[0001] 本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于光纤法珀干涉的大量程应变传感器及测量方法。

[0002] 应变传感器广泛应用于工业生产和工程监测中，常见的应变传感技术主要分为机电式应变传感技术和光纤应变传感技术等。然而电学类和光纤类应变传感器由于其感知元件自身变形率小，如光纤光栅极限应变8000～10000με，光纤极限应变16000με，很难实现超大量程(大于10％)的应变测试，并且机电式应变传感由于大量使用电子元器件及本体性质原因，易受电磁干扰影响，而光纤光栅应变传感器，其粘贴光纤光栅的胶黏剂会老化变形，从而导致光纤光栅存在长期徐变和零漂问题，且光纤光栅传感器易受温度影响。

[0003] 为了实现大量程的应变测试，目前有两种方式，一是通过在同轴电缆上钻孔或钳压方式制作两个反射点形成法布里‑珀罗干涉腔研发同轴电缆法布里‑珀罗大应变传感器，应变量程可达到17％，但是该类传感器属于单向不可逆传感器，即传感器在发生大变形时，同轴电缆本身不能弹性恢复，同时在同轴电缆上钻孔或钳压的反射点很容易遭受外界荷载的破坏导致传感器失效；二是通过采用平板弹簧结构，实现对大量程应变的测量，但是弹簧使用寿命短，且无法解决对量程进行调整的问题。

[0004] 因此，目前亟需一种能够长期使用，能够测量大应变量程的高精度应变传感器。

[0036] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。

[0037] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0038] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0039] 此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

[0040] 如图2所示，本发明的实施例1公开了一种基于光纤法珀干涉的应变传感器，所述应变传感器是基于光纤法珀干涉原理制成的，再通过串联结构实现对应变量程的放大，实现对应变的高精度测量。

[0041] 所述应变传感器包括：串联结构单元5、法珀干涉腔、第一端头法兰9、第二端头法兰10、保护壳12和光谱解调仪13。

[0042] 所述保护壳12内设置有串联结构单元5，第一端头法兰9和第二端头法兰10设置于保护壳12的两侧，所述法珀干涉腔设置于第一端头法兰9上，并与光谱解调仪13相连接。

[0043] 所述法珀干涉腔包括：第一反射点1、传输光纤3、第二反射点2和反射镜载体4；

[0044] 第一反射点1为传输光纤3的端面，与第二反射点2相对设置，第二反射点2为反射镜载体4的反射面，所述传输光纤3外面设置有光纤保护管11。

[0045] 如图1所示，为本发明实施方式中提供光纤法珀结构原理示意图。传输光纤3的端部光纤端面1为第一反射点1，反射镜载体4的反射面为第二反射点2，第一反射点1和第二反射点2之间的空腔为法珀干涉腔，两个反射点分别反射回R1和R2能量的光，两个反射光发生干涉，形成法珀干涉谱，如图7所示，通过对干涉谱进行拟合，即可算出法珀干涉腔长的大小。

[0046] 在本发明优选但非限制性的实施方式中，所述串联结构单元5是应变传感器两个端头法兰的之间的机械结构，其中固定第一反射点1和串联结构第一端7的法兰为第一端头法兰9，固定串联结构第二端8的法兰为第二端头法兰10。

[0047] 如图2‑图5所述，为本发明实施方式中提供的四种串联结构的大量程应变传感器的结构示意图。

[0048] 串联结构是由多个个体串接而成的，每个串联结构的形状可以是直线、曲线、空间曲线；常用的个体是四根等长梁构成的菱形，圆形，椭圆形，四个相同的曲线围成的图形，螺旋线，弹簧，圆柱体，圆筒体，以及其他可以串联在一起的结构。

[0049] 在本发明优选但非限制性的实施方式中，串联结构的个体之间都是连接到一起的，连接点分为铰接和刚性连接两种方法。串联的个体可以是相同的，也可以是不相同的。

[0050] 特殊情况下，整个串联结构是一个完整的圆柱体或圆筒体或棱柱体，如图6所示，这种工况也认为是相同的个体串联而成的整体，取其中一段也可以成为串联结构的个体。构成法珀干涉腔的两个反射点1和2分别固定在端头第一个串联结构的第一端7(第一端头法兰)和第一个串联结构的末端；第一反射点1为传输光纤3的端部反射面，第二反射点2为固定到第一个串联结构的末端的反射镜载体4的端面。

[0051] 当应变发生变化时，第一反射点1是随着第一端头法兰9移动的，第二反射点2的移动量与第二端头法兰10相对第一端头法兰9移动量线性相关且小于第二端头法兰10相对第一端头法兰9的移动量。第二端头法兰10相对第一端头法兰9的移动量与两个端头法兰之间距离的比值为应变量；第二反射点2的移动量与第二端头法兰10相对第一端头法兰9移动量的比值为应变传感器的量程放大倍数。

[0052] 如图2所示，为本发明的实施方式中提供的第一种基于光纤法珀干涉原理的大量程应变传感器结构示意图，串联结构采用伸缩栅栏结构，每个子结构均为四根等长梁构成的菱形结构，将多个菱形结构串接在一起，菱形结构的四个角点可以是刚性连接的，也可以是铰接的。第一个菱形结构的第一端点7，即第一端头法兰9处固定传输光纤3，光纤外面有光纤保护管11；第一个菱形结构的第二端点固定反射镜载体4。传输光纤的端面与反射镜之间构成法珀干涉腔。

[0053] 如图3所示，为第一种应变传感器变形前后的结构示意图，应变传感器第一端头法兰9与第二端头法兰10中心点的初始距离为L，当应变传感器的长度变化ΔL时，对应的应变ε＝ΔL/L。例如图中有五个串联结构，由于反射镜2固定在第一个串联结构的右端，所以测出的腔长变化量一是第一个串联结构左右两个端点之间的距离变化量，该距离变化量为串联结构第一端7到串联结构的第二端8之间距离变化量的五分之一，即法珀腔长从d0减小到d0‑ΔL/5，腔长变化量Δd＝ΔL/5。当串联结构是N个相同的结构时，干涉腔长从d0减小到d0‑ΔL/N，腔长变化量Δd＝ΔL/N，应变量ε＝NΔd/L。通过测量腔长变化量，即可确定应变大小。由于干涉腔长d的最大值是受限制的，通常不超过2mm，因此干涉腔长的变化量Δd也小于2mm，串联结构的数量越多，即N越大，根据ε＝NΔd/L，该应变传感器可测量的应变量程越大。

[0054] 如图4所示，为本发明的实施方式中提供的第二种基于光纤法珀干涉原理的大量程应变传感器结构示意图，串联结构采用曲线结构21，每个子结构均为四根曲线单元21构成的对称结构，该对称结构为圆形、椭圆形、双对称弧形等结构，常用圆弧结构或椭圆弧结构。将多个对称结构串接在一起，对称结构的四个角点6可以是刚性连接的，也可以是铰接的。第一个对称结构的第一端点7，即第一端头法兰9处，固定传输光纤3；第一个对称结构的第二端点，固定反射镜载体4，反射镜2正对光纤端面1，两个反射点之间构成法珀干涉腔。应变的测量准测和图3所示的方法一致。

[0055] 如图5所示，为本发明的实施方式中提供的第三种基于光纤法珀干涉原理的大量程应变传感器结构示意图，串联结构采用空间曲线结构22，包括螺旋曲线、波纹结构等，常用螺旋曲线中的弹簧结构，螺旋曲线结构的两端分别固定在第一端头法兰9和第二端头法兰10。螺旋线结构的第一端点7，即第一端头法兰9处，固定传输光纤3，光纤外面有光纤保护管11；螺旋曲线22结构上的某一点，固定反射镜载体4，该点在螺旋曲线22的两个端点之间，通常更靠近第一端点7。传输光纤3的端面1与反射镜2之间构成法珀干涉腔。反射镜载体2在螺旋曲线22上的固定点越靠近第一端头法兰9，应变传感器的量程放大倍数越大，应变的测量准测和图3所示的方法一致。

[0056] 如图6所示，为本发明的实施方式中提供的第四种基于光纤法珀干涉原理的大量程应变传感器结构示意图，整个串联结构均采用等截面结构23，任意长度均可作为子结构，常用的形状有圆筒结构、圆柱体结构、棱柱体结构，材料多采用刚度低、极限应变大的材料，例如树脂材料、四氟乙烯材料、橡胶、塑料以及多孔结构。等截面结构23的第一端点7，即第一端头法兰9处，固定传输光纤3；等截面结构23上的任意一点，固定反射镜4，该点在等截面结构的两个端点9和10之间，通常更靠近第一端点9。传输光纤3的端面1与反射镜2之间构成法珀干涉腔。反射镜载体3在等截面结构上23的固定点越靠近第一端头法兰9，应变传感器的量程放大倍数越大。应变的测量准测和图3所示的方法一致。

[0057] 如图7所示，为本发明的实施方式中提供的第一种基于光纤法珀干涉原理的大量程应变传感器在不同应变下的光谱图。以压应变所示，可见，随着应变的增加，两个反射点之间的距离减少，干涉腔长变小。

[0058] 如图8所示，为本发明的实施方式中提供的第一种基于光纤法珀干涉原理的大量程应变传感器，法珀干涉腔长与应变之间的关系曲线图。通过图7的所示的光谱图，依次测量0、10％、20％……90％、100％F.S.，得到干涉腔长d与应变ε的关系为d＝‑0.0801ε‑521.615，通过测量法珀干涉腔长d即可推算出应变ε＝‑12.484d+6520.19，其中d的单位为μm，应变单位为με。

[0059] 本发明的实施例2提供了一种基于光纤法珀干涉原理的大量程应变传感器的测量方法，包括以下步骤：

[0060] 步骤1，设置串联结构的形状和数量，确定应变传感器的量程；

[0061] 在本发明优选但非限制性的实施方式中，当串联结构是N个相同的结构时，干涉腔长从d0减小到d0‑ΔL/N，腔长变化量Δd＝ΔL/N，应变量ε＝NΔd/L。通过测量腔长变化量，即可确定应变大小，由于干涉腔长d的最大值是受限制的，通常不超过2mm，因此干涉腔长的变化量Δd也小于2mm，串联结构的数量越多，即N越大，根据ε＝NΔd/L，该应变传感器可测量的应变量程越大。步骤2，标定应变和干涉腔长关系，获得施加的应变值；

[0062] 在本发明优选但非限制性的实施方式中，步骤2具体包括：标定应变和干涉腔长关系时，将应变传感器固定到应变标定平台上，应变传感器一端的法兰固定不动，另一端的法兰可以随着精密位移台发生移动，通过位移台施加的位移值d与两个法兰间距L之间的比值，即可获得施加的应变值ε＝d/L。

[0063] 步骤3，测定初始腔长，移动位移台，测出每个应变状态下的干涉腔长，获得应变标定公式；

[0064] 在本发明优选但非限制性的实施方式中，步骤3具体包括：在应变为0mm时测出初始腔长，而后移动位移台，每次移动对应的应变改变量为10％F.S.，测出每个应变状态下的干涉腔长，共计11个测点，最终绘制应变与干涉腔长之间的关系曲线图，通过数据拟合，即可获得应变标定公式：y＝kx+b，其中y为应变量，x是干涉腔长。

[0065] 步骤4，通过步骤3获得的标定公式，根据测出的干涉腔长，即可得到应变值大小。

[0066] 本发明的有益效果在于，与现有技术相比，

[0067] (1)本发明提供了一种基于光纤法珀干涉原理的大量程应变传感器，所使用的低刚度弹性串联结构实现对大量程应变的测量，通过测量腔长变化量，确定应变大小，并且可测量的应变量程与串联结构的数量的相关，串联结构的数量越多，应变传感器可测量的应变量程越大；同样外界应变对应的干涉腔长的变化量越小，传感器的量程越大，本发明解决了光纤应变传感器量程小的问题，可以将应变传感器的量程提高到万微应变数量级；

[0068] (2)本发明提供了一种基于光纤法珀干涉原理的大量程应变传感器，能够用于测量隧道、管廊、建筑物、水利工程和地质工程中的应变量，例如钢筋、混凝土和岩石的应变量，由于法珀干涉的元器件属于非接触式，而且本专利所设计的传感器使用的都是刚性零件，只有几何移动，没有往复变形问题，所以该传感器具有高线性度、精度高、寿命长、抗电磁干扰和无零漂等优点。

[0069] 最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。