CN101021599A - 通用型分体预制插接式光纤光栅传感器及其制作和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用型分体预制插接式光纤光栅传感器及其制作和使用方法。它解决了目前光纤传感器通用性差，安装过程困难等问题，具有面向工程测试专业人员使用的结构合理、连接方便、易于安装、便于维护、能够适用于多种工程测量条件等优点，其结构为：它包括带有光纤光栅和敏感体基底的敏感体，它还有至少一个与敏感体相互插接的连接体，该连接体包括传输光纤、连接体基底，其中光纤光栅与传输光纤在敏感体和连接体插接后连接，传输光纤和光纤光栅相连接处的端面为平面和/或曲面。

Description

通用型分体预制插接式光纤光栅传感器及其制作和使用方法

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种通用型分体预制插接式光纤光栅传感器及其制作和使用方法。

背景技术

光纤光栅是一种制作在光纤纤芯中的具有窄带反射特性的光学滤波器件，具有对温度和应力敏感的特性，其反射谱中心波长会随着光纤光栅所受应力和温度的变化而改变，因此可以通过测量其反射谱中心波长的变化确定所感知的温度和应力。利用这一特性可以测量许多物理量，如：应变、应力、温度、振动、压力、电参量以及某些化学量等。

和传统的测量手段相比，光纤光栅传感具有许多优点，如：体积小、精度高、频带宽、可实现分布式测量、耐腐蚀、不受电磁干扰、寿命长、信号衰减小、稳定性好等，在传感技术领域受到广泛的关注，被应用于航空航天、土木工程、电力工业、石化工业、生物医学工程等许多领域。

由于光纤光栅直接制作在去掉涂敷层的单模石英光纤内部，因此，用于检测未知物理量的敏感光栅和用于信号传输的传输光纤实际上是同一根光纤，即二者是一体的。同时，由于单模石英光纤的外径只有125微米，因此光纤光栅的抗剪切能力很差，非常容易折断。这就要求光纤光栅在工程现场使用时必须有良好的保护，并且不能由一般的工程技术人员操作，而必须由受过长期专业训练的技术人员利用特殊的设备才可以实现。这些情况大大的增加了光纤光栅的使用成本，极大的限制了光纤光栅的适用范围，在很大程度上抵消了光纤光栅传感的优势，严重阻碍了光纤光栅在传感技术领域的推广应用。为此，设计一种结构简单，易于施工，同时能够在不改变光纤光栅传感特性的前提下对其进行有效保护的预制结构，保证光纤光栅传感器在工业现场环境中能够为一般工程技术人员使用，同时具有符合工程要求的稳定性、可靠性、易用性和安全性是十分必要的。

目前存在的光纤光栅传感结构很多，但都建立在敏感光栅与传输光纤一体的基础上，结构复杂，体积较大，难以解决温度与应力交叉敏感的问题，不能充分发挥光纤传感技术的优势。而且不易保护，难于施工，严重阻碍了光纤光栅在工程领域的推广。具体表现为：

(1)目前存在的光纤光栅传感结构采用手工封装，重复性差，生产效率低，稳定性、可靠性和实用性难以达到工程要求，在实际使用中存在着成本高、易故障、难维护的技术缺陷。而且直接面向最终用户，针对特定工程项目设计，不具有普适性，难于推广。

(2)目前存在的光纤光栅传感结构是一体化的，也即传感用的敏感光栅与传输信号用的传输光纤是同一根光纤，人为增大了传感器件的尺度，增加了对传感器进行保护的难度，在实际使用中存在着结构复杂、不便安装的技术缺陷。

(3)目前存在的光纤光栅传感结构采用电弧放电方法连接，必须由光学专业人员利用昂贵的焊接设备操作，一般工程测试专业人员难以使用。这种连接方式极大的限制了光纤光栅在传感领域的应用，与目前工程测试专业人员对光纤传感技术的大量需求相矛盾。同时也增加了现场施工的难度，为光纤光栅传感器在现场的安装和日常维护带来极大的不便。

发明内容

本发明的目的就是为了解决目前光纤传感器通用性差，安装过程困难等问题，提供一种面向工程测试专业人员使用的结构合理、连接方便、易于安装、便于维护、能够适用于多种工程测量条件的通用型分体预制插接式光纤光栅传感器及其制作和使用方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种通用型分体预制插接式光纤光栅传感器，它包括带有光纤光栅和敏感体基底的敏感体，它还有至少一个与敏感体相互插接的连接体，该连接体包括传输光纤、连接体基底，其中光纤光栅与传输光纤在敏感体和连接体插接后连接，传输光纤和光纤光栅相连接处的端面为平面和/或曲面。

所述连接体还包括连接体盖层和连接体保护层。

所述光纤光栅还包括敏感体盖层。

所述连接体和敏感体为片状，敏感体插入连接体内组成内插式连接；或连接体插入敏感体内组成外插式连接。

所述连接体和敏感体为柱状，敏感体插入连接体内组成内插式连接或敏感体插入连接体内组成外插式连接。

所述曲面为凸面或凹面。

一种通用型分体预制插接式光纤光栅传感器的制作方法，

首先，制作连接体：

以浸胶纸或胶膜为材料，用机械方法获得所需尺寸的长方体，然后在其下表面开一个深度为0.1～0.2mm的方形或V型浅槽或按所需尺寸确定，并用机械方法在长方体中间加工一个符合预定工艺要求的方形通孔，得到连接体盖层；

选择一端带有光纤连接器的单模光纤作为传输光纤，将不带连接器的那段光纤的护套和涂覆层剥掉，得到预定长度的裸光纤，清洗后备用；

将粘结剂均匀涂于方形或V型浅槽中，放入清洗好的裸光纤，然后覆盖一层浸胶纸或胶膜作为连接体基底，并压实、粘牢；

最后，在相对的表面上粘贴用胶块或金属制作的保护层，并利用光学加工方法把传输光纤端面加工成符合预定要求的平面或凹面形状，完成连接体的制作；

其次，制作敏感体

以同样的浸胶纸或胶膜为材料，用机械方法获得与连接体方孔几何尺寸相匹配的长方体，然后在其下表面，位置与连接体开槽位置相同处，开一个与连接体浅槽相同深度的方形或V型浅槽，得到敏感体盖层；

选择制作好的光纤光栅，切除传输光纤部分，得到敏感光栅；

将粘结剂均匀涂于方形或V型浅槽中，放入制备好的敏感光栅，然后覆盖一层浸胶纸作为敏感体基底，并压实、粘牢；

最后，利用光学加工方法把敏感光栅端面加工成符合预定要求的平面或凹面，完成敏感体的制作。

一种通用型分体预制插接式光纤光栅传感器的制作方法，

首先，制作连接体：

以浸胶纸或胶膜为基体，用机械方法获得所需尺寸的圆柱体，然后在其轴线位置开一个直径为0.13～0.15mm的圆孔；

选择一端带有光纤连接器的单模光纤作为传输光纤，将不带连接器的那段光纤的护套和涂覆层剥掉，得到预定长度的裸光纤，清洗后备用；

将制备好的传输光纤穿入圆孔内，并在圆孔两端将传输光纤粘牢；

最后，用光学加工方法把传输光纤端面加工成符合预定要求的平面或曲面，即凸面或凹面形状，完成连接体的制作；

其次，制作敏感体：

以同样的浸胶纸或胶膜为基底，用机械方法获得与连接体所开圆孔几何尺寸相匹配的圆柱体，然后在轴线位置，位置与连接体开孔位置相同处，开一个同样直径的圆形通孔，得到敏感体基底；

选择制作好的光纤光栅，切除传输光纤部分，得到敏感光栅；

将敏感光栅传入圆孔内，并在圆孔两端将其粘牢；

最后，利用光学加工方法把敏感光栅端面加工成符合预定要求的平面或曲面(凹面或凸面)，完成敏感体的制作。

一种通用型分体预制插接式光纤光栅传感器的使用方法，使用时首先要把被测表面清理干净，然后将粘结剂均匀涂在敏感体基底上，并把敏感体粘贴在被测表面；最后在敏感体的上表面均匀涂胶，并把连接体插接在敏感体上，对齐、粘牢后即可。

一种通用型分体预制插接式光纤光栅传感器的使用方法，使用时首先要利用夹具把敏感体与被测物体固定在一起，也可以把敏感体粘贴在被测物体表面上，然后在敏感体的外表面均匀涂胶，并把连接体插接在敏感体上，对齐、粘牢后即可。

本发明包括敏感体和连接体两个主要组成部分，可以采用相同的材料制作，也可以采用不同的材料制作，彼此之间通过机械插接的方式连接在一起，并辅以化学粘贴的方式保证两者紧密地结合成一个整体。具体结构表述如下：

●敏感体

敏感体呈规则的片状或柱状，主要目的是将外界被测物理量转换为光信号的变化。它包括光纤光栅、基底和盖层三个组成部分，连接处的光纤光栅端面加工成平面或曲面(凸面或凹面)形状，即可以一端连接，也可以两端连接。具体介绍如下：

■光纤光栅 利用去掉涂敷层的单模石英光纤制作，只保留对压力或温度敏感的敏感光栅部分，其余部分(传输光纤部分)则尽可能切除。切割后的端面可以根据需要加工成平面或曲面(凸面或凹面)以保证光线的无损传输。

■基底 采用浸胶纸或胶膜制作，也可以根据测量条件采用其他材料(如金属薄膜)制作。

■盖层 采用浸胶纸或胶膜制作，也可以根据测量条件采用其他材料(如金属薄膜)制作。一般与基底材料相同。

●连接体

连接体呈规则的片状或柱状，中间开孔(方孔或圆孔)，主要目的是连接敏感体与检测装置，实现信号的传输。连接体包括传输光纤、基底、盖层和保护层四个组成部分，连接处的传输光纤端面加工成平面或曲面(凸面或凹面)形状，以内插的方式与敏感体连接；也可以外插的方式与敏感体连接，具体介绍如下：

■传输光纤 利用普通的一端带光纤连接器的单模石英光纤制作。不带连接器的一端去掉护套和涂敷层作为传输光纤，并且根据需要把端面加工成平面或曲面(凸面或凹面)以保证光线的无损传输。

■基底 采用浸胶纸或胶膜制作，也可以根据测量条件采用其他材料(如金属薄膜)制作。

■盖层 采用浸胶纸或胶膜制作，也可以根据测量条件采用其他材料(如金属薄膜)制作。一般与基底材料相同。

■保护层 根据测量条件采用胶膜或其他材料(如金属薄膜)制作。

与现有技术相比，本发明主要具有以下优点：

(1)结构简单，增强了光纤光栅的抗剪切能力，易于通过工程手段解决应力与温度的交叉敏感问题。

(2)分体式结构加工简单，粘贴方便，使用灵活，既利于保护光纤光栅，又易于工程测试人员安装维护。

(3)插接式连接操作简单，连接可靠，利于工程测试人员使用，能够极大地推动光纤光栅传感在各领域的使用。

(4)通用型结构便于机械加工，成本低廉，既利于产业化生产，又可以提高光纤光栅传感的稳定性和重复性。

(5)可以根据实际情况选择单端或双端连接方式，既易实现单点测量，也易构成分布式传感网络。

附图说明

图1为片状分体内插接式光纤光栅传感结构剖面图；

图2为片状分体外插接式光纤光栅传感结构剖面图；

图3为柱状分体内插接式光纤光栅传感结构剖面图；

图4为柱状分体外插接式光纤光栅传感结构剖面图；

其中，1.敏感体，11.光纤光栅，12.敏感体基底，13.敏感体盖层，2.连接体，21.传输光纤，22.连接体基底，23.连接体盖层，24.连接体保护层，3.端面。

具体实施方案

实施例1：

片状分体插接式光纤光栅传感结构，如图1，图2所示。

以浸胶纸为材料，用机械方法获得所需尺寸的长方体连接体2，然后在其下表面开一个深度为0.1～0.2mm的方形或V型浅槽(具体尺寸根据需要选择)，并用机械方法在长方体中间加工一个符合预定工艺要求的方形通孔，得到连接体盖层23。选择一端带有光纤连接器的单模光纤作为传输光纤21，将不带连接器的那段光纤的护套和涂覆层剥掉，得到预定长度的裸光纤，清洗后备用。将粘结剂均匀涂于方形或V型浅槽中，放入清洗好的裸光纤，然后覆盖一层浸胶纸作为连接体基底22，并压实、粘牢。最后，在相对的表面上粘贴用胶块或金属制作的连接体保护层24，并利用光学加工方法把传输光纤21的端面3加工成符合预定要求的平面或凹面形状，完成连接体2的制作。

以同样的浸胶纸为材料，用机械方法获得与连接体方孔几何尺寸相匹配的长方体，然后在其下表面(具体位置与连接体开槽位置相同)开一个与连接体2浅槽相同深度的方形或V型浅槽，得到敏感体盖层13。选择制作好的光纤光栅11，切除传输光纤21部分，得到敏感光栅。将粘结剂均匀涂于方形或V型浅槽中，放入制备好的敏感光栅，然后覆盖一层浸胶纸作为敏感体基底12，并压实、粘牢。最后，利用光学加工方法把敏感光栅端面3加工成符合预定要求的平面或凹面，完成敏感体1的制作。

实际使用时，首先要把被测表面清理干净，然后将粘结剂均匀涂在敏感体基底12上，并把敏感体1粘贴在被测表面。最后在敏感体1的上表面均匀涂胶，并把连接体2插接在敏感体1上，对齐、粘牢后即可得到图1所示的片状分体插接式光纤光栅传感结构。

在实施过程中，可以根据测量要求的不同选择不同的基底材料和粘结剂，以得到不同的测量精度。也可以把连接体2插入敏感体1的内部而得到图2所示的结构，它和图1所示结构实质上是一样的。

实施例2：

柱状分体插接式光纤光栅传感结构，如图3，图4所示。

以浸胶纸为连接体基底22，用机械方法获得所需尺寸的圆柱体，然后在其轴线位置开一个直径为0.13～0.15mm的圆孔。选择一端带有光纤连接器的单模光纤作为传输光纤21，将不带连接器的那段光纤的护套和涂覆层剥掉，得到预定长度的裸光纤，清洗后备用。将制备好的传输光纤穿入圆孔内，并在圆孔两端将传输光纤21粘牢。最后，用光学加工方法把传输光纤21的端面3加工成符合预定要求的平面或曲面(凸面或凹面)形状，完成连接体2的制作。

以同样的浸胶纸为基底，用机械方法获得与连接体2所开圆孔几何尺寸相匹配的圆柱体，然后在轴线位置(具体位置与连接体开孔位置相同)开一个同样直径的圆形通孔，得到敏感体基底12。选择制作好的光纤光栅21，切除传输光纤部分，得到敏感光栅。将敏感光栅传入圆孔内，并在圆孔两端将其粘牢。最后，利用光学加工方法把敏感光栅端面3加工成符合预定要求的平面或曲面(凹面或凸面)，完成敏感体1的制作。

实际使用时，首先要利用夹具把敏感体1与被测物体固定在一起，然后在敏感体的外表面均匀涂胶，并把连接体插接在敏感体上，对齐、粘牢后即可得到图3所示的柱状分体插接式光纤光栅传感结构。也可以把敏感体1粘贴在被测物体表面上。

在实施过程中，可以根据测量要求的不同选择不同的基底材料和粘结剂，以得到不同的测量精度。也可以把连接体2插入敏感体1的内部而得到图4所示的结构，它和图3所示结构实质上是一样的。

Claims (10)

1、一种通用型分体预制插接式光纤光栅传感器，它包括带有传输光纤(21)和连接体基底(22)的连接体(2)，其特征是：它还有至少一个与连接体(2)相互插接的敏感体(1)，该敏感体(1)包括光纤光栅(11)、敏感体基底(12)，其中光纤光栅(11)与传输光纤(21)在敏感体(1)和连接体(2)插接后连接，传输光纤(21)和光纤光栅(11)相连接处的端面(3)为平面和/或曲面。

2、根据权利要求1所述的通用型分体预制插接式光纤光栅传感器，其特征是：所述连接体(2)还包括连接体盖层(23)和连接体保护层(24)。

3、根据权利要求1所述的通用型分体预制插接式光纤光栅传感器，其特征是：所述光纤光栅(11)还包括敏感体盖层(13)。

4、根据权利要求1或2或3所述的通用型分体预制插接式光纤光栅传感器，其特征是：所述连接体(2)和敏感体(1)为片状，敏感体(1)插入连接体(2)内组成内插式连接；或连接体(2)插入敏感体(1)内组成外插式连接。

5、根据权利要求1或2或3所述的通用型分体预制插接式光纤光栅传感器，其特征是：所述连接体(2)和敏感体(1)为柱状，敏感体(1)插入连接体(2)内组成内插式连接或敏感体(1)插入连接体(2)内组成外插式连接。

6、根据权利要求1所述的通用型分体预制插接式光纤光栅传感器，其特征是：所述曲面为凸面或凹面。

7、一种权利要求1所述通用型分体预制插接式光纤光栅传感器的制作方法，其特征是：首先，制作连接体：

以浸胶纸或胶膜为材料，用机械方法获得所需尺寸的长方体，然后在其下表面开一个深度为0.1～0.2mm的方形或V型浅槽或按所需尺寸确定，并用机械方法在长方体中间加工一个符合预定工艺要求的方形通孔，得到连接体盖层；

选择一端带有光纤连接器的单模光纤作为传输光纤，将不带连接器的那段光纤的护套和涂覆层剥掉，得到预定长度的裸光纤，清洗后备用；

将粘结剂均匀涂于方形或V型浅槽中，放入清洗好的裸光纤，然后覆盖一层浸胶纸或胶膜作为连接体基底，并压实、粘牢；

最后，在相对的表面上粘贴用胶块或金属制作的保护层，并利用光学加工方法把传输光纤端面加工成符合预定要求的平面或凹面形状，完成连接体的制作；

其次，制作敏感体

以同样的浸胶纸或胶膜为材料，用机械方法获得与连接体方孔几何尺寸相匹配的长方体，然后在其下表面，位置与连接体开槽位置相同处，开一个与连接体浅槽相同深度的方形或V型浅槽，得到敏感体盖层；

选择制作好的光纤光栅，切除传输光纤部分，得到敏感光栅；

将粘结剂均匀涂于方形或V型浅槽中，放入制备好的敏感光栅，然后覆盖一层浸胶纸作为敏感体基底，并压实、粘牢；

最后，利用光学加工方法把敏感光栅端面加工成符合预定要求的平面或凹面，完成敏感体的制作。

8、一种权利要求1所述通用型分体预制插接式光纤光栅传感器的制作方法，其特征是：首先，制作连接体：

以浸胶纸或胶膜为基体，用机械方法获得所需尺寸的圆柱体，然后在其轴线位置开一个直径为0.13～0.15mm的圆孔；

选择一端带有光纤连接器的单模光纤作为传输光纤，将不带连接器的那段光纤的护套和涂覆层剥掉，得到预定长度的裸光纤，清洗后备用；

将制备好的传输光纤穿入圆孔内，并在圆孔两端将传输光纤粘牢；

最后，用光学加工方法把传输光纤端面加工成符合预定要求的平面或曲面，即凸面或凹面形状，完成连接体的制作；

其次，制作敏感体：

以同样的浸胶纸或胶膜为基底，用机械方法获得与连接体所开圆孔几何尺寸相匹配的圆柱体，然后在轴线位置，位置与连接体开孔位置相同处，开一个同样直径的圆形通孔，得到敏感体基底；

选择制作好的光纤光栅，切除传输光纤部分，得到敏感光栅；

将敏感光栅传入圆孔内，并在圆孔两端将其粘牢；

最后，利用光学加工方法把敏感光栅端面加工成符合预定要求的平面或曲面(凹面或凸面)，完成敏感体的制作。

9、一种权利要求1所述通用型分体预制插接式光纤光栅传感器的使用方法，其特征是：使用时首先要把被测表面清理干净，然后将粘结剂均匀涂在敏感体基底上，并把敏感体粘贴在被测表面；最后在敏感体的上表面均匀涂胶，并把连接体插接在敏感体上，对齐、粘牢后即可。

10、一种权利要求1所述通用型分体预制插接式光纤光栅传感器的使用方法，其特征是：使用时首先要利用夹具把敏感体与被测物体固定在一起，也可以把敏感体粘贴在被测物体表面上，然后在敏感体的外表面均匀涂胶，并把连接体插接在敏感体上，对齐、粘牢后即可。