一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器及测量方法与流程

本发明涉及传感器，具体涉及一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器及测量方法。

背景技术：

1、应变传感器广泛应用于工业生产和工程监测中，常见的应变传感技术主要分为机电式应变传感技术和光纤应变传感技术等。然而电学类和光纤类应变传感器由于其感知元件自身变形率小，如光纤光栅极限应变8000～10000με，光纤极限应变16000με，很难实现超大量程(大于10％)的应变测试，并且机电式应变传感由于大量使用电子元器件及本体性质原因，易受电磁干扰影响，而光纤光栅应变传感器，其粘贴光纤光栅的胶黏剂会老化变形，从而导致光纤光栅存在长期徐变和零漂问题，且光纤光栅传感器易受温度影响。

2、为了实现大量程的应变测试，目前有两种方式，一是通过在同轴电缆上钻孔或钳压方式制作两个反射点形成法布里-珀罗干涉腔研发同轴电缆法布里-珀罗大应变传感器，应变量程可达到17％，但是该类传感器属于单向不可逆传感器，即传感器在发生大变形时，同轴电缆本身不能弹性恢复，同时在同轴电缆上钻孔或钳压的反射点很容易遭受外界荷载的破坏导致传感器失效；二是通过采用平板弹簧结构，实现对大量程应变的测量，但是弹簧使用寿命短，且无法解决对量程进行调整的问题。

3、因此，目前亟需一种能够长期使用，能够测量大应变量程的高精度应变传感器。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于光纤法珀干涉原理的大量程应变传感器，能够克服现有技术中的应变传感器的光纤光栅在长期使用中存在疲劳变形、易受零漂影响的缺陷。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明的第一方面公开了一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器，包括：串联结构单元、法珀干涉腔、第一端头法兰、第二端头法兰、保护壳和光谱解调仪，所述串联结构单元设置在保护壳的内部，用于应变传感器中应变量程的放大；

4、所述法珀干涉腔用于实现应变的测量，包括：第一反射点、传输光纤、第二反射点和反射镜载体，所述第一反射点为传输光纤的端面，与第二反射点相对设置，第二反射点为反射镜载体的反射面，所述传输光纤外面设置有光纤保护管，并与光谱解调仪相连接；

5、所述第一端头法兰和第二端头法兰设置于保护壳的两侧，合围成应变传感器。

6、优选地，所述传输光纤的端部光纤端面为第一反射点，反射镜载体的反射面为第二反射点，第一反射点和第二反射点之间的空腔为法珀干涉腔，两个反射光发生干涉，形成法珀干涉谱。

7、优选地，所述串联结构单元为应变传感器两个端头法兰的之间的机械结构，其中固定第一反射点和串联结构第一端的法兰为第一端头法兰，固定串联结构第二端的法兰为第二端头法兰。

8、优选地，所述串联结构单元是由多个个体串接而成的，每个串联结构的形状为直线、曲线或空间曲线当中的任意一种，所述串联的个体可相同或不相同。

9、优选地，所述串联结构单元的个体之间相互连接，连接点为铰接和刚性连接当中的任意一种。

10、优选地，所述串联结构单元可为一个完整的圆柱体或圆筒体，取其中一段也可成为串联结构的个体。

11、优选地，所述第一反射点随第一端头法兰移动，第二反射点的移动量与第二端头法兰相对第一端头法兰移动量线性相关且小于第二端头法兰相对第一端头法兰的移动量。

12、优选地，所述第二端头法兰相对第一端头法兰的移动量与两个端头法兰之间距离的比值为应变量；第二反射点的移动量与第二端头法兰相对第一端头法兰移动量的比值为应变传感器的量程放大倍数。

13、本发明的第二方面公开了一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器的测量方法，包括以下步骤：

14、步骤1，设置串联结构的形状和数量，确定应变传感器的量程；

15、步骤2，标定应变和干涉腔长关系，获得施加的应变值；

16、步骤3，测定初始腔长，移动位移台，测出每个应变状态下的干涉腔长，获得应变标定公式；

17、步骤4，通过步骤3获得的标定公式，根据测出的干涉腔长，获取应变值的大小。

18、优选地，步骤1中，当串联结构是n个相同的结构时，干涉腔长从d0减小到d0-δl/n，腔长变化量δd＝δl/n，应变量ε＝nδd/l，串联结构的数量越多，n越大，应变传感器可测量的应变量程越大。

19、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，

20、(1)本发明提供了一种基于光纤法珀干涉原理的大量程应变传感器，所使用的低刚度弹性串联结构实现对大量程应变的测量，通过测量腔长变化量，确定应变大小，并且可测量的应变量程与串联结构的数量的相关，串联结构的数量越多，应变传感器可测量的应变量程越大；同样外界应变对应的干涉腔长的变化量越小，传感器的量程越大，本发明解决了光纤应变传感器量程小的问题，可以将应变传感器的量程提高到万微应变数量级；

21、(2)本发明提供了一种基于光纤法珀干涉原理的大量程应变传感器，能够用于测量隧道、管廊、建筑物、水利工程和地质工程中的应变量，例如钢筋、混凝土和岩石的应变量，由于法珀干涉的元器件属于非接触式，而且本专利所设计的传感器使用的都是刚性零件，只有几何移动，没有往复变形问题，所以该传感器具有高线性度、精度高、寿命长、抗电磁干扰和无零漂等优点。

技术特征：

1.一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器，包括：串联结构单元(5)、法珀干涉腔、第一端头法兰(9)、第二端头法兰(10)、保护壳(12)和光谱解调仪(13)，其特征在于：

2.如权利要求1所述的一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器，其特征在于：

3.如权利要求1所述的一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器，其特征在于：

4.如权利要求3所述的一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器，其特征在于：

5.如权利要求3所述的一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器，其特征在于：

6.如权利要求1所述的一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器，其特征在于：

7.如权利要求1所述的一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器，其特征在于：

8.如权利要求1所述的一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器，其特征在于：

9.一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器的测量方法，基于权利要求1-8所述的一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器，其特征在于：

10.如权利要求9所述的一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器的测量方法，其特征在于：

技术总结本发明公开了一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器及其测量方法，所述包括：串联结构，法珀干涉腔，端头法兰。串联结构单元设置在保护壳的内部，用于应变传感器中应变量程的放大；法珀干涉腔用于实现应变的测量，包括：第一反射点、传输光纤、第二反射点和反射镜载体，第一反射点为传输光纤的端面，与第二反射点相对设置，第二反射点为反射镜载体的反射面，所述传输光纤外面设置有光纤保护管，并与光谱解调仪相连接；第一端头法兰和第二端头法兰设置于保护壳的两侧，合围成应变传感器。本发明利用低刚度弹性串联结构实现对大量程应变的测量，串联结构的个数越多，传感器的量程越大，可以将应变传感器的量程提高到万微应变数量级。技术研发人员：唐艳,陈艺征,吴泽威,石碧耀,刘国军,郭经红,鞠登峰,梁云受保护的技术使用者：国网智能电网研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/29