基于光纤光栅传感器的应力监测装置

1.本发明涉及传感器技术领域，具体为基于光纤光栅传感器的应力监测装置。


背景技术：

2.光纤传感器是一种利用光纤作为传感元件的传感器，其基本原理是利用光的传输和变化来监测物理量或化学量的变化。其工作原理可以简单分为下面几个步骤：1.发送光信号光纤传感器系统中有一个光源，比如发射二极管或激光二极管，会将光信号输送到光纤中传输。2.信号传输光纤传感器的信号传输基于光的总反射原理，信号在光纤内部反射传输，当光线遇到界面时，一部分能发生反射，另一部分则会透过界面。3.物理量测量当光线在穿过光纤的过程中遇到物理量或化学量的变化，如温度、压力、光强、气体浓度等，在光纤中的反射光强、相位差、色散等特性都会发生变化，这些变化可以通过光接收器接收并监测。4.信号处理接受器将光信号转换成电信号，送入调制器中进行信号处理和分析，然后输出监测结果。
3.其中，光纤光栅应力传感器是一种基于光纤光栅技术的应力测量装置。它通过在光纤中引入一种叫做布拉格光栅的结构，当受到外部力的作用时，光纤中的布拉格光栅会发生应力变形，进而改变光信号的反射光谱特征。通过对反射光谱的测量，可以得到外界的应力变化。光纤光栅应力传感器具有灵敏度高、分辨率好、可靠性高等特点，被广泛应用于航空航天、工程建筑、管道安全等领域的应力监测和故障诊断。同时，该技术也可用于石油开采、热电厂及核电厂等重要设施的安全监测。
4.目前，现有的光纤光栅应力传感器在复杂建筑、地形等区域中的应用效果并没有达到预期的水平，主要在于一下原因：首先是，光纤光栅应力传感器很难在上述区域中形成局域的分布，且同区域不同的光纤光栅应力传感器难以形成数据印证、支持，难以具体的形变位置或者区域进行精确定位；另外，由于光纤的材料特性光纤光栅应力传感器极易损坏，在应力复杂的环境中损坏的几率更大，这也变向影响了光纤光栅应力传感器的使用效果。因此，亟需一种新型的基于光纤光栅传感器的应力监测装置，针对现有技术缺陷提供良好的解决方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供基于光纤光栅传感器的应力监测装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.基于光纤光栅传感器的应力监测装置，包括多个光纤光栅应力传感器单元，所述光纤光栅应力传感器单元呈网状分布，所述光纤光栅应力传感器单元包括光纤段，所述光纤段的两端设置有光纤接头，相互交叉的光纤光栅应力传感器单元的交叉点通过限位固定单元固定，所述限位固定单元包括上线套和下线套，所述上线套与下线套转动连接，同一限位固定单元中的上线套和下线套分别套设在所述交叉点上侧和下侧光纤段上，所述下线套
上设置有对接杆，所述对接杆与地钉可拆卸固定连接。
8.进一步地，所述对接杆底部设置有柱芯，所述柱芯的底部设置有插接柱，所述柱芯与插接柱之间设置有限位台，所述柱芯上套设有螺纹套，所述地钉的顶部设置有螺纹杆，所述地钉上端的轴心处设置有插接孔，所述插接孔与插接柱插接配合，所述螺纹套与螺纹杆螺纹连接，所述限位台抵在螺纹杆的上端面上。
9.进一步地，所述地钉的下部设置有外螺纹，所述地钉的下端设置有尖端，所述地钉的上部设置有六棱柱状的扳手位。
10.进一步地，所述上线套和下线套一端设置有有开口，所述开口的两侧各设置有一连接板，两侧的连接板通过螺栓固定连接。
11.进一步地，所述上线套和下线套远离开口的一端设置有底座，所述下线套的底座上设置有沉头孔，所述上线套的底座上螺纹连接有限位钉，所述限位钉与沉头孔转动连接。
12.进一步地，所述连接板远离开口的一端设置有向外张开的弧形开口。
13.进一步地，所述上线套和下线套的圆周内壁上均匀分布有轴向设置的防滑纹理。
14.进一步地，所述光纤段包括光纤，所述光纤的外侧包裹有防水外套层。
15.进一步地，所述防水外套层由极细的无缝不锈钢管制成。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.1、本发明中，多个光纤光栅应力传感器单元按照网状结构分布在应力监测区域中，通过限位固定单元进行固定，通过分析网络中每个光纤光栅应力传感器单元的应力值，即可获得监测区域精确的应力变化。本发明中，光纤光栅应力传感器具有灵敏度高、分辨率好、可靠性高等特点，适用于石油开采、热电厂及核电厂等重要设施的安全监测。
18.2、本发明中，地钉用于与被测物固定连接，安装时首先将地钉固定连接到被检测物体上，而后将上线套、下线套套设到光纤段上，再将插接柱与插接孔插接后锁紧螺纹套。本发明安装便捷，可靠性高，易于拆卸。
19.3、本发明中，地钉上设置有外螺纹方便拧入被检测物体上且不易脱落，六棱柱状的扳手位方便与扳手或者批子配合。
20.4、本发明中，线套圆周内壁上的轴向防滑纹，有利于提升线套与光纤之间的摩擦力，进而提高固定效果。
21.5、本发明中，防水外套层能够对光纤段内部的光纤起到良好的保护作用，进而提升整个应力监测装置的工作稳定性和使用寿命。
22.6、本发明中，无缝不锈钢管制成的防水外套层具有强度高、防水效果好、耐腐蚀性能好的优点。
附图说明
23.图1为基于光纤光栅传感器的应力监测装置的安装结构示意图；
24.图2为图1中k处的局部放大图；
25.图3为基于光纤光栅传感器的应力监测装置中限位固定单元的结构示意图；
26.图4为基于光纤光栅传感器的应力监测装置中限位固定单元的结构分解示意图；
27.图5为基于光纤光栅传感器的应力监测装置中上线套与下线套的结构示意图；
28.图6为基于光纤光栅传感器的应力监测装置中上线套与下线套的结构分解示意
图；
29.图7为基于光纤光栅传感器的应力监测装置中上线套的结构示意图；
30.图8为基于光纤光栅传感器的应力监测装置中光纤光栅应力传感器单元的结构示意图；
31.图9为基于光纤光栅传感器的应力监测装置中光纤段的结构示意图。
32.图中：1、光纤光栅应力传感器单元；2、光纤段；3、防水外套层；4、光纤；5、光纤接头；6、限位固定单元；7、地钉；8、尖端；9、扳手位；10、螺纹杆；11、插接孔；12、插接柱；13、限位台；14、柱芯；15、对接杆；16、螺纹套；17、下线套；18、上线套；19、底座；20、限位钉；21、沉头孔；22、连接板；23、弧形开口；24、螺栓。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.实施例1：请参阅图1～4以及图8，基于光纤光栅传感器的应力监测装置，包括多个光纤光栅应力传感器单元1，光纤光栅应力传感器单元1呈网状分布，光纤光栅应力传感器单元1包括光纤段2，光纤段2的两端设置有光纤接头5，相互交叉的光纤光栅应力传感器单元1的交叉点通过限位固定单元6固定，限位固定单元6包括上线套18和下线套17，上线套18与下线套17转动连接，同一限位固定单元6中的上线套18和下线套17分别套设在交叉点上侧和下侧光纤段2上，下线套17上设置有对接杆15，对接杆15与地钉7可拆卸固定连接。
35.本实施例中，将多个光纤光栅应力传感器单元1按照网状结构分布在应力监测区域中，通过限位固定单元6对多个光纤光栅应力传感器单元1形成的光纤光栅应力传感器网络进行位置固定，光纤接头5连接解调仪或者光源。当光纤光栅应力传感器网络覆盖区域中发生应力形变时，穿过该区域的光纤光栅应力传感器单元1中的布拉格光栅的结构在外部力的作用下发生应力变形，进而改变光信号的反射光谱特征，的对反射光谱的测量，可以得到外界的应力变化。在对比光纤光栅应力传感器网络中光纤光栅应力传感器单元1监测到应力值时，不同方向上最大应力值所在的光纤光栅应力传感器单元1交叉位置即为应力最为集中处。通过分析网络中每个光纤光栅应力传感器单元1的应力值，即可获得监测区域精确的应力变化。本实施例中，光纤光栅应力传感器具有灵敏度高、分辨率好、可靠性高等特点，适用于石油开采、热电厂及核电厂等重要设施的安全监测。
36.实施例2：请参阅图3～5，基于光纤光栅传感器的应力监测装置，与实施例1的区别在于，对接杆15底部设置有柱芯14，柱芯14的底部设置有插接柱12，柱芯14与插接柱12之间设置有限位台13，柱芯14上套设有螺纹套16，地钉7的顶部设置有螺纹杆10，地钉7上端的轴心处设置有插接孔11，插接孔11与插接柱12插接配合，螺纹套16与螺纹杆10螺纹连接，限位台13抵在螺纹杆10的上端面上。
37.本实施例中，地钉7用于与被测物固定连接，安装时首先将地钉7固定连接到被检测物体上，而后将上线套18、下线套17套设到光纤段上，再将插接柱12与插接孔11插接后锁紧螺纹套16。本实施例安装便捷，可靠性高，易于拆卸。
38.实施例3：请参阅图3～4，基于光纤光栅传感器的应力监测装置，与实施例1的区别在于，地钉7的下部设置有外螺纹，地钉7的下端设置有尖端8，地钉7的上部设置有六棱柱状的扳手位9。
39.本实施例中，地钉7上设置有外螺纹方便拧入被检测物体上且不易脱落，六棱柱状的扳手位9方便与扳手或者批子配合。
40.实施例4：请参阅图5，基于光纤光栅传感器的应力监测装置，与实施例1的区别在于，上线套18和下线套17一端设置有有开口，开口的两侧各设置有一连接板22，两侧的连接板22通过螺栓24固定连接。
41.本实施例安装时，首先打开开口将线套套设到光纤的外侧，而后拧紧螺栓24实现线套的锁紧。
42.实施例5：请参阅图6，基于光纤光栅传感器的应力监测装置，与实施例4的区别在于，上线套18和下线套17远离开口的一端设置有底座19，下线套17的底座19上设置有沉头孔21，上线套18的底座19上螺纹连接有限位钉20，限位钉20与沉头孔21转动连接。
43.本实施例中，通过限位钉20与沉头孔21配合，实现上线套18与下线套17之间的转动连接。
44.实施例6：请参阅图7，基于光纤光栅传感器的应力监测装置，与实施例5的区别在于，连接板22远离开口的一端设置有向外张开的弧形开口23。
45.本实施例中，弧形开口23方便安装时线套卡接到光纤外侧。
46.实施例7：请参阅图7，基于光纤光栅传感器的应力监测装置，与实施例1的区别在于，上线套18和下线套17的圆周内壁上均匀分布有轴向设置的防滑纹理。
47.本实施例中，线套圆周内壁上的轴向防滑纹，有利于提升线套与光纤之间的摩擦力，进而提高固定效果。
48.实施例8：请参阅图9，基于光纤光栅传感器的应力监测装置，与实施例1的区别在于，光纤段2包括光纤4，光纤4的外侧包裹有防水外套层3。
49.本实施例中，防水外套层3能够对光纤段2内部的光纤4起到良好的保护作用，进而提升整个应力监测装置的工作稳定性和使用寿命。
50.实施例9：请参阅图9，基于光纤光栅传感器的应力监测装置，与实施例8的区别在于，防水外套层3由极细的无缝不锈钢管制成。
51.本实施例中，无缝不锈钢管制成的防水外套层3具有强度高、防水效果好、耐腐蚀性能好的优点。
52.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.基于光纤光栅传感器的应力监测装置，包括多个光纤光栅应力传感器单元(1)，其特征在于：所述光纤光栅应力传感器单元(1)呈网状分布，所述光纤光栅应力传感器单元(1)包括光纤段(2)，所述光纤段(2)的两端设置有光纤接头(5)，相互交叉的光纤光栅应力传感器单元(1)的交叉点通过限位固定单元(6)固定，所述限位固定单元(6)包括上线套(18)和下线套(17)，所述上线套(18)与下线套(17)转动连接，同一限位固定单元(6)中的上线套(18)和下线套(17)分别套设在所述交叉点上侧和下侧光纤段(2)上，所述下线套(17)上设置有对接杆(15)，所述对接杆(15)与地钉(7)可拆卸固定连接。2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的应力监测装置，其特征在于：所述对接杆(15)底部设置有柱芯(14)，所述柱芯(14)的底部设置有插接柱(12)，所述柱芯(14)与插接柱(12)之间设置有限位台(13)，所述柱芯(14)上套设有螺纹套(16)，所述地钉(7)的顶部设置有螺纹杆(10)，所述地钉(7)上端的轴心处设置有插接孔(11)，所述插接孔(11)与插接柱(12)插接配合，所述螺纹套(16)与螺纹杆(10)螺纹连接，所述限位台(13)抵在螺纹杆(10)的上端面上。3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的应力监测装置，其特征在于：所述地钉(7)的下部设置有外螺纹，所述地钉(7)的下端设置有尖端(8)，所述地钉(7)的上部设置有六棱柱状的扳手位(9)。4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的应力监测装置，其特征在于：所述上线套(18)和下线套(17)一端设置有有开口，所述开口的两侧各设置有一连接板(22)，两侧的连接板(22)通过螺栓(24)固定连接。5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅传感器的应力监测装置，其特征在于：所述上线套(18)和下线套(17)远离开口的一端设置有底座(19)，所述下线套(17)的底座(19)上设置有沉头孔(21)，所述上线套(18)的底座(19)上螺纹连接有限位钉(20)，所述限位钉(20)与沉头孔(21)转动连接。6.根据权利要求4所述的基于光纤光栅传感器的应力监测装置，其特征在于：所述连接板(22)远离开口的一端设置有向外张开的弧形开口(23)。7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的应力监测装置，其特征在于：所述上线套(18)和下线套(17)的圆周内壁上均匀分布有轴向设置的防滑纹理。8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的应力监测装置，其特征在于：所述光纤段(2)包括光纤(4)，所述光纤(4)的外侧包裹有防水外套层(3)。9.根据权利要求8所述的基于光纤光栅传感器的应力监测装置，其特征在于：所述防水外套层(3)由极细的无缝不锈钢管制成。

技术总结
本发明公开了基于光纤光栅传感器的应力监测装置，包括多个光纤光栅应力传感器单元，光纤光栅应力传感器单元呈网状分布，光纤光栅应力传感器单元包括光纤段，光纤段的两端设置有光纤接头，相互交叉的光纤光栅应力传感器单元的交叉点通过限位固定单元固定，限位固定单元包括上线套和下线套，上线套与下线套转动连接，同一限位固定单元中的上线套和下线套分别套设在交叉点上侧和下侧光纤段上，下线套上设置有对接杆，对接杆与地钉可拆卸固定连接。本发明中，多个光纤光栅应力传感器单元按照网状结构分布在应力监测区域中，通过限位固定单元进行固定，通过分析网络中每个光纤光栅应力传感器单元的应力值，即可获得监测区域精确的应力变化。力变化。力变化。


技术研发人员：庞锐 樊群营 徐斌 周扬
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/7/27