CN101196426A - 一种光纤光栅压强传感器 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅压强传感器，其结构为：两根不同波长的第一光纤光栅和第二光纤光栅，形成传感器，第一光纤光栅封装在毛细管内，以屏蔽外界的压强；第一光纤光栅和第二光纤光栅轴向地并用低弹性模量的胶封灌固定在一金属桶状容器内部；金属桶侧壁开有压力孔，并在金属桶的一端或两端留有空气腔；第一光纤光栅和第二光纤光栅的另一端分别延伸出金属桶状容器外，形成两个端口。将光纤光栅压强传感器其中任一个端口与2×2或1×2的光纤耦合器或光环行器的一端连接，光纤耦合器或光环行器另外两端分别与入射光源和光探测器连接，当外界压强发生变化时，使光纤光栅的波长发生漂移。通过探测波长的变化计算出被测压强的变化量。

Description

一种光纤光栅压强传感器

技术领域

本发明属于光电子测试领域，具体地涉及一种基于光纤光栅的光纤压强传感器。

本发明还涉及上述压强传感器用于对液体和气体动态压强的测量方法。

背景技术

光纤光栅是用紫外曝光等方法在光纤上写制光栅的一种光子器件。其对外界压力、应变、温度等因素具有敏感的特点，已应用于传感领域中。由于其波长解调不受光强影响、小巧、耐腐蚀、抗辐射、抗电磁干扰能力强等优点，在一些领域里(如水下探测、电厂、航空等)成为不可替代的传感器件，有着重要的实用价值。通常裸光纤光栅对压力的灵敏度很低，只有-2.05×10^-6/Mpa，很难将其用作高灵敏度、低压范围的压强传感器。因此提高光纤光栅压力灵敏度可以大大扩展光纤光栅作为压强传感器应用范围。

实用新型专利号ZL 200320112393.2中提到的采用金属桶封装，并用两种聚合物对一根光纤光栅进行分段封装，这种封装方式不仅提高了封装难度，且其报道的压强增敏效果只是裸光栅的13.5倍。

光纤光栅压强传感器存在交叉敏感问题，即光纤光栅对温度和应变都敏感无法区分，严重影响了光纤光栅在传感领域中的应用。为此人们提出了许多解决交叉敏感问题的方法。实用新型专利号ZL 200320112393.2中提到的采用金属桶封装，并用两种聚合物对一根光纤光栅进行分段封装，这种封装方式虽然对去除温度交叉敏感效应具有一定的效果，但将一根长只有约2cm左右的光栅进行封装，这样又提高了封装技术难度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种光纤光栅压强传感器。

本发明的又一目的在于提供上述光纤光栅压强传感器对液体和气体动态压强的测量方法。

为实现上述目的，本发明提供的光纤光栅压强传感器，其结构为：

两根不同波长的第一光纤光栅和第二光纤光栅，串接在同一根光纤上，第一光纤光栅封装在毛细管内，以屏蔽外界的压强；

在第一光纤光栅和第二光纤光栅处用低弹性模量的胶封灌固定在一金属桶状容器内部；

金属桶侧壁开有压力孔，并在金属桶的一端或两端留有空气腔；

第一光纤光栅和第二光纤光栅的另一端分别延伸出金属桶状容器外，形成两个端口。

所述的光纤光栅压强传感器，其中：光纤光栅为布喇格光纤光栅。

所述的光纤光栅压强传感器，其中：金属桶侧面开有一个或多个长孔。

所述的光纤光栅压强传感器，其中：金属桶侧面的压力孔位于第二光纤光栅处。

所述的光纤光栅压强传感器，其中：在空气腔和封灌胶的界面处粘有中间开孔的金属或塑料薄片，第二光纤光栅的一端固定在该金属或塑料薄片的孔中。

所述的光纤光栅压强传感器，其中：在金属桶一端加上螺帽或端盖，形成一个封闭的空气腔。

所述的光纤光栅压强传感器，其中：封灌用的低弹性模量胶为压强敏感型胶。

本发明的光纤光栅压强传感器的使用方法，其中：将光纤光栅压强传感器其中任一个端口与2×2或1×2的光纤耦合器或光环行器的一端连接，光纤耦合器或光环行器另外两端分别与入射光源和光探测器连接，当外界压强发生变化时，使光纤光栅的波长发生漂移。通过探测波长的变化计算出被测压强的变化量。

所述的使用方法，其中：入射光源为宽带光源或可调谐激光器。

所述的使用方法，其中：光探测器为光纤光谱仪或多波长计。

本发明提供的免受温度影响的压强传感器，经专利检索未见有相同报道。

附图说明

图1是发明的压强传感器的结构图，其中图1a为传感器的剖面图，图1b为外观图。

图2是本发明的测量装置图。

图3是本发明压强测量曲线。

具体实施方式

本发明提出的基于光纤光栅的压强传感器，在较低压强范围内，既可以提高压力灵敏度，又可以避免温度交叉影响的问题。

其基本原理为：将光纤光栅封装到一金属桶中，金属桶外侧带有压力孔。将封装胶填充到金属桶，并在其一端留有一段空气腔。压力经封装胶的应变带动光纤光栅发生波长漂移。通过探测光纤光栅波长漂移量便可以计算出液体或气体的压力或压强。

光纤光栅压强传感器主要包括单模光纤、光纤布喇格光栅、侧面开孔的金属桶、薄片、毛细玻璃管、增敏胶、密封胶等。其特点为：

将两根光纤光栅一起封装到侧面开有压力孔的金属桶中。其中一根光栅用毛细玻璃管进行封装，只在毛细玻璃管的两端封一种硬度较高的胶。用以屏蔽外界应变，使其只对温度敏感。同时对这两根光纤光栅灌封弹性模量很低的胶，这种胶只对应变增敏，对温度不敏感。

根据光纤光栅压力传感原理可知，对于毛细玻璃管封装的光纤光栅，由于采用毛细玻璃管已经将压力相应屏蔽，且采用封装的玻璃管的热膨胀系数与光纤光栅的热膨胀系数基本相同。因此其温度与光栅反射波长的关系为：

其中α_f、ζ分别光纤的热膨胀系数和热光系数。

对于另外一根光纤光栅，由于封装结构，温度和压力对其都有影响。

其中P_e、E_f、E_p、μ、A和a分别为光纤的弹光系数、光纤的弹性模量、聚合物的弹性模量、聚合物的泊松比、聚合物的横截面积和光纤的横截面积。

将(1)式和(2)式相减，可得光纤光栅的波长差：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B12}}{{\mathrm{\λ}}_{B12}}=K_{p2}P---\left(3\right)$

从公式中可以看出，采用弹性模量小的材料能够产生高的灵敏度。我们所采用的聚合物为一种具有较小弹性模量，并对温度不敏感的胶。

当其受到压强时，第一根光纤光栅3由于毛细管的屏蔽作用，感受不到压强的变化，因此不会发生波长漂移。而第二根光纤光栅5没有屏蔽，可以感受到压强的变化。并且封装的胶对温度不敏感，只是光纤光栅本身的温度灵敏度，所以这两根光纤光栅具有相同的温度灵敏度。得到的两根光纤光栅反射波长的差值即为光纤光栅感受到压强的变化量，这样可以很好的去掉光纤光栅的温度交叉效应。同时可以得到很大的压强灵敏度。这种光纤光栅压强传感器采用金属桶封装结构，不仅提高了其压力灵敏度同时也去除了温度交叉效应。其具有抗干扰、耐腐蚀等特点，可应用于液体中静态压力以及动态压力测量。

下面结合附图作详细描述。

如图1a所示，本发明的光纤光栅压强传感器12具体结构为：采用两根不同波长的第一光纤光栅3和第二光纤光栅5作为传感元件，其波长同为1531.5nm，峰值反射率均为90％，带宽为0.21nm。将这两根不同波长的光纤光栅封装在侧面开有长孔4的金属桶1中。金属桶1的外径、内径、长分别为8mm、6mm和60mm。金属桶1底面中心开一小孔，将光纤光栅3、5串穿入，并用丙烯酸脂胶将光纤10固定在金属桶1合适的位置处；金属桶1侧面中心位置处对称开长方形压力孔4一对，其尺寸长为34mm，宽为4mm。在第一光纤光栅3处，采用毛细玻璃管2将其封装，毛细玻璃管的尺寸为：长30mm、外径0.7mm、内径0.5mm。用较硬的胶将第一光纤光栅3两端与毛细玻璃管2进行固定，使其屏蔽外界的压强。金属桶1侧面的压力孔4在第二光纤光栅5处；在第二光纤光栅5末端处用胶固定一个中间有孔的金属薄片7，将其与光纤10固定在一起。金属片7的直径为5.5mm，厚0.1mm，孔为0.2mm。在金属桶1一端加上螺帽9，形成一个空气腔8。金属薄片7处于封装胶6和空气腔8界面处。封装胶6采用硅胶进行封装。封装后的光纤光栅压强传感器12其外形如图1b所示。

测量方式如图2所示。光纤光栅压强传感器12中的端口10与1×2或2×2的光纤耦合器或光环行器14一端相连，光纤耦合器或光环形器14的另外两端中的一端与作为入射光源的宽带光源或可调谐激光器11连接，另一端与光谱仪或多波长计13连接。当外界压强发生变化时，使光纤光栅的波长发生漂移。通过探测波长的变化计算出被测压强的变化量。

需要说明的是，上述提及的光纤耦合器或光环形器14、宽带光源或可调谐激光器11以及光谱仪或多波长计13等均为公知技术，对此不作过多描述。

典型测量值如图3所示。将传感器放入液体中，对其施加一定压力，范围为0-0.2MPa，温度为18℃。其波长差漂移了1.785nm。可以看出其线性度较好，且压力灵敏度是裸光栅的2760.6倍。

Claims (10)

1.一种光纤光栅压强传感器，其结构为：

两根不同波长的第一光纤光栅和第二光纤光栅，串接在同一根光纤上，第一光纤光栅封装在毛细管内，以屏蔽外界的压强；

在第一光纤光栅和第二光纤光栅处用低弹性模量的胶封灌固定在一金属桶状容器内部；

金属桶侧壁开有压力孔，并在金属桶的一端或两端留有空气腔；

第一光纤光栅和第二光纤光栅的另一端分别延伸出金属桶状容器外，形成两个端口。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅压强传感器，其特征在于：光纤光栅为布喇格光纤光栅。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅压强传感器，其特征在于：金属桶侧面开有一个或多个长孔。

4.根据权利要求1或3所述的光纤光栅压强传感器，其特征在于：金属桶侧面的压力孔位于第二光纤光栅处。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅压强传感器，其特征在于：在空气腔和封灌胶的界面处粘有中间开孔的金属或塑料薄片，第二光纤光栅的一端固定在该金属或塑料薄片的孔中。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅压强传感器，其特征在于：在金属桶一端加上螺帽或端盖，形成一个封闭的空气腔。

7.根据权利要求1所述的光纤光栅压强传感器，其特征在于：封灌用的低弹性模量胶为压强敏感型胶。

8.权利要求1所述光纤光栅压强传感器的使用方法，其特征在于：将光纤光栅压强传感器其中任一个端口与2×2或1×2的光纤耦合器或光环行器的一端连接，光纤耦合器或光环行器另外两端分别与入射光源和光探测器连接，当外界压强发生变化时，使光纤光栅的波长发生漂移。通过探测波长的变化计算出被测压强的变化量。

9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：入射光源为宽带光源或可调谐激光器。

10.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：光探测器为光纤光谱仪或多波长计。

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