专利名称：基于波纹管的光纤应力传感装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属光纤应力传感装置，尤其是涉及一种基于波纹管并通过对光纤微弯 损耗变化的检测而达到应力传感目的的装置。
背景技术：
波纹管的用途非常广泛，波纹管是纵向可以形变，侧向基本不形变的弹性元件，在 传感方面，可用于各类测量、调节、控制、传感仪器的敏感元件、补偿元件、连接件和密封件 等；作为膨胀节的柔性段，可用于补偿管路因温差造成的轴向、横向和角位移，也可以在管 路中用于补偿位置偏差、吸收管道的振动等。可以看出，波纹管作为传感装置中的关键元件 可以适应多种实际应用环境。在现有的报道中波纹管常用于制作为压力传感器，由于其主要通过霍尔效应来实 现待测量的感测，所以其缺点主要是容易受电磁干扰、不易远距离传输数据，精度低，性能 差。而光纤类传感装置相对传统传感器有诸多优点，如《光学学报》2004，24 (2)第187-189 页，刊载了文章《高灵敏度的光纤光栅压强传感器》，其介绍了一种用金属波纹管封装光纤 光栅的压力传感的结构，该传感器具有精度高、易于远程获取数据、抗电磁干扰等多个优 点。然而，光纤光栅类型传感器的也有缺点1)是动态范围小，光纤光栅一般是经紫外线曝 光的裸光纤制成，其强度值较低，变形能力小，导致动态范围小；另外，需良好的封装才能使 用，而封装是个成本较高的过程；2)是测试设备成本高，需要价格较高的光波长解调设备 配套使用。动态范围小，封装成本高，特别是高昂的解调设备成本限制了该传感器的广泛使 用。而光纤微弯传感器是一种光强度调制的传感器，具有成本低、灵敏度高、具有一定 的环境抗干扰能力的特点，其实现方案是基于光纤的弯曲或微弯损耗来实现的。通过改变 光纤的弯曲程度，从而导致输出光功率的变化。光功率损耗的原理是当光纤受到弯曲扰动的时候，将会产生弯曲损耗，主要是微 弯损耗和宏弯损耗。两者弯曲损耗均是由于光纤弯曲时导致纤芯中的部分导模耦合至包层 引起的，两者损耗可以根据Marcuse的理论公式计算弯曲损耗大小，其公式如下Pout = Pin exp (- γ S)其中，Pot和Pin分别为输出和输入光功率，Y是弯曲损耗系数，S为弯曲弧长。可 以看出光纤的弯曲损耗系数Y越大，即光纤弯曲半径越小，则损耗越大，但弯曲半径过小 会导致光纤寿命大幅度减少，影响传感器的使用寿命，所以实际应用中光纤的弯曲半径是 受限制的；另一方面，在相同的弯曲损耗系数Y下，若增加弯曲弧长S，则可增大衰减，可以 通过大幅度增加弯曲弧长S，达到大幅度提高光纤传感器的动态范围和精度的目的。中国专利87107210提供的方案是以光纤的微弯损耗为主的来实现微弯光纤应力 计，但由于其是通过两块平板来实现的，平板的尺寸不可能太大，使可以弯曲的光纤长度受 到限制，妨碍了该类光纤传感器的动态范围和精度的提高。另外两块板相对运动的可调节 距离最大只有数百微米，且运动时两块板须保持基本的平行，所以此类传感器对调节的机械结构有较高的要求，不仅增加了实施成本，同样也限制了该类光纤传感器的动态范围和 精度的提高。
发明内容为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于波纹管的光纤应力传感 装置，采用的是延长光纤微弯结构，不仅增加了检测距离，并使该光纤检测装置具有使用寿 命长、精度高的特点。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是一种基于波纹管的光纤应 力传感装置，其特征在于在波纹管管壁的下凹处的相对两个面上分别布设有A侧变形齿 和B侧变形齿，A侧变形齿和B侧变形齿相互交错对应，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设 在信号光纤的两侧，信号光纤通过延长光纤接测试单元。当波纹管在应力下伸缩变形时，位于波纹管管壁上的A侧变形齿和B侧变形齿之 间的距离也会改变，从而使夹持于两者变形齿间的信号光纤的弯曲曲率变化，这又使信号 光纤的弯曲损耗变化，通过测试单元可得到信号光纤弯曲损耗变化的大小，从而可推算出 波纹管所受应力的大小。由于在波纹管管壁上布设有众多相互对应的变形齿，从而使信号 光纤的有效弯曲长度大大延长，一方面减少了信号光纤的弯曲曲率，另一方面提高该装置 的精度，同时也大大延长了信号光纤的使用寿命。所述的变形齿分布于波纹管的内壁上。所述的变形齿分布于波纹管的外壁上。所述的波纹管是螺旋形结构的波纹管。所述的波纹管的材料是不锈钢、高分子材料、铜合金材料。在所述的测试单元后面接处理单元。在所述的信号光纤的一端安置有光反射装置，如光反射镜、光纤光栅、或在信号光 纤的端面镀反射膜，或仅仅是将信号光纤的端面处理为镜面。所述的信号光纤的另一端通过延长光纤与1X2光分路器的1 口连接，1X2光分路器 的2 口分别接构成测试单元的稳定光源和光功率计。从波纹管的一端至另一端、分布于波纹管壁上的变形齿的齿高、齿距或齿形是变 化的，如齿高是递增或递减的。信号光纤的一部分没有被所述的分布于波纹管壁上的变形齿夹持，或该部分没有 对应的变形齿，该部分的信号光纤是缓冲光纤，是用于吸纳或补偿其余部分信号光纤在弯 曲变形时光纤长度的变化。在一些特殊用途中，变形齿只分布于波纹管径向的某一个方向， 或局限于某个方向角内。所述的信号光纤被防水材料包覆。所述的防水材料是阻水油膏。所述信号光纤为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰 亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤。本实用新型与现有技术相比具有以下优点1、基于波纹管的光纤应力传感装置，是将波形管与光纤微弯结构结合起来，充分 发挥各自结构的优点，而构成了一种智能型装置，使该传感器的结构简单、设计合理、操作
4方便且使用方式灵活、灵敏度高；2、基于波纹管的光纤应力传感装置，因由曲线型较大长度的光纤微弯结构构成， 大大增加了信号光纤的有效弯曲长度，一方面增加了检测的精度和灵敏度，并可以减少信 号光纤的弯曲曲率，从而延长了信号光纤的使用寿命，使该光纤传感装置具有使用寿命长、 精度高的特点；3、基于波纹管的光纤应力传感装置由于采用了曲线型较大长度的光纤微弯结构， 从而可以使本装置可以响应更大的应力以及更大的应力作用距离，扩展了该装置的使用范 围。综上所述，本实用新型结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏 度高、使用效果好，汇集了波纹管与光纤微弯结构的优势，并使其具有的优势进一步的放 大，使本实用新型的装置具有更好的精度和更长的使用寿命。下面通过附图和实施例，对实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
[0030]图1为本实用新型第--具体实施方式
的结构示意图。[0031]图2为本实用新型第--具体实施方式
的局部放大的结构示意图。[0032]图3为本实用新型第二二具体实施方式
的结构示意图。[0033]图4为本实用新型第三三具体实施方式
的结构示意图。[0034]图5为本实用新型第三三具体实施方式
的局部放大的结构示意图。[0035]附图标记说明[0036]
权利要求基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于在波纹管管壁的下凹处的相对两个面上分别布设有A侧变形齿和B侧变形齿，A侧变形齿和B侧变形齿相互交错对应，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在信号光纤的两侧，信号光纤通过延长光纤接测试单元。
2.按照权利要求1所述的基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于所述的变形 齿分布于波纹管的内壁上。
3.按照权利要求1所述的基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于所述的变形 齿分布于波纹管的外壁上。
4.按照权利要求1所述的基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于所述的波纹 管的材料是不锈钢、高分子材料、铜合金材料。
5.按照权利要求1所述的基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于在所述的信 号光纤的一端安置有光反射装置。
6.按照权利要求5所述的基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于所述的信号 光纤的另一端通过延长光纤与1X2光分路器的1 口连接，1X2光分路器的2 口分别接构成测 试单元的稳定光源和光功率计。
7.按照权利要求1所述的基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于从波纹管的 一端至另一端、分布于波纹管壁上的变形齿的齿高、齿距或齿形是变化的。
8.按照权利要求1所述的基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于有一部分的 信号光纤没有被所述的分布于波纹管壁上的变形齿夹持，或该部分没有对应的变形齿。
9.按照权利要求1至8所述的任意一项基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在于 所述的波纹管是螺旋形结构的波纹管。
10.按照权利要求1至8所述的任意一项基于波纹管的光纤应力传感装置，其特征在 于在所述的测试单元后面接处理单元。
专利摘要本实用新型公开了一种基于波纹管的光纤应力传感装置，在波纹管管壁的下凹处的相对两个面上分别布设有相互交错对应的A侧变形齿和B侧变形齿，信号光纤夹持在两者变形齿间。当波纹管在应力下伸缩变形时，位于波纹管管壁上的A侧变形齿和B侧变形齿之间的距离也会改变，从而使夹持于两者变形齿间的信号光纤的弯曲曲率变化，这又使信号光纤的弯曲损耗变化，通过测试单元可得到信号光纤弯曲损耗变化的大小，从而可推算出波纹管所受应力的大小。通过将波纹管和光纤微弯型结构的有机结合而构成了一个具有多种优点的智能型装置，不仅精度高、结实耐用、适应性强而且使用方便灵活，使本实用新型的装置具有广阔的应用前景。
文档编号G01L11/02GK201772967SQ20102026688
公开日2011年3月23日 申请日期2010年7月21日 优先权日2010年7月21日
发明者杜兵 申请人:西安金和光学科技有限公司