专利名称：新型光纤光栅的多点裂缝监测器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种新型光纤光栅多点裂缝监测器，具体的说是一种能够同时测 量多个测点温度与裂缝大小的高精度光纤光栅传感器。
背景技术：
目前在隧道、煤矿等大型工程领域与桥梁、大型建筑等大型结构工程领域，受施工 条件与工程服役时间的影响，易出现裂缝，造成了巨大的隐患，因此实施监测关键点的裂缝 发生发展过程具有重要意义。目前大多采用振弦式裂缝计，防水性能差，寿命短，易发生零 点漂移，严重限制了它的广泛应用。光纤光栅是一种性能优良的温度传感器件，与传统的电传感器等相比具有体积 小，精度高，防水性能强，易于组网等独特的优点，受到科研人员与工程技术人员的青睐。尤 其是聚合物光纤光栅，除了具有普通光栅的优点外，还具有温度和应变灵敏度高，测量范围 大，价格便宜等优点。并且聚合物光纤光栅与石英光栅的温度系数与应变系数不同，因此同 时应用这两种不同材料的光栅能够实现温度和应变的解耦。在实际工程领域，要求快速精确地测量结构表面或内部的温度与裂缝，目前没有 新型光纤光栅多点裂缝监测器的报道，并且未见相关专利。
实用新型内容本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种测量精度高，测量范 围大，具有良好的防水性能，抗电磁干扰，并且安装方便的光纤光栅裂缝监测器。为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案新型光纤光栅的多点裂缝监测器，它包括多个串联的光纤光栅裂缝监测器，每个 光纤光栅裂缝监测器均包括套管，套管的一端与基座I滑动连接，另一端与基座II滑动连 接；套管内设有传输光纤，传输光纤上设有光纤光栅，传输光纤一端与基座I连接，另一端 与弹性体一端连接，所述弹性体另一端与基座II连接。所述传输光纤为两根平行放置的传输光纤，其中一根为聚合物传输光纤，另一根 为石英传输光纤；聚合物传输光纤和石英传输光纤上分别设有光纤光栅。所述光纤光栅包括多个串联的聚合物光纤光栅及多个串联的石英光纤光栅，聚合 物光纤光栅设在聚合物传输光纤上，石英光纤光栅设在石英传输光纤上。所述基座I或基座II为相邻光纤光栅裂缝监测器的共用基座。原理首先将基于聚合物光纤光栅及石英光纤光栅的多点裂缝监测器固定在待测 点处，若待测点处产生裂缝，则基座之间的距离发生变化，使弹性体伸长产生对聚合物光纤 光栅与石英光纤光栅的拉力，使两个光栅的中心波长发生变化。裂缝越大聚合物光纤光栅 与石英光纤光栅的拉力也越大，两光栅中心波长变化也随之增大。同时待测点处温度的变 化也引起两根光栅中心波长的变化。但聚合物光纤光栅与石英光纤光栅的温度系数与应 变系数都不相同。因此，在聚合物光纤光栅与石英光纤光栅的温度系数与应变系数已知的情况下，可通过测量两光栅中心波长的变化实现温度与应变的解耦，进而消除光纤光栅对 温度与应变的交叉敏感，通过测量单独由应变引起的两光栅中心波长的变化实现裂缝的测量。由以上技术方案可以看出，本实用新型利用聚合物光纤光栅和石英光纤光栅构成 的多点裂缝监测器监测传感器中心波长的变化，根据中心波长变化可测量出温度和裂缝的 大小，并且具有良好的防水性能，抗电磁干扰，提高了测量精度和测量结果的可靠性。
图1为本实用新型新型光纤光栅多点裂缝监测器的结构图；图2为本实用新型中聚合物光纤光栅温度特性曲线图；图3为本实用新型中石英光纤光栅温度特性曲线图；图4为本实用新型中聚合物光纤光栅裂缝测试曲线图；图5为本实用新型中石英光纤光栅裂缝测试曲线图。其中1.聚合物光纤光栅，2.石英光纤光栅，3.套管，4.基座，5.弹性体，6.聚合物 传输光纤，7.石英传输光纤。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明图1中，一种新型光纤光栅多点裂缝监测器，包括多个光纤光栅裂缝监测器，每个 光纤光栅裂缝检测器都包括聚合物光纤光栅1，聚合物光纤光栅1 一端与弹性体5连接，另 一端固定在传感器的基座4处，石英光纤光栅2与聚合物光纤光栅1平行放置，并且也是一 端与弹性体5连接，另一端固定在传感器基座4处。弹性体5另一端则连接到裂缝监测器 另一端的基座4处。聚合物光纤光栅1和石英光纤光栅2与弹性体5有套管3保护，套管 3与两端的基座4滑动连接。相邻两个裂缝监测器共用一个基座4，聚合物光纤光栅1和石 英光纤光栅2都采用串联的方式连接，前端裂缝监测器的弹性体处聚合物传输光纤6和石 英传输光纤7处于弯曲状态，弯曲程度为不影响裂缝监测器的量程。同时采用了聚合物光纤光栅1与普通石英光纤光栅2作为温度与应变敏感器件。包括多个光纤光栅裂缝监测器，可以实现多个测点温度的同时测量。前后两个裂缝监测器共用一个基座4。套管3与基座4滑动连接，并且该连接处有一卡槽。本实用新型的具体制作过程为首先，选定中心波长在1510nm 1590nm范围内的 聚合物光纤光栅1与石英光纤光栅2，将二者的一端与弹性体5连接，聚合物光纤光栅1与 石英光纤光栅2的另一端固定在基座上4，弹性体5另一端固定在裂缝监测器另一端的基 座4处，与弹性体5平行的聚合物传输光纤6与石英传输光纤7处于弯曲状态，伸直时不影 响裂缝监测器的量程。其他裂缝监测器采用同样的方式制作，聚合物光纤光栅1与石英光 纤光栅2都分别采用串联的方式。每个裂缝监测器的长度和监测的点数都根据实际需要设 计。聚合物光纤光栅与石英光纤光栅的温度系数分别为ξ工与ξ 2，应变系数分别为K1 与K2,中心波长漂移分别为Δ X1与Δ λ 2，温度变化为ΔΤ，应变为ε。贝Ij[0027]Δ λ ！ = I1X A T+Ki X ε(1)Δ λ 2 = ξ 2 X Δ Τ+Κ2 X ε(2)假设弹性体的长度与变化量分别为L和Δ L，弹性体的弹性系数为Κ3。由于光栅 的弹性变形非常小，可忽略，因此根据胡克定律可得AL = ^AF
(3)AF为弹性体处的拉力。假设聚合物光纤光栅和石英光纤光栅的长度、变形与截面 积都相同，它们的截面积Α，弹性模量分别为M1与M2,它们所受的拉力△ F1与△ F2分别如公 式⑷与公式(5)所示AF1= Ml AF(4)
M1 +M2AF2 = M\ AF⑶
M1 +M2又因为AF1 = AXM1X ε(6)AF2 = AXM2X ε(7)由公式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)可得
.T AxiMl +M2),Q、ΔΙ = ~^——⑶
Κ3由⑶式可以看出，应变与裂缝大小乘正比关系，在其他常数已知的情况下，可根 据聚合物光纤光栅与石英光纤光栅中心波长的变化可得待测点处的温度变化与应变，并根 据应变的变化情况得到裂缝的产生与扩展信息。为了实现本实用新型的目的，首先对该裂缝监测器进行了标定，聚合物光纤光栅 与石英光纤光栅的初始中心波长分别为1531nm与1543nm，传感器中心波长随温度与裂缝 扩展的变化关系分别如图2，图3，图4和图5所示。图2为应变不变的情况下聚合物光纤光 栅的温度变化曲线，可以看出聚合物光纤光栅的中心波长随着温度升高向短波方向漂移， 温度系数为-0. 015nm/°C。图3为应变不变的情况下石英光纤光栅的温度变化曲线，可以看 出石英光纤光栅的中心波长随着温度升高向长波方向漂移，温度系数为0.010nm/°C。图4 为温度不变的情况下该裂缝监测器中聚合物光纤光栅的随裂缝扩展的变化曲线，可以看出 聚合物光纤光栅的中心波长随着裂缝扩展向长波方向漂移，系数为1. 134nm/mm。图5为温 度不变的情况下该裂缝监测器中石英光纤光栅的随裂缝扩展的变化曲线，可以看出石英光 纤光栅的中心波长随着裂缝扩展也向长波方向漂移，系数为0. 826nm/mm。并且该裂缝监测 器中聚合物光纤光栅与石英光纤光栅的线性度都能达到0. 999，这说明本实用新型是一个 线性度非常好的实验模型，且具有一般性。在实际工程应用中，首先打孔或清理待测点处表面，再将新型光纤光栅多点裂缝 监测器固定在待测点处，通过测量传感器中心波长的变化检测待测点的温度变化与裂缝产 生于扩展情况。通过以上测量方法，该发明的检测精度为0. 1°C和0. 005mm，有效提高了检测的质
量和效率。
权利要求1.新型光纤光栅的多点裂缝监测器，其特征是，它包括多个串联的光纤光栅裂缝监测 器，每个光纤光栅裂缝监测器均包括套管，套管的一端与基座I滑动连接，另一端与基座II 滑动连接；套管内设有传输光纤，传输光纤上设有光纤光栅，传输光纤一端与基座I连接， 另一端与弹性体一端连接，所述弹性体另一端与基座II连接。
2.如权利要求1所述的新型光纤光栅的多点裂缝监测器，其特征是，所述传输光纤为 两根平行放置的传输光纤，其中一根为聚合物传输光纤，另一根为石英传输光纤；聚合物传 输光纤和石英传输光纤上分别设有光纤光栅。
3.如权利要求2所述的新型光纤光栅的多点裂缝监测器，其特征是，所述光纤光栅包 括多个串联的聚合物光纤光栅及多个串联的石英光纤光栅，聚合物光纤光栅设在聚合物传 输光纤上，石英光纤光栅设在石英传输光纤上。
4.如权利要求1所述的新型光纤光栅的多点裂缝监测器，其特征是，所述基座I或基座 II为相邻光纤光栅裂缝监测器的共用基座。
专利摘要本实用新型公开了一种新型光纤光栅的多点裂缝监测器，它包括多个光纤光栅裂缝监测器，每个光纤光栅裂缝监测器均包括套管，套管的一端与基座I滑动连接，另一端与基座II滑动连接；套管内设有传输光纤，传输光纤上设有光纤光栅，传输光纤一端与基座I连接，另一端与弹性体一端连接，所述弹性体另一端与基座II连接。利用本实用新型能够同时测量温度和裂缝的大小，并且具有良好的防水性能，抗电磁干扰，提高了测量精度和测量结果的可靠性。
文档编号G01B11/14GK201844825SQ20102059437
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月5日 优先权日2010年11月5日
发明者张法业, 王正方, 王静, 白涛, 苗飞, 贾磊, 陈霄, 隋青美 申请人:山东大学