CN100381845C - 光纤光栅门开关状态传感器探头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤光栅门开关状态传感器探头，由光纤环行器、圆环骨架、及刻有两个布喇格光栅的掺锗光纤构成，圆环骨架的外围开有凹槽，掺锗光纤上的两个布喇格光栅分别垂直对称固定在圆环骨架的上下两端的凹槽中，两个施力点水平对称加载在圆环骨架的左右两端；外部白光从光纤环行器的第一通道输入，从第二通道输出，光纤环行器的第二通道与掺锗光纤的首端相连，布喇格光栅将布喇格中心波长反射谱内的光反射回光纤环行器的第二通道，并由光纤环行器的第三通道输出。外部光谱分析仪连接光纤环行器的第三通道或掺锗光纤的末端，通过观察反射光谱或投射光谱的中心波长的移位，探测出应变信号。本发明结构的抗剪切性能好，测量范围大，稳定可靠。

Description

光纤光栅门开关状态传感器探头
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅门开关状态传感器探头，可以用于监测高端精密结构的门开关状态，例如飞机、船舰的舱门结构健康监测，属于测试技术领域。
背景技术
光纤光栅传感器的传感信号为波长调制，这一传感机制的好处在于：(1)测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；(2)避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；(3)具有不受电磁干扰、灵敏度高、重量轻、适用于高温、腐蚀环境的优点；(4)能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式测量。光纤光栅已经在很多领域得到应用，美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视，他们在航天飞机X-33上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络，对航天飞机进行实时的健康监测。X-33用做“国际空间站”的往返飞行。Ames研究中心用无损伤灵敏压力传感器对直升机旋翼进行测量，他们将光纤光栅传感器埋入一个特别设计的套管中，管厚度小于1.6mm，可在飞行和风洞试验中提供两维、实时的传感数据。目前直升机旋翼的压力传感是在机翼上钻孔，将压力传感器放入孔中进行测量。这种有损伤的方法要求对旋翼进行特殊的设计和制造，需耗资一百多万美元。他们还将光纤光栅传感器应用于测量尾部旋翼荷载、转子与机身的作用、机内转子航空动力学、倾斜转子中转子与转子的相互作用，转轴航空动力学、以及尾流与尾翼的相互作用。
自1996年起，德国Daimler-Benz研究中心和Daimler-Benz宇航空中客车共同研究基于光纤光栅的自适应机翼，寻找一种结构动态方案优化飞机的航空动力学性能，在结构变化监视中埋入了静态分布式光纤光栅应变和温度传感器(Trutzel M，Betz D，Holz M et al.Investigation of Fiber Optic Grating Sensors forApplications in the Aviation Industry，SPIE，1999，3746：624～627)。
Blue Road Research联合美国海军空战中心和波音幻影工作组，使用BlueRoad Research生产的光纤光栅传感器对飞机的粘和接头完好性进行了评估。以前这种评估所常用的方法，如超声波和X射线，非常耗时而且信号难以处理，美国海军研究实验室将光纤光栅传感器固定在飞机轻型天线反射器的不同位置，测量纵向应变、弯曲和扭矩。由于反射器的支杆很小，不能用常规的电阻应变仪进行测量。
目前SYSTEMS PLANNING & ANALY SIS，INC受阿林顿海军研究办公室的资助，已经制成用于美国海军舰队结构健康监测的低成本光纤网络，这个系统基于商用光纤光栅和通信技术。他们还开发了一种解调装置，这个装置使用数字空间波长域复用技术，从而能低成本多复用地进行应变监测，此装置能以2kHz的取样率对多达120个分离光纤光栅进行询查。整个系统于2001年初进入现场试验，计划2002年投入商用。最近他们准备采用光纤光栅传感技术和混合空间/波分复用技术实时测量拖曳阵列的三维形状，这种技术对阵列测量的改善将超过现有阵列估算技术一个数量级，从而可增强海军的战术优势。现有技术都存在裸光纤的抗剪切性能差和直接测量范围小的缺点，所以对传感器探头结构要进行合理设计和优化，才能保证具体工程的安全使用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种光纤光栅门开关状态传感器探头，能够有效提高安全测量范围，并使其灵敏度更高，工作性能更加可靠。
为实现这一目的，本发明设计提供的光纤光栅门开关状态传感器探头，由光纤环行器、圆环骨架及刻有两个布喇格光栅的掺锗光纤构成，圆环骨架的外围开有凹槽，掺锗光纤上的两个布喇格光栅分别垂直对称固定在圆环骨架的上下两端的凹槽中，两个施力点水平对称加载在圆环骨架的左右两端；外部白光从光纤环行器的第一通道输入，从第二通道输出，光纤环行器的第二通道与掺锗光纤的首端相连，布喇格光栅将布喇格中心波长反射谱内的光反射回光纤环行器的第二通道，并由光纤环行器的第三通道输出。外部光谱分析仪连接光纤环行器的第三通道或掺锗光纤的末端，通过观察反射光谱或投射光谱的中心波长的移位，探测出应变信号。
本发明所述的圆环骨架，其中间是圆形中空，呈环状。沿圆环骨架外围开一道深5mm的凹槽，用来放置布喇格光栅。
由于本发明中的圆环骨架起到了应变传递和放大的作用，所以构成圆环骨架的材料采用塑性材料。当对圆环骨架施力时，圆环骨架向外变形呈椭圆环状，并将形变传递到布喇格光栅上。
本发明所述的布喇格光栅，用填充好光纤油膏的光纤松套管简易成缆，再将所述的布喇格光栅用环氧树脂胶固定在圆环骨架外围的凹槽中。一根掺锗光纤上的两个布喇格光栅分别垂直对称固定在圆环骨架的上下两端的凹槽内，两个施力点水平对称加载在圆环骨架的左右两端。
所述的光纤光栅门开关状态传感器探头能够传感的有效范围或者说安全使用范围，可以通过调节圆环骨架半径和凹槽的深度来改变。
外部白光从光纤环行器的第一通道输入，从光纤环行器的第二通道输出，光纤环行器的第二通道与刻有两个布喇格光栅的掺锗光纤的首端相连。布喇格光栅将布喇格中心波长反射谱内的光反射回光纤环行器的第二通道，并由光纤环行器的第三通道输出。如果观察反射光谱的中心波长移位，探测出应变信号，则光谱分析仪连接到环形器第三通道；如果观察投射光谱的中心波长移位，探测出应变信号，则光谱分析仪连接到刻有两个布喇格光栅的掺锗光纤末端。
本发明的光纤光栅门开关状态传感器探头的抗剪性能好，测量范围大，具有测量灵敏度高、工作稳定性可靠性更好的特点，可以用于监测高端精密结构的门开关状态，例如飞机、船舰的舱门结构健康监测。
附图说明
图1为本发明光纤光栅门开关状态传感器探头的结构示意图。
图1中，1为光纤环行器第一通道，2为光纤环行器第二通道，3为光纤环行器第三通道，4为圆环骨架，5为布喇格光栅，6为刻有两个布喇格光栅的掺锗光纤。
图2为本发明传感器探头的受力状态示意图。
图3为传感器探头在门关状态时布喇格光栅的投射谱。
图4为传感器探头在门开状态时布喇格光栅的投射谱。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。
本发明光纤光栅门开关状态传感器探头的结构如图1所示，包括：光纤环行器、圆环骨架4、刻有两个布喇格光栅5的掺锗光纤6。
所述的圆环骨架4，中间是圆形中空，呈环状。沿圆环骨架外围开一道深5mm的凹槽，用来放置布喇格光栅5。掺锗光纤6上的两个布喇格光栅5分别垂直对称固定在圆环骨架4的上下两端的凹槽中，两个施力点水平对称加载在圆环骨架4的左右两端。
所述的布喇格光栅5，用填充好光纤油膏的光纤松套管简易成缆，再将所述的布喇格光栅用环氧树脂胶固定在圆环骨架4外围的凹槽中。
外部宽带光源连接光纤环行器的第一通道1，外部白光从光纤环行器的第一通道1输入，从光纤环行器的第二通道2输出，光纤环行器的第二通道2与掺锗光纤6的首端相连，布喇格光栅5将布喇格中心波长反射谱内的光反射回光纤环行器的第二通道2，并由光纤环行器的第三通道3输出。
外部光谱分析仪连接光纤环行器的第三通道3或掺锗光纤6的末端，通过观察反射光谱或投射光谱的中心波长的移位，探测出应变信号。
本发明的光纤光栅门开关状态传感器探头的有效使用范围或者说安全使用范围，可以通过调节圆环骨架4的内径、外径和凹槽的深度来改变。
图2为本发明传感器探头的受力状态示意图。如图2所示，当对圆环骨架4施力F时，圆环骨架4变形呈椭圆环，形变传递到布喇格光栅5。
图3为门关状态时的投射光谱。此时圆环骨架4没有受挤压，没有形变传递到布喇格光栅5，光栅布喇格光栅的反射波长为1552.34nm。
图4为门开状态时的投射光谱，圆环骨架4受到挤压，形变传递到布喇格光栅5，光栅布喇格光栅的反射波长为1552.64nm。

Claims (3)

1.一种光纤光栅门开关状态传感器探头，其特征在于由光纤环行器、圆环骨架(4)及刻有两个布喇格光栅(5)的掺锗光纤(6)构成，所述圆环骨架(4)的外围开有凹槽，掺锗光纤(6)上的两个布喇格光栅(5)分别竖直对称固定在圆环骨架(4)的上下两端的凹槽中，两个施力点水平对称加载在圆环骨架(4)的左右两端；外部白光从光纤环行器的第一通道(1)输入，从光纤环行器的第二通道(2)输出，光纤环行器的第二通道(2)与掺锗光纤(6)的首端相连，布喇格光栅(5)将布喇格中心波长反射谱内的光反射回光纤环行器的第二通道(2)，并由光纤环行器的第三通道(3)输出；外部光谱分析仪连接光纤环行器的第三通道(3)或掺锗光纤(6)的末端，通过观察反射光谱或透射光谱的中心波长的移位，探测出应变信号。
2.根据权利要求1的光纤光栅门开关状态传感器探头，其特征在于所述圆环骨架(4)外围开的凹槽深为5mm，圆环骨架(4)采用塑性材料，受力时变形呈椭圆环。
3.根据权利要求1的光纤光栅门开关状态传感器探头，其特征在于所述布喇格光栅(5)用环氧树脂胶固定在圆环骨架(4)的凹槽中。
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