本發(fā)明涉及光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于柔性鉸鏈的高靈敏光纖光柵應(yīng)變傳感器，尤其適用于各類(lèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)中應(yīng)變量的高精度測(cè)量。

背景技術(shù)：

光纖光柵具有體積小、重量輕、防爆、對(duì)電絕緣、抗電磁干擾、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好，且在單根光纖上可以布置多個(gè)針對(duì)不同參數(shù)的測(cè)量光柵形成分布式傳感器的特點(diǎn)，因此成為光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。光纖光柵應(yīng)變傳感器是利用光柵應(yīng)變量與布拉格波長(zhǎng)間的關(guān)系進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，目前在橋梁、大壩、礦山及電站等大型工程的健康監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

近年來(lái)，光纖光柵應(yīng)變傳感器向其他應(yīng)用領(lǐng)域迅速發(fā)展，其中包括如機(jī)床結(jié)構(gòu)、齒輪箱系統(tǒng)、飛機(jī)機(jī)翼及衛(wèi)星太陽(yáng)能板等機(jī)械結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)與運(yùn)行維護(hù)。以上這些機(jī)械結(jié)構(gòu)往往設(shè)計(jì)剛度高、變形量小，相對(duì)于大型工程建筑其測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變測(cè)量范圍窄、應(yīng)變幅值小，需要傳感器具有較大的應(yīng)變靈敏度。并且一些特殊的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間有限，對(duì)傳感器的尺寸大小以及安裝操作空間有嚴(yán)格要求。

目前，光纖光柵應(yīng)變傳感器的封裝主要包括了管式、嵌入式和基片式封裝結(jié)構(gòu)。其中管式封裝主要適用于建筑中埋入安裝，一般尺寸較大，難以安裝在機(jī)械結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。嵌入式封裝通過(guò)將裸光柵直接嵌入其它有機(jī)聚合物粘接劑基體安裝到待測(cè)表面，但是由于聚合物基體的應(yīng)變對(duì)傳遞效率造成損失，其應(yīng)變靈敏度要小于裸光纖光柵。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為CN101571380提供的基片式封裝方案中，將光纖光柵固定在具有平板彈簧結(jié)構(gòu)的金屬基片上，使傳感器兩端可以承受較大應(yīng)變(±2500με)，此方案可以實(shí)現(xiàn)大量程范圍的應(yīng)變傳感，但是沒(méi)有對(duì)光纖光柵的應(yīng)變靈敏度作出相應(yīng)改善，難以適用于機(jī)械結(jié)構(gòu)中的小應(yīng)變測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足提供一種結(jié)構(gòu)緊湊，測(cè)量精度高的基于柔性鉸鏈的高靈敏光纖光柵應(yīng)變傳感器。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種基于柔性鉸鏈的高靈敏光纖光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于：包括彈性應(yīng)變基片和光纖光柵串，所述彈性應(yīng)變基片具有縱向軸線和橫向軸線，且分別沿縱向軸線和橫向軸線對(duì)稱(chēng)設(shè)置，包括橫梁、彈性應(yīng)變單元、固定端、位移放大機(jī)構(gòu)，所述橫梁的兩端分別通過(guò)彈性應(yīng)變單元與固定端相連，構(gòu)成溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，所述位移放大機(jī)構(gòu)沿橫向軸線對(duì)稱(chēng)布設(shè)在橫梁的上下兩側(cè)，所述位移放大機(jī)構(gòu)包括一縱向位移臂和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂，所述縱向位移臂的兩端分別通過(guò)第二柔性鉸鏈對(duì)稱(chēng)連接轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂，所述兩轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂的外端頭分別通過(guò)第一柔性鉸鏈與對(duì)應(yīng)的固定端相連，所述第一柔性鉸鏈的中心線和第二柔性鉸鏈的中心線呈一定夾角布設(shè)，所述光纖光柵串包括應(yīng)變測(cè)量光柵和溫度補(bǔ)償光柵，所述應(yīng)變測(cè)量光柵位于彈性應(yīng)變基片的縱向軸線位置，安設(shè)在兩縱向位移臂上，所述溫度補(bǔ)償光柵的兩端位于彈性應(yīng)變基片的橫向軸線位置，安設(shè)在橫梁上。

按上述技術(shù)方案，所述彈性應(yīng)變單元為O型彈性應(yīng)變單元。

按上述技術(shù)方案，所述應(yīng)變測(cè)量光柵在預(yù)應(yīng)力拉直狀態(tài)下固定到兩縱向位移臂上。

按上述技術(shù)方案，所述溫度補(bǔ)償光柵在自由彎曲狀態(tài)下固定到橫梁兩端。

按上述技術(shù)方案，所述溫度補(bǔ)償光柵和應(yīng)變測(cè)量光柵分別采用玻璃焊料焊接在彈性應(yīng)變基片上。

按上述技術(shù)方案，所述第一柔性鉸鏈的對(duì)稱(chēng)中心點(diǎn)和第二柔性鉸鏈的對(duì)稱(chēng)中心點(diǎn)的連線與縱向位移臂的橫向軸線呈3～10°的夾角設(shè)置。

按上述技術(shù)方案，所述第一柔性鉸鏈與轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂偏心連接或中心連接，第二柔性鉸鏈與轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂或縱向位移臂偏心連接或中心連接。

按上述技術(shù)方案，在固定端上設(shè)有安裝孔。

按上述技術(shù)方案，第一柔性鉸鏈和第二柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)相同，均包括鉸鏈本體，在鉸鏈本體的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)有弧形凹槽。

本發(fā)明所取得的有益效果為：

1、本發(fā)明具有一對(duì)沿橫向軸對(duì)稱(chēng)的柔性鉸鏈位移放大機(jī)構(gòu)，將固定端感知到的被測(cè)物體的橫向變形量通過(guò)位移放大機(jī)構(gòu)放大傳遞到縱向位移臂的位移輸出，可將固定在縱向位移臂上應(yīng)變測(cè)量光柵的靈敏度提高十倍，且能同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，具有應(yīng)變靈敏度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧、可靠性高、易于安裝并能有效消除溫度漂移的優(yōu)點(diǎn)，適用于各類(lèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)中小量程范圍的高精度應(yīng)變測(cè)量。

2、應(yīng)變測(cè)量光柵在焊接固定到彈性應(yīng)變基片之前進(jìn)行了預(yù)張拉，使傳感器能夠測(cè)量待測(cè)物體的正負(fù)應(yīng)變。

3、安裝在彈性應(yīng)變基片橫梁上的溫度補(bǔ)償光柵呈自由彎曲形狀，且基片上的O型彈性應(yīng)變單元在加載應(yīng)變后易發(fā)生彈性形變，保證了橫梁對(duì)橫向應(yīng)變不敏感，不會(huì)在測(cè)量過(guò)程中對(duì)溫度補(bǔ)償光柵的補(bǔ)償值產(chǎn)生擾動(dòng)。

4、本發(fā)明光纖光柵應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由彈性應(yīng)變基片和光纖光柵串構(gòu)成，彈性應(yīng)變基片可一次裝夾加工成型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、長(zhǎng)期可靠性好。

5、本發(fā)明纖光柵應(yīng)變傳感器尺寸小，光纖光柵串可以選擇在橫向軸或縱向軸上引出，易于實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)緊湊、空間狹小的機(jī)械結(jié)構(gòu)中的安裝。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的主視圖。

圖2為本發(fā)明的側(cè)視圖。

圖3為第一柔性鉸鏈和第二柔性鉸鏈的一種布置示意圖。

圖4為第一柔性鉸鏈和第二柔性鉸鏈的另一種布置示意圖。

附圖中各部件的標(biāo)記如下：1、彈性應(yīng)變基片；2、第一柔性鉸鏈；3、O型彈性應(yīng)變單元；4、轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂；5、第二柔性鉸鏈；6、縱向位移臂；7、玻璃焊點(diǎn)；8、橫梁；9、固定端；10、安裝孔；11、應(yīng)變測(cè)量光柵；12、溫度補(bǔ)償光柵；13、光纖光柵串。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1、2所示，本實(shí)施例提供了一種基于柔性鉸鏈的高靈敏光纖光柵應(yīng)變傳感器，包括彈性應(yīng)變基片1和光纖光柵串13，光纖光柵串13上的應(yīng)變測(cè)量光柵11和溫度補(bǔ)償光柵12兩端固定在彈性應(yīng)變基片1上相應(yīng)位置。

所述彈性應(yīng)變基片1具有縱向軸線和橫向軸線，且分別沿縱向軸線和橫向軸線對(duì)稱(chēng)設(shè)置，包括橫梁8、O型彈性應(yīng)變單元3、固定端9、位移放大機(jī)構(gòu)，所述橫梁8的兩端分別通過(guò)彈性應(yīng)變單元3與固定端9相連，構(gòu)成溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，所述位移放大機(jī)構(gòu)沿橫向軸線對(duì)稱(chēng)布設(shè)在橫梁8的上下兩側(cè)，所述位移放大機(jī)構(gòu)包括一縱向位移臂6和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂4，所述縱向位移臂6的兩端分別通過(guò)第二柔性鉸鏈5對(duì)稱(chēng)連接轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂4，所述兩轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂4的外端頭分別通過(guò)第一柔性鉸鏈2與對(duì)應(yīng)的固定端9相連，所述第一柔性鉸鏈2的對(duì)稱(chēng)中心點(diǎn)和第二柔性鉸鏈5的對(duì)稱(chēng)中心點(diǎn)的連線與縱向位移臂6的橫向軸線呈α的夾角布設(shè)，其中，α取值為3～10°，優(yōu)選5°。所述第一柔性鉸鏈2與轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂4偏心連接或中心連接，第二柔性鉸鏈5的兩端分別與轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂4和縱向位移臂6偏心連接或中心連接，圖3和圖4分別示意了兩種連接方式(圖3中的第一柔性鉸鏈連接在轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂4的中心位置，第二柔性鉸鏈的兩端分別連接在轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂和縱向位移臂的中心位置；圖4中第一柔性鉸鏈連接在轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂的偏心位置，第二柔性鉸鏈的兩端分別連接在縱向位移臂和轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂的偏心位置)。光纖光柵串13包括應(yīng)變測(cè)量光柵11和溫度補(bǔ)償光柵12，所述應(yīng)變測(cè)量光柵11位于彈性應(yīng)變基片1的縱向軸線位置，應(yīng)變測(cè)量光柵11兩端在預(yù)應(yīng)力拉直狀態(tài)下通過(guò)沿橫向軸線對(duì)稱(chēng)的玻璃焊接點(diǎn)7分別連接到兩縱向位移臂6上，所述溫度補(bǔ)償光柵12的兩端在自由彎曲狀態(tài)下通過(guò)沿縱向軸對(duì)稱(chēng)的玻璃焊接點(diǎn)7分別連接到橫梁8兩端。

本實(shí)施例中，第一柔性鉸鏈2和第二柔性鉸鏈5的結(jié)構(gòu)相同，均包括鉸鏈本體，在鉸鏈本體的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)有弧形凹槽。

本實(shí)施例中，在固定端9上設(shè)有安裝孔10，使用時(shí)通過(guò)對(duì)安裝孔10的焊接或螺栓連接將彈性應(yīng)變基片的兩固定端9固定到待測(cè)物體的測(cè)量位置上，工作時(shí)待測(cè)物體產(chǎn)生的橫向正應(yīng)變帶動(dòng)兩固定端9間產(chǎn)生背向位移，固定端9的橫向位移通過(guò)第一柔性鉸鏈2拉動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)連接臂4，并通過(guò)第二柔性鉸鏈5傳遞到縱向位移臂6，使兩對(duì)稱(chēng)的縱向位移臂6間在縱向上產(chǎn)生十倍于固定端9橫向位移量的背向位移；相反的，在待測(cè)物體產(chǎn)生橫向負(fù)應(yīng)變時(shí)帶動(dòng)兩固定端9間產(chǎn)生相向位移，使兩對(duì)稱(chēng)的縱向位移臂6間在縱向上產(chǎn)生十倍于固定端9橫向位移量的相向位移。應(yīng)變測(cè)量光柵11在預(yù)張拉狀態(tài)下兩端通過(guò)玻璃焊點(diǎn)7固定到縱向位移臂6上，可以感測(cè)量縱向位移臂6間的背向位移或相向位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的正負(fù)應(yīng)變的高靈敏度測(cè)量。溫度補(bǔ)償光柵12呈自由彎曲形狀通過(guò)兩端玻璃焊點(diǎn)7固定在橫梁8上，對(duì)應(yīng)變測(cè)量光柵11在測(cè)量過(guò)程中由溫度引起的波長(zhǎng)漂移進(jìn)行補(bǔ)償。彈性應(yīng)變基片1上的一對(duì)O型彈性應(yīng)變單元3在測(cè)量過(guò)程中易發(fā)生彈性形變，保證了橫梁8對(duì)彈性應(yīng)變基片1的橫向應(yīng)變不敏感，不會(huì)在測(cè)量過(guò)程中對(duì)溫度補(bǔ)償光柵12的補(bǔ)償值產(chǎn)生擾動(dòng)。

在本實(shí)施例中，彈性應(yīng)變片1的尺寸為40×12×0.5mm，該傳感器的應(yīng)變靈敏度約為10pm/με，可適用于各種機(jī)械結(jié)構(gòu)變形的高精度測(cè)量。