一种基于光纤光栅的静冰压力传感器及测量方法

本发明属于光纤传感，具体涉及一种基于光纤光栅(fbg)的静冰压力传感器及测量方法。

背景技术：

1、静冰压力是指在冰生消过程中，水冰层受水和空气双重温度影响导致内部形成温度梯度，造成结冰体积冻胀或冰层受热体积热胀对约束边界如水利水电设施、护坡堤坝及燃油平台等水工结构物产生水平作用。静冰压力会产生挤压弯曲等破坏形式，影响水文预警、河海道凌汛、水利水工防凌等的正常运转，甚至引发严重的人员伤亡与经济损失。因检测环境的地域特性及冰材料的复杂性，致使对实现连续监测静冰压力传感器有着迫切需求，对保护流域生态环境、防凌减灾及水文预报等具有十分重要的意义。

2、光纤光栅作为光纤敏感元件具有对压力和温度高精度检测、可实现连续动态测量易复用组网等优点，广泛应用于机械制造、航空航天、生物医学等领域。由于光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的，光纤光栅器件本身非常敏感脆弱，光纤抗剪性能差的物理特性使其在振动下容易折断，给实际工程应用带来挑战，因此光纤光栅的封装技术就显得尤为重要。传统的光纤光栅传感器在测量静冰压力的过程中常因为不可避免的振动和静冰压力使内部裸纤发生剪断，降低传感器的存活率和使用年限，无法较好实现超远距离的信号传输和高速的动态在线检测从而满足静冰压力现场在线检测的要求。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于光纤光栅的静冰压力传感器，以解决在冰冻融过程包括结冰期、冰封稳定期及冰消融期的连续变化过程中，实现对静冰压力的动态测量。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于光纤光栅的静冰压力传感器，包括基底层、弹性膜片、光纤光栅和光纤；所述弹性膜片底部中心设置有凸起；所述光纤光栅固定设置在所述凸起上，所述光纤光栅两端分别连接有水平穿过所述基底层的光纤；所述基底层固定设置在所述弹性膜片下方，基底层中心设置有容纳所述凸起和光纤光栅的空腔，用于对所述凸起和光纤光栅进行密封。

3、进一步地，所述空腔底部与所述光纤光栅对应设置有保护槽。

4、进一步地，所述保护槽的深度为0.1～0.3mm。

5、进一步地，所述基底层、凸起和弹性膜片均为圆形。

6、进一步地，所述弹性膜片的半径为24～36mm，所述凸起的半径为8～12mm。

7、进一步地，弹性膜片的厚度为0.4～0.8mm，所述凸起的厚度为0.3～0.4mm。

8、进一步地，弹性膜片和凸起为不锈钢材料一体成型，所述基底层为树脂材料通过3d打印制成。

9、此外，本发明还提供了一种基于光纤光栅的静冰压力传感器的测量方法，包括以下步骤：

10、步骤s001：将传感器设置在待测位置处；

11、步骤s002：通过光纤将传感器与测量系统连接，向传感器内输入测量光信号；

12、步骤s003：采集传感器中输出的多组衰荡脉冲峰，根据衰荡脉冲峰确定衰荡时间，利用衰荡时间对计算对应的静冰压力。

13、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

14、1、本发明提出了一种基于光纤光栅的静冰压力传感器，将光纤光栅固定在可以传导静冰压力的弹性膜片上，当弹性膜片在静冰压力的作用下发生位移时，与其固定的光纤光栅产生轴向伸长时，则光纤光栅的反射光谱中心波长产生轴向漂移，进而影响衰荡时间，通过分析衰荡时间的变化，进而可以实现对静冰压力的测量；因此，本发明可以通过检测光纤光栅中心波长的变化来间接测量静冰压力；

15、2、本发明中，fbg通过环氧树脂粘合剂粘在弹性膜片表面，以减少迟滞误差，提高了传感器的准确性；保护槽可避免fbg与其它介质接触，从而提高传感器的灵敏度和稳定性；3d打印技术制作的基底可有效防止传感器受压力形变及水分侵入，保护槽可避免fbg与其它介质接触，从而提高传感器的灵敏度和稳定性；

16、3、本发明中弹性膜片采用304不锈钢制成，具有高弹性极限强度和疲劳强度，可以承受更大的静冰压力；

17、4、检测范围广：本发明的静冰压力传感器可以测量0～500kpa的静冰压力。

技术特征：

1.一种基于光纤光栅的静冰压力传感器，其特征在于，包括基底层(4)、弹性膜片(1)、光纤光栅(2)和光纤(5)；所述弹性膜片(1)底部中心设置有凸起(6)；所述光纤光栅(2)固定设置在所述凸起(6)上，所述光纤光栅(2)两端分别连接有水平穿过所述基底层(4)的光纤(5)；所述基底层(4)固定设置在所述弹性膜片(1)下方，基底层(4)中心设置有容纳所述凸起(6)和光纤光栅(2)的空腔(7)，用于对所述凸起(6)和光纤光栅(2)进行密封。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的静冰压力传感器，其特征在于，所述空腔(7)底部与所述光纤光栅(2)对应设置有保护槽(3)。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅的静冰压力传感器，其特征在于，所述保护槽(3)的深度为0.1～0.3mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的静冰压力传感器，其特征在于，所述基底层(4)、凸起(6)和弹性膜片(1)均为圆形。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅的静冰压力传感器，其特征在于，所述弹性膜片(1)的半径为24～36mm，所述凸起(6)的半径为8～12mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的静冰压力传感器，其特征在于，弹性膜片(1)的厚度为0.4～0.8mm，所述凸起(6)的厚度为0.3～0.4mm。

7.根据权利要求5所述的一种基于光纤光栅的静冰压力传感器，其特征在于，弹性膜片(1)和凸起(6)为不锈钢材料一体成型，所述基底层(4)为树脂材料通过3d打印制成。

8.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的静冰压力传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明属于光纤传感技术领域，公开了一种基于光纤光栅的静冰压力传感器及测量方法，包括基底层、弹性膜片、光纤光栅和光纤；所述弹性膜片底部中心设置有凸起；所述光纤光栅固定设置在所述凸起上，所述光纤光栅两端分别连接有水平穿过所述基底层的光纤；所述基底层固定设置在所述弹性膜片下方，基底层中心设置有容纳所述凸起和光纤光栅的空腔，用于对所述凸起和光纤光栅进行密封。本发明可以精确测量静冰压力，其灵敏度高和稳定性好。技术研发人员：张丽,徐超炎,杜晓阳,胡冰冰,赵明哲,杜超,邓霄,崔丽琴受保护的技术使用者：太原理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27