[发明专利]双动态嵌套式光纤空间曲率传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了双动态嵌套式光纤空间曲率传感器及其制备方法，所述传感器包括双动态弹性复合基体、第一固定头、第二固定头和光纤光栅，所述双动态弹性复合基体包括空心的内层弹性基体和外层弹性基体，所述外层弹性基体套设在所述内层弹性基体的外侧。本发明采用双动态弹性复合基体，外层弹性基体套设在内层弹性基体的外侧，多组光纤光栅分别布设于两个截面尺寸不同的弹性基体的凹槽内，不同截面尺寸基体上的光纤光栅可承受不同程度的弯曲，增大了曲率传感器的动态范围。本发明的双动态嵌套式空间曲率传感器具有双动态曲率测量、观测量程大、精度高、响应灵敏等优点，适合大范围的推广。

技术领域

本发明属于空间曲率测量技术领域，具体而言，本发明涉及双动态嵌套式光纤空间曲率传感器及其制备方法。

背景技术

空间曲率测量技术可用于进行结构形态恢复，在机械、航空航天工程、生物医学和医学领域发挥着重要作用，可实现民用结构和基础设施(建筑物、隧道、桥梁和道路)的结构健康监测。目前常见的曲率传感器包括基于电应变片式曲率传感器、电容式曲率传感器、激光位移传感器以及光纤曲率传感器。电应变式传感器受贴片工艺等问题，无法准确保证计算精度；电容式传感器的输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象；激光位移传感器存在无法满足大范围测量的问题；光纤曲率传感器主要研究热点集中在光强调制型以及光纤光栅型，光强调制型存在易受环境扰动而造成重复性不佳的问题。

光纤光栅因其具有质量轻、体积小、柔性好、易于贴合传感器件、不受电磁干扰等优点，近年来基于光纤光栅制成的空间曲率传感器在形态测量领域得到广泛应用。目前基于光纤光栅的曲率传感器存在动态范围受光栅响应范围和破断应变范围的限制，光栅中心波长漂移量有限，超过所能承受的极限应变值，其中心波长不再随应变的增加而产生漂移，无法再进行监测，因此需要通过对传感器布设及基体的结构设计来实现复杂环境下的监测需求。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决光纤光栅型传感器在监测环境中涉及工程技术、动态测量范围、测量精度、灵敏度等的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出双动态嵌套式光纤空间曲率传感器及其制备方法。本发明采用双动态弹性复合基体，外层弹性基体套设在内层弹性基体的外侧，多组光纤光栅分别布设于两个截面尺寸不同的弹性基体的凹槽内，不同截面尺寸基体上的光纤光栅可承受不同程度的弯曲，增大了曲率传感器的动态范围。本发明的双动态嵌套式空间曲率传感器具有双动态曲率测量、观测量程大、精度高、响应灵敏、成本低、体积小、可长期监测等优点，适合大范围的推广，特别适合运用在滑坡监测领域，有助于推动我国海洋工程地质灾害放置的发展，保障海底管线、港口、海洋设施等的安全生产。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种双动态嵌套式光纤空间曲率传感器。根据本发明的实施例，该双动态嵌套式光纤空间曲率传感器包括：

双动态弹性复合基体，所述双动态弹性复合基体包括空心的内层弹性基体和外层弹性基体，所述外层弹性基体套设在所述内层弹性基体的外侧，所述内层弹性基体和所述外层弹性基体的外圆周边缘均设有凹槽；

第一固定头，所述第一固定头设在所述双动态弹性复合基体的一端；

第二固定头，所述第二固定头设在所述双动态弹性复合基体的另一端；

光纤光栅，所述光纤光栅设在所述凹槽内，且所述光纤光栅紧贴着所述内层弹性基体或所述外层弹性基体设置，所述光纤光栅穿过所述第二固定头，连接至光栅解调仪。

根据本发明上述实施例的双动态嵌套式光纤空间曲率传感器，第一，本发明采用双动态弹性复合基体，外层弹性基体套设在内层弹性基体的外侧，多组光纤光栅分别布设于两个截面尺寸不同的弹性基体的凹槽内，不同截面尺寸基体上的光纤光栅可承受不同程度的弯曲，增大了曲率传感器的动态范围(即观测量程大)。第二，多组光纤光栅分别布设于内层弹性基体和外层弹性基体的凹槽内，增大了光纤光栅与弹性基体的接触面积，同时还增强了对光纤光栅的保护性。由此，本发明的双动态嵌套式空间曲率传感器具有双动态曲率测量、观测量程大、精度高、响应灵敏等优点，适合大范围的推广。