背景技术

由于对滑坡、 泥石流、 地震、 以及大型人工建筑物健康监测的需要， 应力参数监测是技术人员最关心的重要参数之 一， 传统的以电和磁为核心 的传感器由于耐久性、 抗干扰能力等方面的缺陷导致其应用范围比较 狭 窄， 甚至是难以胜任。 随着对光纤理解的深入以及光纤技术的发展， 越来 越多的学者倾向于釆用光纤技术方案对应力进 行点式和分布式监测， 中国 专利申请号 200410073021. 2《埋入式微弯光纤传感器和微弯光纤传感器� � 入与测试方法》 的专利文献中， 提出了一种包含有光纤的多节短套管构成 的蛇形微弯光纤传感器， 其套管间形成微弯点， 相对于传统的传感器， 其 优点是抗电磁干扰、 适用于多种岩体的检测、 测试精度高、 可以实现分布 式监测， 但该方案中， 套管间形成的微弯点的弯曲曲率是随机的， 也可能 较大， 也可能较小， 当光纤曲率过小时， 光纤的强度就会受到影响， 甚至 很快就断裂了， 造成传感装置的失效， 另外微弯点处光纤的保护也明显不 足， 但若加强保护， 又可能失去以微弯作为检测的条件， 或者需要特殊的 装置来保护， 这又无形中增加了成本。 所以需要一种新型的结构， 不仅对 光纤可以进行良好的保护， 抵御实际应用中各种环境因素的伤害， 能够保 护脆弱的光纤， 又要可以敏锐的感知待测应力的变化， 这对分布式及准分 布式的光纤传感装置尤为重要， 因为在这类装置中，光纤不仅是传感元件， 也是光信号的传输元件， 所以对光纤的要求： 作为光信号传输路径是稳定 可靠的， 作为传感元件又是敏感的， 另外在实际的推广应用中， 其经济性 也是很关键的因素之一。 而现有的结构满足这些要求比较困难， 这都限制 了该类光纤传感装置的推广使用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足， 本发明提供一种在柱体光纤应力传感 装置， 釆用的是预制的光纤微弯结构， 在柱体上加工出凹槽， 在凹槽内安 置变形齿， 在有应力作用或应力变化时， 变形齿使光纤的弯曲状态改变并 导致光纤中传输光信号的微弯损耗， 通过测试单元检测出光信号微弯损耗 的大小而计算出应力的大小， 并可以根据与时间的相关性检测到产生微弯 损耗的位置而达到分布式监测。 柱体具有适当的刚性， 从而不仅保护了光 纤， 同时又具有良好的敏感性。 本发明的光纤应力监测装置具有使用寿命 长、 精度高、 用途广的特点。

为解决上述技术问题， 本发明釆用的技术方案是： 一种柱体光纤传感装 置， 其特征在于： 包括分布于柱体上的、 在柱体端部施加应力 F作用下可 以改变宽度的凹槽， 在凹槽内部的相对两面上分别布设有多个 A侧第一变 形齿和 B侧第一变形齿， A侧第一变形齿和 B侧第一变形齿相互交错对应， 且在 A侧第一变形齿和 B侧第一变形齿之间夹有第一信号光纤， 第一信号 光纤与测试单元相接。

当柱体在应力 F下变形时， 凹槽的宽度变化， 使位于凹槽的相对两面 上的多个 A侧第一变形齿和 B侧第一变形齿之间的距离也会改变， 从而使 夹持于变形齿间的第一信号光纤的弯曲曲率变 化， 这又使第一信号光纤的 弯曲损耗变化， 通过测试单元可得到第一信号光纤弯曲损耗变 化的大小， 并推算出柱体所受应力的大小。 由于在柱体上的凹槽的相对两侧有众多相 互对应的变形齿， 从而使第一信号光纤有效的弯曲部分的长度大 大延长， 一方面减少了第一信号光纤的弯曲曲率， 另一方面提高该装置的精度， 同 时也大大延长了第一信号光纤的使用寿命。

有两条或两条以上的凹槽布设于柱体上。

两条或两条以上的凹槽是互相平行的。

所述的凹槽以螺旋的方式分布于柱体上。

从柱体的一端至另一端、 位于柱体 的凹槽内分布的变形齿的高度、 A 侧变形齿之间和 B侧变形齿之间的间距、 或变形齿顶端的曲率是变化的。

确定柱体的一个方向为 0角度， 每 36 0度为 1个周期， 分布于柱体上 凹槽内的变形齿的高度、 A侧变形齿之间和 B侧变形齿之间的间距、 或变 形齿顶端的曲率的变化是单调递增或递减的， 且在所有的周期上趋势是相 二信号光纤。

在所述的凹槽内部的相对两面上分别布设有多 个与 A侧第一变形齿并 排的 A侧第二变形齿、 和多个与 B侧第一变形齿并排的 B侧第二变形齿， 且在 A侧第二变形齿和 B侧第二变形齿之间夹有第二信号光纤， 第二信号 光纤与测试单元相接。

所述的柱体是波紋管、 圆柱体或圆管。

所述的凹槽是波紋槽， 在波紋槽的内部相对两面上的波峰间夹持有第 一信号光纤。

所述的第一信号光纤或第二信号光纤被防水材 料包覆。

所述的防水材料是阻水油膏。

所述第一信号光纤或第二信号光纤为外部包有 多个保护层的光纤， 如 紧套光纤、 碳涂覆光纤、 聚酰亚胺涂覆光纤等； 所述第一信号光纤或第二 信号光纤也可以是塑料光纤、 多芯光纤、 细径光纤、 纳米光纤或光子晶体 光纤。 本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、 一种柱体光纤传感装置， 是将柱体与光纤微弯结构结合起来， 充 分发挥各自结构的优点， 并互相补充， 使该传感器的结构简单、 坚固耐用、 设计合理、 操作方便且使用方式灵活、 灵敏度高；

2、 一种柱体光纤传感装置， 可以根据需要设计适当的光纤微弯结构, 包括增加第一信号光纤或第二信号光纤的有效 弯曲长度， 从而一方面增加 了检测的精度和灵敏度， 并可以减少第一信号光纤或第二信号光纤的弯 曲 曲率， 从而延长了第一信号光纤或第二信号光纤的使 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、 一种柱体光纤传感装置由于可以釆用增加第一 信号光纤或第二信 号光纤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；

4、 一种柱体光纤传感装置中的柱体可以是经特殊 加工的钢筋、 钢棒 或钢管， 或其他坚固耐用的材料， 安置于建筑物中或需监测的山体及岩体 上， 由于该结构具有较强的环境适应能力， 和高灵敏的监测性， 并可将微 细的形变传递给信号光纤以达到监测目的， 所以是一种良好的应力监测传 感器；

5、 一种柱体光纤传感装置中的柱体可以是复合材 料构成， 如钢塑复 合材料、 玻璃纤维增强塑料等材料构成， 从可以有效适应实际工程条件的 需求；

6、 柱体光纤传感装置若设置两根或两根以上的信 号光纤， 且夹持其 中一根的变形齿的参数是均匀的， 夹持另一根信号光纤的变形齿是单调变 化的， 则不仅可以监测到作用于柱体上应力的大小、 柱体的弯曲曲率， 并 可以监测到该应力的方向， 也就是柱体的弯曲方向， 从而可以获得更全面 的监测参数。 综上所述， 本发明结构简单、 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， 汇集了柱体与光纤微弯结构的优势， 并使其 具有的优势进一步的放大， 使本发明的装置具有更好的精度、 更长的使用 寿命、 以及更优异的环境适应能力。

下面通过附图和实施例， 对发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明 图 1为本发明第一具体实施方式的结构示意图。

图 2为图 1中柱体沿的 A-A'的剖面结构示意图。

图 3为本发明第二具体实施方式的结构示意图。

图 4为本发明第三具体实施方式的结构示意图。

图 5为本发明第四具体实施方式的使用状态参考� �。

图 6为本发明第五具体实施方式的结构示意图。

图 7为图 5中 B点附近的局部放大的结构示意图。

附图标记说明：

1一延长光纤； 4一凹槽； 4_1一 A侧第一变形齿; 4-2— B侧第一变形齿； 5—测试单元； 6—第一信号光纤；

7—处理单元； 8—第二信号光纤； 10 柱体； 12—波紋管；

15 管壁； 4-3— A侧第二变形齿； 4-4 B侧第二变形齿。 具体实施方式

实施例 1

如图 1、 图 2所示， 本发明包括一个在柱体 10的外表面的凹槽 4 中的 相对两个面上分别布设有 A侧第一变形齿 4-1和 B侧第一变形齿 4-2, A 侧第一变形齿 4-1和 B侧第一变形齿 4-2相互交错对应， A侧第一变形齿 4-1和 B侧第一变形齿 4-2对应布设在第一信号光纤 6的两侧， 第一信号 光纤 6通过延长光纤 1接测试单元 5,测试单元 5后面接有处理单元 7。

当柱体 10在应力 F作用下变形时， 位于柱体 10的外表面上的凹槽 4 中的 A侧第一变形齿 4-1和 B侧第一变形齿 4-2之间的距离也会改变， 从 而使夹持于两者变形齿间的第一信号光纤 6的弯曲曲率变化， 这又使第一 信号光纤 6的弯曲损耗变化， 通过测试单元 5可得到第一信号光纤 6弯曲 损耗变化的大小， 测试单元 5将数据传递给处理单元 7, 处理单元 7推算 出柱体 10所受应力的大小。 由于在柱体 10的外表面上的凹槽 4中布设有 众多相互对应的变形齿，从而使第一信号光纤 6的有效弯曲长度大大延长， 一方面减少了第一信号光纤 6的弯曲曲率， 另一方面提高该装置的精度， 同时也大大延长了第一信号光纤 6的使用寿命。 所述的凹槽 4可以是螺旋形分布于柱体 1 0 的外表面、 内表面或柱体 1 0的内部。 在柱体 1 0上分布有两条或两条以上的凹槽。

多条凹槽 4也可以以平行的方式分布于柱体 1 0上。

在 A侧第一变形齿 4-1和 B侧第一变形齿 4-2之间业可以并排夹持两 根或两根以上的信号光纤。

所述的柱体 1 0 是轴连接器， 可以同时监测轴旋转的扭力、 扭矩、 角 加速度以及转速。

所述的凹槽 4 的宽度从柱体 1 0 的一端到另一端是变化的， 这样可以 进一步加大柱体 1 0的变形范围。

通过选择适当的材料使柱体 1 0 和变形齿受温度影响的变形可以相互 抵消或部分抵消， 从而补偿温度带来的影响， 如柱体 1 0 的膨胀系数稍大 于变形齿的膨胀系数， 在温度升高时， 柱体 1 0整体伸长， 使凹槽 4 的宽 度略微增加， 同时温度的升高也使变形齿的高度也稍微伸长 一些， 可以看 出两者的变化可以补偿一定的温度效应， 通过选择两者的合适膨胀系数的 材料可以尽可能的减少温度影响。

所述的柱体 1 0 的材料是不锈钢、 高分子材料、 铜合金、 铝合金或复 合材料等材料。

在所述的第一信号光纤 6的一端可以安置有光反射装置，如光反射镜� � 光纤光栅、 或在第一信号光纤 6的端面镀反射膜， 或仅仅是将第一信号光 纤 6的端面处理为镜面。 所述的第一信号光纤 6的另一端通过延长光纤 1与 1 X2光分路器的 1 口连接， 1 X2光分路器的 2 口分别接构成测试单元 5的稳定光源和光功率 计。

从柱体 1 0的一端至另一端、 分布于柱体 1 0上凹槽 4内的变形齿的高 度、 A侧变形齿之间或 B侧变形齿之间的间距或变形齿顶端的曲率是� �化 的， 如变形齿高度是递增或递减的、 A侧变形齿之间或 B侧变形齿之间的 间距是递增或递减的、 变形齿顶端的曲率是递增或递减的， 可以根据实际 要求改变， 更增加了本装置的灵活使用能力。

所述第一信号光纤 6为外部包有多个保护层的光纤， 如紧套光纤、 碳 涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述第一信 号光纤 6也可以是塑料光纤、 多芯光纤、 细径光纤、 纳米光纤或光子晶体光纤。

所述第一信号光纤 6和延长光纤 1外部包覆有防水材料，如防水油膏， 可进一步防止水分子对第一信号光纤 6和延长光纤 1的侵蚀， 延长了第一 信号光纤 6和延长光纤 1的使用寿命。 实施例 2

如图 3所示， 本实施例中， 与实施例 1不同的是： 在凹槽 4内安装有 第二组变形齿， 包括 A侧第二变形齿 4- 3和 B侧第二变形齿 4-4 , 在第二 组变形齿间夹持有第二信号光纤 8 , 第二信号光纤 8也通过延长光纤 1接 测试单元 5 , 可以通过使第二组变形齿的高度、 A侧变形齿之间或 B侧变 形齿之间的间距或变形齿顶端的曲率等参数与 第一信号光纤 6变形齿的不 同来做到对施加于柱体 1 0上待测应力 F方向的测试， 使本装置测试参数 增多。 本实施例中， 其余部分的结构、 连接关系和工作原理均与实施例 1 相同。

实施例 3

如图 4所示， 本实施例中， 与实施例 1不同的是： 凹槽 4纵向分布 于柱体 1 0 的表面上， 可以通过测试第一信号光纤 6光功率变化来监测柱 体 1 0 的扭转参数， 如扭转力或力矩， 扭转角度等参数。 本实施例中， 其 余部分的结构、 连接关系和工作原理均与实施例 1相同。

实施例 4

如图 5所示， 本实施例中， 与实施例 1不同的是： 柱体 1 0上所施加 应力 F的施力方向为扭转方向， 即从上端部或下端部对所述的柱体 1 0进 行扭转。 本实施例中， 其余部分的结构、 连接关系和工作原理均与实施例 1相同。

实施例 5

如图 6、 图 7所示， 本实施例中， 与实施例 1不同的是： 柱体 1 0是由 波紋管 12构成， 在波紋管 12的管壁 15 的内壁下凹处的相对两个面上分 别布设有 A侧第一变形齿 4-1和 B侧第一变形齿 4-2 , A侧第一变形齿 4-1 和 B侧第一变形齿 4-2相互交错对应， A侧第一变形齿 4-1和 B侧第一变 形齿 4-2对应布设在第一信号光纤 6的两侧。 波紋管 1 2在轴向上具有更 容易变形的特点，可以检测较小的应力 F,并且对也光纤具有良好的保护作 用。

当然， 在需要时， A侧第一变形齿 4-1和 B侧第一变形齿 4-2也可以 安置于波紋管 12的管壁 1 5的外壁下凹处的相对两个面上。 本实施例中， 其余部分的结构、 连接关系和工作原理均与实施例 1相同。

实施例 6

如图 8、 图 9所示， 本实施例中， 与实施例 1不同的是： 在柱体 1 0上 分布有凹槽 4 ,凹槽 4的相对两面上分别具有相互交错对应的波峰� �波谷， 且在凹槽 4 的相对两面的波峰之间夹有第一信号光纤 6 , 第一信号光纤 6 通过延长光纤 1接测试单元 5 , 在测试单元 5后面接处理单元 7。

实际应用中， 根据需求可以做到， 从柱体 1 0 的一端至另一端、 分布 于柱体 1 0上凹槽 4 内的波峰的高度、 波峰间距或波峰顶端的曲率是变化 的， 如波峰高度是递增或递减的、 波峰间距是递增或递减的、 波峰顶端的 曲率是递增或递减的。

本实施例中， 其余部分的结构、 连接关系和工作原理均与实施例 1相 同。 以上所述， 仅是本发明的较佳实施例， 并非对本发明作任何限制， 凡是 根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何 简单修改、 变更以及等效结构 变化， 均仍属于本发明技术方案的保护范围内。