一种液态金属光纤光栅传感器

本发明涉及非专用于特定变量的测量，尤其涉及一种液态金属光纤光栅传感器。

背景技术：

1、光纤光栅是位于光纤内部的光栅，是一种通过激光刻写使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，因其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤传感领域得到了广泛的应用。光纤光栅传感器在实际应用中受各结构环境的约束成活率比较低、受损比较严重，主要原因是敏感元件光纤的强度不够，容易发生脆断，保护传感器主要表现于对传感器主体部分进行封装和对内部光纤材质进行加强，从而达到保护光纤光栅传感器，进而提高传感器的使用寿命的发明目的。

2、对于保护光纤光栅传感器的研究发现了以下问题：

3、现有的光纤传感器仍然存在精度和量程上的缺陷和使用中的安全隐患：1、光纤的形状和材质易发生断裂，柔韧性不足；2、岩土工程中待测应变较大，有地下水等因素，光纤的机械性和耐腐蚀性会造成隐患；3、现有光纤光栅的刻栅不清晰且范围较小，需要多段熔融连接，量测范围不完整，量测精度有差距。因此有改善本身材质和提高生产工艺的必要性。

4、光纤光栅易造成损坏会极大降低传感器使用寿命，现有的保护传感器通过外壳对传感器进行防护，而外壳对传感器保护过程中受外力作用产生变形致使外壳破损，外壳破损后对光纤光栅的防护强度下降甚至消失。因此有改善保护外壳结构和置入增强材料的必要性。

5、目前，现有技术中的cn116625264a一种液态金属光纤光栅应变传感器，公开了液态金属光纤和传感器外壳，该发明以光纤光栅传感器为主体部分，刻写有光栅的液态金属光纤为直接置入，不仅有液态金属包层和pvc涂覆层共同对光纤起保护和隔绝作用，也可以在液态金属光纤光栅外层包裹缓冲和增强材料，如尼龙纤维、凯夫拉纤维等，主体内部可以是空气，也可以填充氮气或惰性气体用以保护光纤，还可以是液体如导热油等；

6、本发明主要能够解决光纤光栅本身容易在地下水或复杂施工环境中破坏导致机械性和使用寿命受损，以及外壳对传感器保护过程中不能对光纤光栅进行防护导致外壳不能达到提高传感器使用寿命的问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种液态金属光纤光栅传感器，以解决上述背景技术中描述问题。

2、本发明一种液态金属光纤光栅传感器的目的与功效，由以下具体技术手段达成：一种液态金属光纤光栅传感器，包括内层液态金属光纤，采用分层工艺，把液态金属的雾化和雾化熔滴的沉积自然地结合起来，将液态金属整体致密地附着在纤芯上。液态金属包层之上采用喷塑工艺，塑料粉末通过高压静电设备充电，粉末被均匀地吸附形成粉状的涂层，pvc涂覆层十分致密且有效隔绝水和其他有害物质；包括外壳，所述外壳的一端安装有密封端，密封端远离外壳的一侧安装有光纤接头，外壳的内部安装有光纤，外壳的内壁设置有进行驱动的感应组件，感应组件包括气囊、套块、连接块和复位弹簧，气囊的内侧设置有套块，套块的一侧设置有连接块，套块的内部设置有复位弹簧。

3、进一步的，所述液态金属光栅传感器采用飞秒直写工艺进行刻栅，无需剥离光纤涂覆层，制作工艺更为简单。飞秒激光器由电控快门控制，经过光衰减控制、偏振控制逐点刻栅，通过位移台的精密移动，能直接透过pvc覆层。在纤芯表面刻写出有恒定周期的均匀刻栅。

4、进一步的，所述气囊填充于外壳的内部，气囊呈两层包裹状设置，气囊外层设置有进行支撑的防护组件，气囊的内层开设有两个通孔，且气囊的内层与套块相贴合。

5、进一步的，所述套块的内部呈中空设置，其左右两端开口的尺寸与连接块相匹配，套块呈圆弧状设置，其设置有三个，每相邻的两个套块之间均通过连接块相连接。

6、进一步的，三个所述套块与三个连接块连接形成一个圆环，该圆环嵌套于光纤外侧面，且不贴合。

7、进一步的，所述连接块呈圆弧设置，其连接块外侧面的弧度与套块内壁的弧度相匹配，且三个连接块之中的每相邻的两个连接块均通过复位弹簧相连接。

8、进一步的，所述防护组件包括防护主板、防护副板、推块、推杆、第一固定块、连接杆和第二固定块，防护主板的外侧面安装有第一固定块，第一固定块的底部安装有连接杆，连接杆的外侧面设置有防护副板，连接杆远离第一固定块的一端安装有第二固定块，第二固定块的底部安装有推块，推杆远离第二固定块的一端安装有推块。

9、进一步的，所述防护主板呈弧形设置且设置有六个，其中间的四个防护主板的两端边缘处均开设有通孔，该通孔直径与连接杆直径相匹配，最外侧的两个防护主板其一为顶部一端边缘处开设有通孔，另一为底部边缘处开设有通孔，该六个防护主板其中每相邻的两个防护主板均通过防护副板相连接。

10、进一步的，所述防护副板呈弧形设置且呈倾斜设置，其每两个防护主板与一个防护副板连接均呈“n”形设置，防护副板设置有六个，其中间四个防护副板的两端边缘处均开设有与连接杆相匹配的通孔，最外侧的两个防护副板其一为顶部一端边缘处开设有通孔，另一为底部边缘处开设有通孔。

11、进一步的，所述推块远离推杆的一端连接于相邻套块的外侧面。

12、进一步的，所述推杆设置有两个，上推杆远离推块的一端连接于中间右侧的防护副板下方，下推杆远离推块的一端连接于中间左侧的防护副板上方。

13、有益效果：

14、1、液态金属光纤的材质韧性好，又具有导光、隔热、耐腐蚀的特性。光栅传感器的刻栅清晰，光栅刻写长度覆盖面大，避免多段熔融造成熔接点脆弱。液态金属光纤的制造流程简单、工艺精度高。液态金属光纤光栅传感器具备的优点有：将数据传输和信息传感结合到一起，数据损耗小，距离远；布设简单，布线长，造价低、便于工程应用；获取频次可达到分秒级，在监测实时性和成本上具备优势。

15、2、外壳表面受外力作用变形时，外壳表面压力带动气囊受压，气囊表面任意一点受外力产生压强增值后，可瞬间传至填充气体引起流动和对抗。从而气囊外层受压后，外层对内层进行挤压，内层包裹套块并对套块进行挤压，套块受挤压向内侧进行收缩，使套块对连接块进行收纳，压缩后的套块与连接块形成的圆环直径缩小，且不与光纤贴合，从而防止外壳受压力致使光纤受损；

16、3、套块与连接块形成的圆环直径缩小，使套块进行移动，两个靠近防护副板的套块移动后带动两个推块进行移动，两个推块通过推杆分别拉动中间的两个防护主板与防护副板进行移动，防护副板移动后通过每两个防护主板与一个防护副板连接均呈“n”形设置，使得防护副板移动后与防护主板呈“x”形；

17、4、防护副板倾斜后推动一端的防护主板，六个防护副板带动六个防护主板移动，通过防护主板与防护副板均呈弧形设置，使得六个防护主板与六个防护副板移动后形成灯笼状，并对气囊的内层进行支撑，从而外壳受压力产生变形后，通过防护主板与防护副板进行支撑，提高外壳受压能力，进而提高对光纤的防护性能，并提高光纤的使用寿命。

技术特征：

1.一种液态金属光纤光栅传感器，包括外壳（1），其特征在于，所述外壳（1）的一端安装有密封端（103），密封端（103）远离外壳（1）的一侧安装有光纤接头（102），外壳（1）的内部安装有光纤（101），外壳（1）的内壁设置有进行驱动的感应组件，感应组件包括气囊（2）、套块（201）、连接块（202）和复位弹簧（203）；

2.根据权利要求1所述的一种液态金属光纤光栅传感器，其特征在于，外壳（1）内部为液态金属光纤，包括纤芯，在纤芯上附着有液态金属包层，液态金属的外层为pvc涂覆层，液态金属选用镓铟锡合金。

3.根据权利要求1所述的一种液态金属光纤光栅传感器，其特征在于，所述气囊（2）填充于外壳（1）的内部，气囊（2）呈两层包裹状设置，气囊（2）外层设置有进行支撑的防护组件，气囊（2）的内层开设有两个通孔，且气囊（2）的内层与套块（201）相贴合。

4.根据权利要求3所述的一种液态金属光纤光栅传感器，其特征在于，所述套块（201）的内部呈中空设置，其左右两端开口的尺寸与连接块（202）相匹配，套块（201）呈圆弧状设置，其设置有三个，每相邻的两个套块（201）之间均通过连接块（202）相连接。

5.根据权利要求4所述的一种液态金属光纤光栅传感器，其特征在于，三个所述套块（201）与三个连接块（202）连接形成一个圆环，该圆环嵌套于光纤（101）外侧面，且不贴合。

6.根据权利要求5所述的一种液态金属光纤光栅传感器，其特征在于，所述连接块（202）呈圆弧设置，其连接块（202）外侧面的弧度与套块（201）内壁的弧度相匹配，且三个连接块（202）之中的每相邻的两个连接块（202）均通过复位弹簧（203）相连接。

7.根据权利要求3所述的一种液态金属光纤光栅传感器，其特征在于，所述防护组件包括防护主板（3）、防护副板（301）、推块（302）、推杆（303）、第一固定块（304）、连接杆（305）和第二固定块（306），防护主板（3）的外侧面安装有第一固定块（304），第一固定块（304）的底部安装有连接杆（305），连接杆（305）的外侧面设置有防护副板（301），连接杆（305）远离第一固定块（304）的一端安装有第二固定块（306），第二固定块（306）的底部安装有推块（303），推杆（303）远离第二固定块（306）的一端安装有推块（302）。

8.根据权利要求7所述的一种液态金属光纤光栅传感器，其特征在于，所述防护主板（3）呈弧形设置且设置有六个，其中间的四个防护主板（3）的两端边缘处均开设有通孔，该通孔直径与连接杆（305）直径相匹配，最外侧的两个防护主板（3）其一为顶部一端边缘处开设有通孔，另一为底部边缘处开设有通孔，该六个防护主板（3）其中每相邻的两个防护主板（3）均通过防护副板（301）相连接。

9.根据权利要求8所述的一种液态金属光纤光栅传感器，其特征在于，所述防护副板（301）呈弧形设置且呈倾斜设置，其每两个防护主板（3）与一个防护副板（301）连接均呈“n”形设置，防护副板（301）设置有六个，其中间四个防护副板（301）的两端边缘处均开设有与连接杆（305）相匹配的通孔，最外侧的两个防护副板（301）其一为顶部一端边缘处开设有通孔，另一为底部边缘处开设有通孔。

10.根据权利要求7所述的一种液态金属光纤光栅传感器，其特征在于，所述推块（302）远离推杆（303）的一端连接于相邻套块（201）的外侧面，所述推杆（303）设置有两个，上推杆（303）远离推块（302）的一端连接于中间右侧的防护副板（301）下方，下推杆（303）远离推块（302）的一端连接于中间左侧的防护副板（301）上方。

技术总结
本发明提供了一种液态金属光纤光栅传感器，包括内层液态金属光纤，采用分层工艺，把液态金属的雾化和雾化熔滴的沉积自然地结合起来，将液态金属整体致密地附着在纤芯上，液态金属包层之上采用喷塑工艺，塑料粉末通过高压静电设备充电，粉末被均匀地吸附形成粉状的涂层，PVC涂覆层十分致密且有效隔绝水和其他有害物质；通过防护主板与防护副板均呈弧形设置，使得六个防护主板与六个防护副板移动后形成灯笼状，并对气囊的内层进行支撑，从而外壳受压力产生变形后，通过防护主板与防护副板进行支撑，提高外壳受压能力，进而提高对光纤的防护性能，并提高光纤的使用寿命。

技术研发人员：周小平,朱雅雯,袁旭凯,杨哲瑜,李铮,邹育麟
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/29