本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体而言，尤其涉及一种双层差分式光栅光纤传感器。
背景技术：
光纤光栅传感器，由于其结构体积小、重量轻和抗电磁干扰强等特点，使得其备受远程结构监测设备的青睐。然而，由于光纤光栅传感器主要是通过光栅中心波长发生偏移来感知周边物理环境变化，因此能够对光栅中心波长造成影响的因素皆能够对光纤传感器的监测产生影响。其中，温度作为一个不可忽视的波动因素，一直以来都是困扰光纤传感器监测精度提高和限制传感器应用的关键问题。
技术实现要素：
根据上述提出的技术问题，而提供一种双层差分式光栅光纤传感器。本实用新型主要通过双层凹凸型梁结构，消除了传感器周边环境温度波动的干扰，实现了结构形变的高精度测量。
本实用新型采用的技术手段如下：
一种双层差分式光栅光纤传感器，包括：
光纤传输线，具有采用增强纤维填充的4个独立包裹的光纤纤芯；
内部双层梁骨架，包括一个凹型梁、一个凸型梁以及两个定位柱；凹型梁和凸型梁的两端采用焊接工艺分别连接在两个定位柱上，使其成为一个整体，在凹型梁和凸型梁的中部上、下表面开设置纤槽，并将4个光纤布置在其中，凹型梁的上表面以及凸型梁的下表面直角折角处分别开设有小孔，使光纤通过；所述凹型梁和凸型梁的上下表面均贴附了光纤光栅；
以及外部铝制包装，呈矩形，具有4个圆形开口，左右两侧面等高度的分别开设两个圆形开口，用于通过光纤传输线；底面分别开设两个开口，用于通过双层梁骨架的两个定位柱。
进一步地，所述的4个圆形开口直径均与光纤传输线或定位柱的直径保持一致，并在光纤传输线或定位柱通过后采用604硅胶进行密封处理。
进一步地，所述光纤传输线的外部采用聚氯乙烯保护套包裹。
进一步地，采用焊料对置纤槽和折角处的小孔进行填充，用于固定光纤。
进一步地，所述两个定位柱的两侧分别焊接有两个光纤紧固装置，光纤紧固装置中有4个圆形小孔，用于使光纤通过，同时采用604硅胶对光纤紧固装置的小孔进行填充，用于固定四根光纤。
进一步地，所述两个定位柱的底端分别设置有一个含有内螺纹的圆形孔，由定位柱的内侧贯穿到外侧。
进一步地，所述的差分光纤传感器还包括底座，底座为与所述定位柱圆形截面匹配的钢夹，钢夹的中部也有相应的内螺纹的圆形孔，钢夹套在定位柱上，通过螺丝将底座与定位柱刚固连接。
较现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
1、本实用新型提供的双层差分式光栅光纤传感器，采用独特的双层梁结构，实现了结构形变的测量。通过对凹型梁和凸型上下表面测量波动量进行作差，能够有效地去除光纤传感器由于环境温度波动所带来的干扰，提高了结构监测稳定性，有利于大型复杂机械的结构监测。
2、本实用新型提供的双层差分式光栅光纤传感器，通过在凹型梁和凸型梁的上下表面贴附光纤光栅来测量形变波动量。在消除温度变化对于传感器影响的同时，由于凹型梁和凸型梁形变方向相反，通过作差能够进一步扩大监测位置应变所引起的波动效应，起到了放大应变监测信号的效果，从而增加了传感器的监测精度。
3、本实用新型提供的双层差分式光栅光纤传感器，由于凹型梁和凸型梁上下表面贴附的光纤光栅能够独立测量，在传感器凹型梁和凸型梁单独受损时，仍能够保持对结构位置的应变监测，提高了光纤传感器抗损伤能力。
4、本实用新型提供的双层差分式光栅光纤传感器，测量精度优于传统的应变片监测精度，有利于复杂环境下结构监测的实施。
基于上述理由本实用新型可在光纤传感、结构监测以及远程控制等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型传感器的内部结构图。
图2为本实用新型传感器的外部包装图。
图3为本实用新型传感器在监测结构拉伸变形时的原理图。
图4为本实用新型传感器在监测结构拉伸变形时的原理图。
图中：1、光纤传输线；2、凹型梁；3、凸型梁；4、定位柱；5、置纤槽；6、光纤紧固装置；7、底座；8、外部铝制包装。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
本实施例公开了一种差分光纤传感器，差分光纤传感器被广泛应用于交通工程、船舶与海洋工程等大型机械领域的结构试验中，有助于结构监测和强度评估的研究，具有重要的科研价值和实用性。
参考图1所示的双层差分式光栅光纤传感器的内部结构示意图，传感器包括：
光纤传输线1，其具有采用增强纤维填充的4个独立包裹的光纤纤芯；光纤传输线1的外部采用聚氯乙烯保护套包裹。
内部双层梁骨架，包括一个凹型梁2、一个凸型梁3以及两个定位柱4；凹型梁2和凸型梁3的两端采用焊接工艺分别连接在两个定位柱上，使其成为一个整体，在凹型梁2和凸型梁3的中部上、下表面开设置纤槽5，并将4个光纤布置在其中，凹型梁2和凸型梁3的上下表面均贴附了光纤光栅；凹型梁2的上表面以及凸型梁3的下表面直角折角处分别开设有小孔，使光纤通过；采用焊料对置纤槽5和折角处的小孔进行填充，用于固定光纤。
以及如图2所示的外部铝制包装，呈矩形，具有4个圆形开口，左右两侧面等高度的分别开设两个圆形开口，用于通过光纤传输线1；底面分别开设两个开口，用于通过双层梁骨架的两个定位柱4。两个定位柱4的底端分别设置有一个含有内螺纹的圆形孔，由定位柱4的内侧贯穿到外侧。差分光纤传感器还包括底座7，底座7为与定位柱4圆形截面匹配的钢夹，钢夹的中部也有相应的内螺纹的圆形孔，钢夹套在定位柱4上，通过螺丝将底座7与定位柱4刚固连接。
进一步的，作为本实用新型优选的实施方式，所述的4个圆形开口直径均与光纤传输线1或定位柱4的直径保持一致，并在光纤传输线1或定位柱4通过后采用但不限于604硅胶进行密封处理。
下面结合附图对本实用新型的双层差分式光栅光纤传感器的工作原理进行阐述；
本实用新型双层差分式光栅光纤传感器各部件组合完成后，工作原理如下：
如图3所示，通过底座7将本实用新型传感器固定在结构表面上，在结构出现拉应力时，定位柱4上的凹型梁2和凸型梁3由于力的传递作用分别出现了中拱和中垂变形，由于凹型梁2和凸型梁3的上下表面上均粘贴了光纤光栅，因此光栅将出现形变。在凹型梁2的表面上，上端光栅受拉，下端光栅受压，由此可知凹型梁2上下表面监测到由应变引起的中心波长偏移量往往大小相等，方向相反。而温度引起的中心波长偏移量由于位置较为接近而基本保持一致。同理，在凸型梁3的表面上，上端光栅受压，下端光栅受拉，其由应变引起的中心波长偏移量也大小相等，方向相反。而由温度引起的中心波长偏移量也将基本相等。通过将监测的凹型梁2表面中心波变化量在上下两端作差(作差属于传感器本身的特性，并不在本实用新型的保护范围之内)，既可以消除温度对于凹型梁2变形的影响，又进一步扩大了中心波的应变波动效应。同样，在凸型梁3的表面中心波变化量在上下两端亦作差，从而得到消除温度影响的凸型梁3应变影响。由于凹型梁2和凸型梁3的变形正好相反，固其差值的方向也相反。并将凹型梁2和凸型梁3的应变波动影响差值相减，将再次扩大传感器由定位柱4水平位移所带来的形变影响，并减小传感器其在测量中定位柱4倾斜对传感器应变的影响。
同理，如图4所示，在本实用新型传感器固定的结构表面上出现压应力时，凹型梁2和凸型梁3由于力的传递作用分别出现了中垂和中拱变形，由于凹型梁2和凸型梁3的上下表面上均粘贴了光纤光栅，因此光栅将出现形变。在凹型梁2的表面上，上端光栅受压，下端光栅受拉，由应变引起的中心波长的偏移量大小相等，方向相反。而由温度引起的中心波长偏移量则基本保持一致。在凸型梁3的表面上，上端光栅受拉，下端光栅受压，其由应变引起的中心波长的偏移量也大小相等，方向相反。而由温度引起的中心波长偏移量也将基本相等。通过将监测的凹型梁2表面中心波变化量在上下两端作差来消除温度对于凹型梁2变形的影响(作差属于传感器本身的特性，并不在本实用新型的保护范围之内)，并进一步扩大中心波的应变波动效应。同样，在凸型梁3的表面中心波变化量在上下两端亦作差，从而得到消除温度影响的凸型梁3应变影响。由于凹型梁2和凸型梁3的变形正好相反，固其差值的方向也相反。并将凹型梁2和凸型梁3的应变波动影响差值相减，将再次扩大传感器由定位柱4水平位移所带来的形变影响，并减小传感器其在测量中定位柱4倾斜对传感器应变的影响。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。
1.一种双层差分式光栅光纤传感器，其特征在于，包括：
光纤传输线(1)，具有采用增强纤维填充的4个独立包裹的光纤纤芯；
内部双层梁骨架，包括一个凹型梁(2)、一个凸型梁(3)以及两个定位柱(4)；凹型梁(2)和凸型梁(3)的两端采用焊接工艺分别连接在两个定位柱上，使其成为一个整体，在凹型梁(2)和凸型梁(3)的中部上、下表面开设置纤槽(5)，并将4个光纤布置在其中，凹型梁(2)的上表面以及凸型梁(3)的下表面直角折角处分别开设有小孔，使光纤通过；所述凹型梁(2)和凸型梁(3)的上下表面均贴附了光纤光栅；
以及外部铝制包装，呈矩形，具有4个圆形开口，左右两侧面等高度的分别开设两个圆形开口，用于通过光纤传输线(1)；底面分别开设两个开口，用于通过双层梁骨架的两个定位柱(4)。
2.根据权利要求1所述的双层差分式光栅光纤传感器，其特征在于，所述的4个圆形开口直径均与光纤传输线(1)或定位柱(4)的直径保持一致，并在光纤传输线(1)或定位柱(4)通过后采用604硅胶进行密封处理。
3.根据权利要求1所述的双层差分式光栅光纤传感器，其特征在于，所述光纤传输线(1)的外部采用聚氯乙烯保护套包裹。
4.根据权利要求1所述的双层差分式光栅光纤传感器，其特征在于，采用焊料对置纤槽(5)和折角处的小孔进行填充，用于固定光纤。
5.根据权利要求1所述的双层差分式光栅光纤传感器，其特征在于，所述两个定位柱(4)的两侧分别焊接有两个光纤紧固装置(6)，光纤紧固装置(6)中有4个圆形小孔，用于使光纤通过，同时采用604硅胶对光纤紧固装置(6)的小孔进行填充，用于固定四根光纤。
6.根据权利要求5所述的双层差分式光栅光纤传感器，其特征在于，所述两个定位柱(4)的底端分别设置有一个含有内螺纹的圆形孔，由定位柱(4)的内侧贯穿到外侧。
7.根据权利要求1所述的双层差分式光栅光纤传感器，其特征在于，所述的双层差分式光栅光纤传感器还包括底座(7)，底座(7)为与所述定位柱(4)圆形截面匹配的钢夹，钢夹的中部也有相应的内螺纹的圆形孔，钢夹套在定位柱(4)上，通过螺丝将底座(7)与定位柱(4)刚固连接。
技术总结