因此在整体金属基片1背面粘贴粘结层，粘结层外附保护膜，实际安装时只需揭掉保护膜，即可直接将光纤光栅传感器直接粘贴在钢轨上。

另一种方法为，采用固定连接的方式来进行固定，光纤光栅传感器可以使用螺栓连接。采用螺栓连接的光纤光栅传感器制作过程中，首先要在整体金属基片1四角设置固定孔，其余步骤与粘贴式的光纤光栅传感器相同。粘贴式的光纤光栅传感器，生产和安装比较便捷，但粘贴不如螺栓连接的形式牢固，螺栓连接稳定牢固，但需要在钢轨打孔，操作复杂。

第二方面，本申请提出了一种三向应变花光纤光栅传感器的封装方法，包括如下步骤：

1）确定整体金属基片1；

2）在所述整体金属基片1上确定3个光纤光栅5的第一安装槽的位置；

3）确定光栅金属基片2和金属封装片6；

4）根据光纤光栅的尺寸在所述光栅金属基片2和所述金属封装片6上加工所述光纤光栅的第二安装槽；

5）将所述光栅金属基片2用金属基粘结剂粘贴在所述整体金属基片1上；

6）将每个所述光栅金属基片2放置于对应的第一安装槽中；

7）将每个光纤光栅5放置于对应的光栅金属基片2的第二安装槽内。

8）对于每一个光纤光栅5，在所述光纤光栅5两端施加预应力，通过玻璃焊料，将所述光纤光栅5固定在对应的光栅金属基片2上。

其中，玻璃焊料采用低温的玻璃焊料。

将所述金属封装片6放置于所述光栅金属基片2上，使得所述光纤光栅5处于上下两个安装槽形成的通道内，使用金属基粘结剂将所述金属封装片6和所述光栅金属基片2紧密结合。

9）通过光纤固定件4将光纤固定于所述整体金属基片1上。

10）揭下所述整体金属基片1的背面设置的保护膜，暴露粘结层，将所述整体金属基片1粘贴在钢轨上。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三向应变花光纤光栅传感器，其特征在于，包括：整体金属基片（1）、3个光栅金属基片（2）；3个光纤光栅（5）和3个金属封装片（6）；3个光纤光栅（5） 包括：第一光纤光栅（51）、第二光纤光栅（52）和第三光纤光栅（53）；

第一光纤光栅（51）的首端连接第二光纤光栅（52）的尾端，第二光纤光栅（52）的首端连接第三光纤光栅（53）的尾端；

所述光栅金属基片（2）、所述光纤光栅（5）和所述金属封装片（6）一一对应设置，分成3组；在每组中，每个光纤光栅（5）封装在对应的光栅金属基片（2）和金属封装片（6）构成的腔体中；所述光栅金属基片（2）固定在所述整体金属基片（1）上；3个光纤光栅（5）的轴向延长线相交于一点。

2.如权利要求1所述的三向应变花光纤光栅传感器，其特征在于，所述整体金属基片（1）上设置3个第一安装槽，每组的光栅金属基片（2），光纤光栅（5）和金属封装片（6）镶嵌在每个第一安装槽中。

3.如权利要求1所述的三向应变花光纤光栅传感器，其特征在于，所述3个光纤光栅（5）的轴向延长线相交于所述整体金属基片（1）的中心点；

所述第一光纤光栅（51）与所述第二光纤光栅（52）的长轴线的第一方向的夹角为90度；

所述第三光纤光栅（53）分别和所述第一光纤光栅（51）与所述第二光纤光栅（52）的长轴线的第一方向的夹角为135度。

4.如权利要求1所述的三向应变花光纤光栅传感器，其特征在于，在每组的光栅金属基片（2），光纤光栅（5）和金属封装片（6）中；所述金属封装片（6）和所述光栅金属基片（2）分别设置有第二安装槽；

所述金属封装片（6）和所述光栅金属基片（2）的上下第二安装槽形成容纳所述光纤光栅（5）的腔体；

所述光栅金属基片（2）和金属封装片（6）通过金属基粘结剂固定；

所述光纤光栅（5）两端由玻璃焊料固定在所述光栅金属基片（2）上。

5.如权利要求1所述的三向应变花光纤光栅传感器，其特征在于，所述整体金属基片（1）的背面设置有粘结层，外附保护膜；安装时，揭下所述保护膜，以使所述粘结层暴露，便于粘贴。

6.如权利要求1所述的三向应变花光纤光栅传感器，其特征在于，所述整体金属基片（1）的形状矩形，四个角的位置设置有固定孔，所述固定孔用于使用连接件固定所述整体金属基片（1）。

7.如权利要求1所述的三向应变花光纤光栅传感器，其特征在于，所述整体金属基片（1）、光栅金属基片（2）和金属封装片（6）的金属材料相同。

8.如权利要求7所述的三向应变花光纤光栅传感器，其特征在于，所述体金属基片（1）、光栅金属基片（2）和金属封装片（6）的材料为高弹性不锈钢材料。

9.如权利要求1所述的三向应变花光纤光栅传感器，其特征在于，还包括光纤固定件（4）；

所述光纤固定件（4）用于将各个光纤光栅（5）之间连接的光纤固定在所述整体金属基片（1）上；

所述光纤固定件（4）采用矩形的金属片制作，将金属片的中间部进行折叠，形成开口的矩形的通道，所述通道用于容纳光纤；所述金属片的两个端部分别使用粘结剂粘贴在所述整体金属基片（1）上。