用于曲面的fbg拉伸傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于在曲面上測(cè)量拉伸的FBG-拉伸傳感器，其中所述光導(dǎo)纖維(4)被固定在兩個(gè)固定元件(5a、5b)之間，所述兩個(gè)固定元件的底面被構(gòu)造為粘貼面，其中所述光導(dǎo)纖維(4)和固定元件(5a、5b)被嵌入到由柔性特氟隆制成或由具有類似機(jī)械特性的塑料制成的保護(hù)物料(6)中，并且所述纖維(4)被嵌入到由特氟隆制成或由具有與特氟隆類似小摩擦系數(shù)的塑料制成的上部的薄滑動(dòng)膜和下部的薄滑動(dòng)膜(7、8)或者滑動(dòng)軟管(9)之間，其中所述下部的滑動(dòng)膜(7)的底面或所述滑動(dòng)軟管(9)的外側(cè)下包絡(luò)線與所述固定元件(5a、5b)的粘貼面位于一個(gè)平面內(nèi)。
【專利說(shuō)明】用于曲面的FBG拉伸傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及帶有光導(dǎo)纖維的拉伸傳感器，所述光導(dǎo)纖維具有光纖布拉格光柵，所述拉伸傳感器在下文被稱為FBG拉伸傳感器。本發(fā)明還適合在曲面上精準(zhǔn)地測(cè)量拉伸。

【背景技術(shù)】
[0002]被固定在有待檢查的材料表面上、對(duì)拉伸靈敏的傳感器作為所謂的金屬膜-DMS或作為FBG-纖維傳感器公知。金屬膜-DMS基本上由塑料-載體膜構(gòu)成，在所述塑料-載體膜上全面地、也就是以其整個(gè)面固定了至少一個(gè)曲折形的薄金屬膜條帶。為了檢測(cè)拉伸而將塑料載體膜粘貼到有待檢查的材料表面上。有必要將塑料膜用作傳感器載體，原因是只有使用這種布置才能按規(guī)定(definiert)應(yīng)用DMS。在實(shí)驗(yàn)室條件之外，在沒(méi)有比較穩(wěn)定的塑料膜的情況下無(wú)法電絕緣地應(yīng)用非常薄的金屬膜。
[0003]與這些金屬膜-DMS類似地研發(fā)如下FBG-傳感器，所述FBG-傳感器具有帶光纖布拉格光柵(下文被稱為FBG)的玻璃纖維來(lái)作為重要的組件。所述玻璃纖維同樣必須被固定在有待檢查的材料表面之上。在此，在操作時(shí)同樣出現(xiàn)問(wèn)題，原因是玻璃纖維薄并且容易破碎。因此同樣必須研發(fā)傳感器載體，因此FBG-傳感器相對(duì)于惡劣的實(shí)踐條件較不靈敏。在文獻(xiàn)JP 2003 279760 A和W02008/101657A1中描述了這種傳感器。通過(guò)將帶有FBG的靈敏纖維嵌入柔性塑料物料中，所述傳感器能操作，因此適合于實(shí)踐。文獻(xiàn)W02008/101657A1中所述的FBG-傳感器具有兩點(diǎn)式力導(dǎo)入(Zweipunkt-Krafteinleitung)并因此與全面應(yīng)用的FBG傳感器相比測(cè)量準(zhǔn)確性大很多。通過(guò)這種類型的傳感器，可以準(zhǔn)確地測(cè)量平坦表面上的拉伸。但與金屬膜-DMS相反，使用FBG-傳感器在曲面上測(cè)量時(shí)出現(xiàn)借助圖1a至圖1g所示的問(wèn)題。
[0004]圖1a-1c示出常規(guī)的金屬膜-DMS，其被粘貼在彎曲的材料表面之上，其中圖1a示出彎曲的材料表面的帶有DMS-應(yīng)用的透視圖。圖1b示出圖1a的側(cè)視圖，圖1c示出圖1b的放大剖面圖。
[0005]如果所述材料由于力作用而拉伸或由于溫度影響而發(fā)生膨脹，如圖1c中由雙箭頭Al所示，則由于通過(guò)粘貼的方式將所述載體膜在整個(gè)面上固定到所述材料上，該拉伸均勻地傳遞給在整個(gè)面上與載體膜相連的金屬膜，由此所述金屬膜也以該尺度拉伸。這樣所述材料拉伸幾乎無(wú)錯(cuò)誤地傳遞給金屬膜-DMS，如圖1c中通過(guò)雙箭頭A2所示。
[0006]但在具有兩點(diǎn)式力導(dǎo)入的FBG-傳感器中存在另一種拉伸傳遞方式，如下文所述。圖1d和Ie以縱剖面圖和橫剖面圖的方式示出根據(jù)文獻(xiàn)W02008/101657A1所述的、固定在材料上的FBG-傳感器，以如下方式構(gòu)建所述FBG-傳感器:具有FBG的玻璃纖維被保持在兩個(gè)剛性固定元件之間并被嵌入到柔性塑料、例如硅橡膠中。這兩個(gè)剛性固定元件被粘貼在有待檢查的材料表面上。所述柔性塑料優(yōu)選用于防止玻璃纖維配有FBG的部分受到干擾力影響，也就是防止其受到側(cè)面的力的影響，并且整體上提高FBG-傳感器在應(yīng)用時(shí)的可操作性。然而，如果具有這種結(jié)構(gòu)的FBG-傳感器被用于在曲面上測(cè)量拉伸，則產(chǎn)生導(dǎo)致較大測(cè)量錯(cuò)誤的效果。下文借助于圖1f-1g解釋其原因。
[0007]圖1f示出根據(jù)文獻(xiàn)W02008/101657A1所述、應(yīng)用在彎曲的材料表面上的傳感器，而圖1g示出所述玻璃纖維以何種方式跟隨材料表面的拉伸。所述材料表面的拉伸通過(guò)有待監(jiān)控的材料中的雙箭頭表示。通過(guò)材料表面的拉伸，兩個(gè)固定元件之間的間距擴(kuò)大了長(zhǎng)度a+a，也就是所述纖維拉伸了長(zhǎng)度2a。由于所述纖維只被夾固在兩個(gè)固定元件中，所以所述纖維在材料表面方向上被牽拉，也就是所述塑料未按規(guī)定地?cái)D壓在FBG之上。另外，由于所述纖維的所述運(yùn)動(dòng)，所述材料表面的實(shí)際拉伸錯(cuò)誤地傳遞至FBG，這樣就出現(xiàn)了取決于材料表面曲率半徑的測(cè)量錯(cuò)誤。
[0008]因此表明，不論是使用根據(jù)JP2003279760A所述的傳感器還是使用根據(jù)W02008/101657A1所述的傳感器都不能在曲面上進(jìn)行準(zhǔn)確的拉伸測(cè)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種具有承載體的FBG-傳感器，所述FBG-傳感器在曲面上測(cè)量時(shí)也具有高的測(cè)量準(zhǔn)確性、良好的可操作性并且制造成本低。
[0010]所述任務(wù)通過(guò)如權(quán)利要求1或2所述的FBG-傳感器得以解決。根據(jù)權(quán)利要求1所述的是帶有光導(dǎo)纖維的FBG-傳感器，所述光導(dǎo)纖維具有FBG且被固定在兩個(gè)固定元件之間。所述固定元件的底面被構(gòu)造為粘貼面，所述粘貼面被粘貼在有待檢查的材料表面上。另外，光導(dǎo)纖維和固定元件被嵌入到由柔性硅橡膠或具有類似機(jī)械特性的塑料制成的保護(hù)物料中。所述纖維被嵌入到由特氟隆或具有與特氟隆類似的小摩擦系數(shù)的塑料制成的上部的薄滑動(dòng)膜和下部的薄滑動(dòng)膜之間，其中所述下部的滑動(dòng)膜的底面與粘貼面位于一個(gè)平面內(nèi)。
[0011 ] 按照權(quán)利要求2所述的是帶有光導(dǎo)纖維的FBG-傳感器，所述光導(dǎo)纖維具有FBG、被固定在兩個(gè)固定元件之間。所述固定元件的底面被構(gòu)造為粘貼面，這些粘貼面被粘貼在有待檢查的材料表面上。此外，所述光導(dǎo)纖維和固定元件被嵌入到由柔性硅橡膠或具有類似機(jī)械特性的塑料制成的保護(hù)物料內(nèi)。所述纖維被由特氟隆或具有與特氟隆類似的小摩擦系數(shù)的塑料制成的薄滑動(dòng)軟管包圍，其中所述滑動(dòng)軟管的外側(cè)下包絡(luò)線(Mantellinie)與這些粘貼面位于一個(gè)平面內(nèi)。
[0012]與按照J(rèn)P2003279760A或W02008/101657A1所述的傳感器裝置相比，具有按照權(quán)利要求I或2所述結(jié)構(gòu)的FBG-傳感器在曲面上也具有明顯更小的測(cè)量錯(cuò)誤。這歸因于兩種效果:
[0013]如果所述纖維被拉伸，所述纖維就不能在材料表面方向上移動(dòng)，原因是它已經(jīng)貼在接近所述材料表面的最低的線上，并且只通過(guò)薄的滑動(dòng)膜與所述材料表面分開。由于所述滑動(dòng)層具有非常小的摩擦系數(shù)，所以幾乎沒(méi)有產(chǎn)生粘滑效應(yīng)。另外，也沒(méi)有由于保護(hù)物料的影響而產(chǎn)生粘滑效應(yīng)，這是因?yàn)樗唤佑|FBG，而是通過(guò)上部的滑動(dòng)膜與所述保護(hù)物料分開。
[0014]在按照權(quán)利要求1所述的本發(fā)明的改進(jìn)方案中，按照權(quán)利要求3所述，所述滑動(dòng)膜在其邊緣被焊接或粘貼，并且所述上部的滑動(dòng)膜與所述保護(hù)物料粘貼在一起。
[0015]在按照權(quán)利要求2所述的本發(fā)明的改進(jìn)方案中，按照權(quán)利要求4所述，所述滑動(dòng)軟管與所述保護(hù)物料粘貼在一起。
[0016]這些膜彼此之間的焊接或粘貼以及這些膜和滑動(dòng)軟管與保護(hù)物料之間的粘貼阻止所述膜和滑動(dòng)軟管可能由于微小移動(dòng)發(fā)生漂移。通過(guò)這種位移，在所述保護(hù)物料內(nèi)部可能產(chǎn)生使FBG的測(cè)量準(zhǔn)確性降低的張力。這種微小移動(dòng)不僅在機(jī)械力周期出現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生，而且在溫度波動(dòng)時(shí)產(chǎn)生。
[0017]按照權(quán)利要求5所述的本發(fā)明的改進(jìn)方案允許多個(gè)相鄰的FBG級(jí)聯(lián)式地布置在唯一的、非常緊湊的、能夠良好應(yīng)用的組件中。測(cè)量技術(shù)中經(jīng)常使用多重布置，從而可以在FBG-傳感器停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使用另一個(gè)生效的測(cè)量通道。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]下文借助于實(shí)施例、結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明。
[0019]圖1a示出彎曲的材料表面上的常規(guī)金屬膜-DMS。
[0020]圖1b示出圖1a的側(cè)視圖。
[0021]圖1c示出圖1b的放大剖面圖。
[0022]圖1d-1e示出FBG-傳感器的縱剖面圖和橫剖面圖。
[0023]圖1f示出彎曲的材料表面上的、按照?qǐng)D1d所示的FBG-傳感器。
[0024]圖1g示出材料表面拉伸時(shí)按照?qǐng)D1f所示的FBG-傳感器。
[0025]圖2a示出依據(jù)本發(fā)明的FBG-傳感器的縱剖面圖。
[0026]圖2b示出依據(jù)本發(fā)明的FBG-傳感器的第一實(shí)施方式的橫剖面圖。
[0027]圖2c示出依據(jù)本發(fā)明的FBG-傳感器的第二實(shí)施方式的橫剖面圖。
[0028]圖2d示出依據(jù)本發(fā)明的FBG-傳感器的第三實(shí)施方式的橫剖面圖。
[0029]圖2e示出依據(jù)本發(fā)明的FBG-傳感器的第四實(shí)施方式的橫剖面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030]圖1a示出在彎曲的材料表面2、例如管或壓力罐上的常規(guī)金屬膜-DMSl的透視圖。金屬膜-DMSl基本上由塑料-載體膜Ia構(gòu)成，在塑料-載體膜Ia上全面地固定至少一個(gè)曲折形的薄金屬膜條帶lb。為檢測(cè)拉伸，在所述材料表面2上粘貼塑料-載體膜la。
[0031]圖1b示出圖1a的側(cè)視圖，且圖1c示出圖1b的放大剖面圖。如果所述材料如在圖1c中利用拉伸箭頭Al所示的那樣拉伸，則由于全面的粘貼，所述拉伸均勻地傳遞給載體膜la，并且通過(guò)金屬膜Ib與載體膜Ia的全面連接，所述金屬膜Ib拉伸。這樣，材料表面2的材料拉伸幾乎無(wú)錯(cuò)誤地傳遞到金屬膜條帶Ib上，這用同樣大小的拉伸箭頭A2表示。這種幾乎無(wú)錯(cuò)誤的拉伸傳遞適用于平坦表面，同樣適用于曲面。
[0032]與之相反，在FBG-傳感器中，所述拉伸未傳遞至整個(gè)應(yīng)用面上，如下文所述。
[0033]圖1d和Ie示出按照文獻(xiàn)W02008/101657A1所述FBG-傳感器3的縱剖面圖和橫剖面圖，所述FBG-傳感器3構(gòu)建如下:具有FBG4a的玻璃纖維4被保持在兩個(gè)剛性固定元件5a、5b之間并被嵌入到柔性塑料6中，例如嵌入到硅橡膠中。所述兩個(gè)剛性固定元件5a、5b被粘貼在有待檢查的材料表面2上并可能由彼此連接的、酚醛樹脂浸潰的玻璃纖維葉片構(gòu)成。所述柔性硅橡膠6用于防止光導(dǎo)纖維4具有FBG4a的部分受到干擾力影響，也就是例如防止其受到側(cè)面的力的影響，并且提高FBG-傳感器3在應(yīng)用時(shí)的可操作性。如果在有待檢查的材料上產(chǎn)生力F，并且所述材料拉伸長(zhǎng)度a+a以及因此平坦的材料表面2拉伸長(zhǎng)度a+a,則所述拉伸如同在金屬膜拉伸測(cè)量條帶(Metallfolien-Dehnungsmessstreifen)的情況下同樣幾乎無(wú)錯(cuò)誤地傳遞至FBG-傳感器3。
[0034]然而，如果具有這種結(jié)構(gòu)的FBG-傳感器3被用于在曲面上測(cè)量拉伸，則出現(xiàn)導(dǎo)致較大測(cè)量錯(cuò)誤的效果，下文借助于圖1f-1g對(duì)此進(jìn)行解釋。
[0035]圖1f示出應(yīng)用在彎曲的材料表面2上的FBG-傳感器3。由于所述光導(dǎo)纖維4非常薄并且因此可彎曲性良好，并且硅橡膠6同樣與所述材料表面2的曲率半徑的匹配性良好，所以具有這種結(jié)構(gòu)的FBG-傳感器3原則上也能夠良好地應(yīng)用在彎曲明顯的表面之上。
[0036]圖1g示出所述材料表面2拉伸時(shí)的情況，其通過(guò)彎曲的材料壁下方的箭頭表示。
[0037]利用雙箭頭示出所述材料表面的拉伸。然而，由于所述纖維4只被夾固在兩個(gè)固定元件5a、5b之間，所以它朝著材料表面移動(dòng)并緊壓在硅橡膠中。這一移動(dòng)利用小箭頭表示。在此，作用于FBG4a的橫向力使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。另外，由于這種移動(dòng)，所述材料表面的實(shí)際拉伸只是不完全地傳遞至FBG4a上，這樣由此出現(xiàn)另一種取決于所述材料表面曲率半徑的測(cè)量錯(cuò)誤。因此表明，不論是利用根據(jù)JP2003279760A所述的傳感器還是利用根據(jù)W02008/101657A1所述的傳感器都不能在曲面上準(zhǔn)確地測(cè)量拉伸。
[0038]但利用按照?qǐng)D2a至2e所示的、依據(jù)本發(fā)明的FBG-傳感器消除了測(cè)量錯(cuò)誤的這兩個(gè)原因。
[0039]圖2a示出依據(jù)本發(fā)明的FBG-傳感器3的縱剖面圖。結(jié)合圖2b的橫剖面圖描述FBG-傳感器3的基本結(jié)構(gòu)和功能。
[0040]所述光導(dǎo)纖維4被粘貼在所述固定元件5a、5b之間，并且每個(gè)固定元件都以其底面與所述材料表面2粘貼在一起。另外，所述光導(dǎo)纖維4被嵌入到兩個(gè)滑動(dòng)膜7和8之間。例如由特氟隆制成的這兩個(gè)膜在其邊緣彼此焊接在一起并且針對(duì)所述纖維4形成滑動(dòng)軸承(Gleitlager)。在所述情況下，0.15毫米的、薄的滑動(dòng)膜7直接貼在所述材料表面2上，也就是所述滑動(dòng)膜7的底面位于和所述固定元件5a、5b的粘貼面相同的平面內(nèi)。由于所述滑動(dòng)膜7基于其特性和小的厚度而僅可以忽略地?cái)D壓在一起，所以在所述纖維4被張緊時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生圖1g中所述的測(cè)量錯(cuò)誤或該測(cè)量錯(cuò)誤小到可以忽略不計(jì)。另外由于所述纖維4從上由滑動(dòng)膜覆蓋，所以不會(huì)出現(xiàn)由于柔性塑料6的影響而引起的粘滑效應(yīng)。
[0041]按照?qǐng)D2c和2d的實(shí)施方式具有相同功能。按照?qǐng)D2c所示的實(shí)施方式示出，所述柔性塑料6從所述滑動(dòng)膜7、8的邊緣上方伸出，因此產(chǎn)生防止可能由于毛細(xì)作用而侵入到傳感器下方的潮氣(這在霜凍時(shí)會(huì)造成測(cè)量錯(cuò)誤)的相當(dāng)好的密封效果。在按照?qǐng)D2d所示的實(shí)施方式中，使用柔性且有彈性的軟管9代替膜7、8。由于它可以簡(jiǎn)易可靠地制造出來(lái)，因此它是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
[0042]所有可被描述為柔性且有彈性并且具有非常光滑的表面的塑料(例如特氟隆或硅酮)都可作為膜材料和軟管材料。
[0043]在按照?qǐng)D2e所示的實(shí)施方式中，在所述固定元件5a、5b之間粘貼入兩個(gè)光導(dǎo)纖維4并將其嵌入到塑料6中。這種多重傳感器用于例如減小測(cè)量鏈的停止運(yùn)轉(zhuǎn)概率。
【權(quán)利要求】
1.帶有光導(dǎo)纖維(4)的FBG-傳感器，所述光導(dǎo)纖維(4)具有FBG(4a)，其中 -所述光導(dǎo)纖維(4)被固定在兩個(gè)固定元件(5a、5b)之間，其底面被構(gòu)造為粘貼面，其中所述光導(dǎo)纖維(4)和所述固定元件(5a、5b)被 -嵌入到由柔性的硅橡膠或具有類似機(jī)械特性的塑料制成的保護(hù)物料￠)中，以及-所述纖維(4)被嵌入到由特氟隆制成或由具有與特氟隆類似小摩擦系數(shù)的塑料制成的上部的薄滑動(dòng)膜和下部的薄滑動(dòng)膜(7、8)之間，其中 -所述下部的滑動(dòng)膜(7)的底面與所述固定元件(5a、5b)的粘貼面位于一個(gè)平面內(nèi)。
2.帶有光導(dǎo)纖維(4)的FBG-傳感器，所述光導(dǎo)纖維(4)具有FBG(4a)，其中 -所述光導(dǎo)纖維(4)被固定在兩個(gè)固定元件(5a、5b)之間，所述兩個(gè)固定元件的底面被構(gòu)造為粘貼面，其中所述光導(dǎo)纖維(4)和所述固定元件(5a、5b)被 -嵌入到由柔性的硅橡膠或具有類似機(jī)械特性的塑料制成的保護(hù)物料￠)中以及-所述纖維(4)利用由特氟隆制成或由具有與特氟隆類似小摩擦系數(shù)的塑料制成的薄滑動(dòng)軟管(9)來(lái)包圍,其中 -所述滑動(dòng)軟管(9)的外側(cè)下包絡(luò)線與所述固定元件(5a、5b)的粘貼面位于一個(gè)平面內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的FBG-傳感器，其特征在于，所述滑動(dòng)膜(7、8)在其邊緣被焊接或粘貼在一起，并且所述上部滑動(dòng)膜(8)與所述保護(hù)物料(6)粘貼在一起。
4.如權(quán)利要求2所述的FBG-傳感器，其特征在于，所述滑動(dòng)軟管(9)與所述保護(hù)物料(6)粘貼在一起。
5.如權(quán)利要求1或2所述的FBG-傳感器，其特征在于，多個(gè)光導(dǎo)纖維(4)被固定在所述固定元件(5a、5b)之間。
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK104185772SQ201280056371
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2012年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月15日
【發(fā)明者】J·毛爾, T·基普, B·京特爾 申請(qǐng)人:霍廷格·鮑德溫測(cè)量技術(shù)有限責(zé)任公司