基于杠杆原理的内压式FBG应变传感器、方法及应变筒与流程

本发明涉及应变测量，特别涉及一种基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器、基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器的工作方法、一种基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器的应变筒以及一种基于fbg的多参量集成装置。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

2、一般的fbg(fibber bragg gratting，光纤布拉格光栅)应变传感器是将其固定到被测物体表面进行应变的测量，且粘贴光纤时会施加预应力，以实现增敏的目的，但这种类型的传感器应用场景比较单一，适用于测量物体表面的应变。

3、对于井下多参量集成装置来说，其形状多以柱形为主，将集成装置放置于深井或者浅井中，进行多参量的同时观测，基于这个应用场景，可以得知，地表发生形变时，会挤压筒壁，从而将应变传递到筒内，如果将测量表面应变的fbg传感器放置到集成装置内，挤压会使得带有预应力的fbg中心波长减小，以达到测量应变的目的，但当所施加的预应力被压缩为0时，fbg变为松弛状态，再次压缩时中心波长不会变化，导致测量数据不准确。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明设计了一款基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器、方法及应变筒，该传感器应用于集成装置的筒内，可以将筒壁发生的挤压通过杠杆原理转变为fbg上拉伸时的应变，解决了表面式应变传感器测量不足的问题，灵敏度高于依靠施加预应力来测量压缩应变的fbg传感器。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器。

4、一种基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器，包括：内传递杆、外传递杆、第一连接杆、第二连接杆、连接工装、插杆和fbg，内传递杆与外传递杆相对布置且通过插杆活动连接；

5、内传递杆与第一连接杆连接，外传递杆与第二连接杆连接，第一连接杆与第二连接杆通过连接工装连接，fbg布置在内传递杆和外传递杆顶部的凹槽中；

6、第一连接杆的远离内传递杆的一端进行圆弧处理以用于与应变筒内壁紧密贴合，第二连接杆的远离外传递杆的一端进行圆弧处理以用于与筒内壁紧密贴合。

7、作为本发明第一方面进一步的限定，内传递杆与第一连接杆垂直固定连接，外传递杆与第二连接杆垂直固定连接。

8、作为本发明第一方面进一步的限定，内传递杆和外传递杆竖向平行布置。

9、第二方面，本发明提供了一种基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器的工作方法。

10、一种基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器的工作方法，利用本发明第一方面所述的基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器，包括以下过程：

11、当筒壁受到挤压时，第一连接杆和第二连接杆将压缩应变传递到内传递杆和外传递杆上；

12、内传递杆和外传递杆的下部会产生内压式的微小位移，经过与插杆构成的杠杆结构，转化为内传递杆和外传递杆上部的外扩式的位移，以此带动位于内传递杆和外传递杆上部的fbg发生拉伸动作，根据fbg的中心波长变化得到筒壁的应变。

13、第三方面，本发明提供了一种基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器的应变筒。

14、一种基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器的应变筒，包括本发明第一方面所述的基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器，所述应变筒内自上而下交错布置有多个所述内压式fbg应变传感器。

15、作为本发明第三方面进一步的限定，相邻内压式fbg应变传感器之间的竖向距离相同，各个内压式fbg应变传感器安装完成后相对于应变筒的中轴线中心对称。

16、作为本发明第三方面进一步的限定，当应变筒上共安装有三个基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器，从俯视图上看，水平面上相邻个传感器相互间隔60°，能够检测到应变筒壁上360°范围内的应变；

17、当某一方向上发生应变时，三个传感器的中心波长均会发生变化，根据波长变化的大小和方向，得到应变的方向。

18、作为本发明第三方面进一步的限定，以第一内压式fbg应变传感器与应变筒中轴线之间的连线为0°线，沿着应变筒的360°方向每隔10°作线；

19、当挤压方向与0°线重合时，挤压方向处于第一传感器的正上方，第一传感器波长增大，且达到波长增大量的最高点，而第二传感器和第三传感器距离挤压方向上均为60°，第二传感器和第三传感器的波长均减小，且变化量基本相同；

20、当挤压方向与10°线重合时，挤压方向距离第一传感器10°，第一传感器波长增大，而第二传感器和第三传感器距离挤压方向上分别为50°和70°，第二传感器和第三传感器波长均减小，且第三传感器的变化量大于第二传感器的变化量；

21、当与20°线重合时，挤压方向距离第一传感器和第二传感器分别为20°和40°，第一传感器和第二传感器波长均增大，且第一传感器的变化量大于第二传感器的变化量，而第三传感器距离挤压方向80°，第三传感器波长减小；

22、当与30°线重合时，挤压方向距离第一传感器和第二传感器分别为30°、30°，第一传感器和第二传感器波长均增大，且变化量基本相同，而第三传感器距离挤压方向90°，第三传感器波长减小，且达到波长减小量的最高点；

23、当挤压方向与40°线重合时，挤压方向距离第一传感器和第二传感器分别为40°、20°，第一传感器和第二传感器波长均增大，且第二传感器的变化量大于第一传感器的变化量，而第三传感器距离挤压方向80°，第三传感器波长减小；

24、当与50°线重合时，挤压方向距离第一传感器和和第三传感器分别为50°和70°，第一传感器和第三传感器波长均减小，且第三传感器的变化量大于第一传感器的变化量，而第二传感器距离挤压方向10°，第二传感器波长增大；

25、当与60°线重合时，挤压方向距离第一传感器和和第三传感器分别为60°和60°，第一传感器和和第三传感器波长均减小，且变化量基本相同，而第二传感器距离挤压方向0°，第二传感器波长增大，且达到波长增大量的最高点；

26、当挤压方向与70°线重合时，挤压方向距离第一传感器和和第三传感器分别为70°和50°，第一传感器和和第三传感器波长均减小，且第一传感器的变化量大于第三传感器的变化量，而第二传感器距离挤压方向10°，第二传感器波长增大；

27、当与80°线重合时，，挤压方向距离第一传感器80°，第一传感器波长减小，而第二传感器和第三传感器距离挤压方向上分别为20°、40°，第二传感器和第三传感器波长均增大，且第二传感器的变化量大于第三传感器的变化量；

28、当与90°线重合时，挤压方向距离第一传感器90°，第一传感器波长减小，且达到波长减小量的最高点，而第二传感器和第三传感器距离挤压方向上分别为30°、30°，第二传感器和第三传感器波长均增大，且变化量基本相同或者差异在设定范围内。

29、作为本发明第三方面进一步的限定，当挤压方向与100°线重合时，挤压方向距离第一传感器80°，第一传感器波长减小，而第二传感器和第三传感器距离挤压方向上分别为40°和20°，第二传感器和第三传感器波长均增大，且第三传感器的变化量大于第二传感器的变化量；

30、当与110°线重合时，挤压方向距离第一传感器和第二传感器分别为70°和50°，第一传感器和第二传感器波长均减小，且第一传感器的变化量大于第二传感器的变化量，而第三传感器距离挤压方向10°，第三传感器波长增大；

31、当与120°线重合时，挤压方向距离第一传感器和第二传感器分别为60°和60°，第一传感器和第二传感器波长均减小，且变化量基本相同，而第三传感器距离挤压方向0°，第三传感器波长增大，且达到波长增大量的最高点；

32、当挤压方向与130°线重合时，挤压方向距离第一传感器和第二传感器分别为50°和70°，第一传感器和二传感器波长均减小，且第二传感器的变化量大于第一传感器的变化量，而第三传感器距离挤压方向10°，第三传感器波长增大；

33、当与140°线重合时，挤压方向距离第一传感器和三传感器分别为40°和20°，第一传感器和第三传感器波长均增大，且第三传感器的变化量大于第一传感器的变化量，而第二传感器距离挤压方向80°，第二传感器波长减小；

34、当与150°线重合时，挤压方向距离第一传感器和第三传感器分别为30°和30°，第一传感器和第三传感器波长均增大，且变化量基本相同或者差异在设定范围内，而第二传感器距离挤压方向90°，第二传感器波长减小，且达到波长减小量的最高点；

35、当挤压方向与160°线重合时，挤压方向距离第一传感器和第三传感器分别为20°和40°，第一传感器和第三传感器波长均增大，且第一传感器的变化量大于第三传感器的变化量，而第二传感器距离挤压方向80°，第二传感器波长减小；

36、当与170°线重合时，挤压方向距离第一传感器10°，第一传感器波长增大，而第二传感器和第三传感器距离挤压方向上分别为70°和50°，第二传感器和第三传感器波长均减小，且第二传感器的变化量大于第三传感器的变化量；

37、当与180°线重合时，挤压方向距离第一传感器0°，第一传感器波长增大，且达到波长增大量的最高点，而第二传感器和三传感器距离挤压方向上分别为60°和60°，第二传感器和三传感器波长均减小，且变化量相同或者差异在设定范围内。

38、第四方面，本发明提供了一种基于fbg的多参量集成装置。

39、一种基于fbg的多参量集成装置，包括分层设置的中空筒体，自下而上依次布置有加速度测量单元、温度应变测量单元、三分向应变测量单元、倾角测量单元和磁场测量单元，其实，所述的温度应变测量单元采用本发明第三方面所述的基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器的应变筒。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

41、1、本发明创新性的研制了一款基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器，该传感器应用于集成装置的筒内，可以将筒壁发生的挤压通过杠杆原理转变为fbg上拉伸时的应变，解决了表面式应变传感器测量不足的问题，灵敏度高于依靠施加预应力来测量压缩应变的fbg传感器。

42、2、本发明创新性的研制了一种基于杠杆原理的内压式fbg应变传感器的应变筒，以10°为单位进行不同角度方位的挤压时，三个传感器中心波长变化均呈现三角函数规律，且变化较为明显，当某一方向发生挤压时，可以根据三个传感器中心波长的变化情况分析发生挤压的角度方位，与理论推导相符度较高，可以实现对发生应变方位的判别。

43、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。