CN101382420A - 采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器，涉及温度传感器技术领域。补偿装置由件B和实心体串连式连接构成，实心体是采用在线成型工艺将光纤光栅整体埋入固定于其中制成的，件B和实心体的横截面积、热膨胀系数中至少有一项互不相同。本发明的积极效果是：当环境温度升高或降低时，通过应力变形作用，可实现对光栅波长温度漂移的自动补偿，可做到补偿精确，工作稳定性好，而且体积小巧，成本低廉、易于加工、工作稳定性好，使用方便、稳定、可靠、寿命长；其成型工艺简便，能保证补偿性能可靠，解决了已有技术中光栅胶粘工艺易蠕变、易老化、光栅结合不可靠、寿命短等问题。

Description

采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器

技术领域

本发明涉及温度传感器技术领域。

背景技术

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波或反射镜。光纤光栅具有波长编码、易于实现波分复用、抗电磁干扰、传输损耗低、体积小、重量轻等优点，是目前极具发展前景的光纤无源器件，在光纤传感测试领域具有广阔的应用前景。

光纤光栅对温度和应变同时敏感，一般情况下很难区分温度和应变对传感器波长的影响，严重影响其在光纤传感领域的应用。因此，需要对光栅进行温度补偿，剔除温度对光栅波长的影响。

目前主要的温度补偿方法可分为以下两类：

1、引入一个仅对温度敏感的温度补偿光栅，对传感器进行温度补偿。该方法实现原理简单，补偿效果也很理想，但该方法的主要问题在于：一个传感头中必须埋入两个光纤光栅，而目前光栅写入成本还较高，这样会导致传感器的价格大幅提升，不利于产品的市场化推广，同时，在进行传感器封装时也不利于产品的小型化。

2、通过适当的结构设计，实现对光纤光栅的温度自补偿。该方法一个传感头只需要一根光纤光栅，大幅降低了传感器的成本，同时还有利于传感器封装小型化。例如采用不同热膨胀系数材料进行封装的方法，是目前的研究热点。但是目前的大部分温度自补偿方法均采用点式粘接的方法进行光栅与传感元件之间的连接，容易造成光栅粘贴不牢的问题，从而导致传感器使用寿命的大大降低，甚至可能会导致传感器在服役期内提前失效。针对该问题，有研究人员提出采用负膨胀材料封装法，该法将光纤光栅整体粘贴在负膨胀材料上，实现对光纤光栅的温度自补偿。但此法的问题在于：并不能用于制作应变传感器，目前主要应用于光通信领域；此外，该方案仅仅是改善了传感器的抗蠕变及抗老化能力，提高了粘接可靠性，并没有完全消除由于胶粘工艺带来的一系列问题。笔者也提出了一种采用金属材料封装的光栅应变传感器，在实现光栅的整体粘贴的同时，还能实现应变测量。但是此方案同样采用了对光栅的胶粘方式，并不能完全避免胶粘法导致的一系列问题。

发明内容

本发明的目的是提供了一种采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器，其特点是：原理独特，当环境温度升高或降低时，可通过应力变形作用，实现对光栅波长温度漂移的自动补偿，可做到补偿精确，工作稳定性好，使用方便、可靠、寿命长，可从根本上解决已有技术中光栅胶粘工艺易蠕变、易老化、光栅结合不可靠、寿命短等问题。

本发明的主要技术方案是：一种采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器，其特征在于设有补偿装置，该补偿装置由件B和实心体串连式连接构成，实心体是采用在线成型工艺将光纤光栅整体埋入固定于其中制成的，光纤光栅处于串连轴线上或其平行线上；件B和实心体的横截面积、热膨胀系数中至少有一项互不相同；当该补偿装置两端固定，且温度变化时，在线弹性范围内，件B和实心体热应力相互作用导致实心体承受压应变或拉应变导致光栅波长向短波或长波方向移动，实现对光栅波长温度漂移的自动补偿。

件B和实心体为线弹性材料，工作范围在线弹性范围内。

所述的光纤为单模光纤，或用多模光纤。

所述的实心体为具有负温度系数的材料为佳；所述的实心体不局限于具有负温度系数的材料，为正温度系数材料亦可，同样能实现温度补偿；件B为具有正温度系数的金属材料为佳。也可以是非金属材料。

所述的具有负温度系数的材料为芳纶纤维增强树脂基复合材料为佳。或为其他负温度系数的材料。

所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅为佳。

所述的实心体是按下述制成的:先将光纤光栅整体埋入实心体的生产模具中，再浇注芳纶纤维增强树脂基复合材料在线成型，实现实心体与光纤光栅的结构一体化。

所述的件B采用在线成型工艺将光纤埋入固定于其中制成的为佳。

所述的补偿管的两端固定在固定架体上为佳。

所述的固定架体是可采用金属材料或复合材料，实心体的两端采用树脂胶粘接固定于件B和固定架上，件B可为金属材料管，件B和外管之间或为焊接，或为粘结连接等。

所述的实心体和管可满足下列公式，以实现完全温度补偿：

$\frac{{\mathrm{\α}}_{T2}+\frac{K_1}{K_2}}{{\mathrm{\α}}_{T3}-\frac{K_1}{K_2}\frac{L_2}{L_3}}=\frac{E_3}{E_2}\frac{S_3}{S_2}$

其中，K₁为所使用的光栅的温度敏感系数，K₂为光栅的应变敏感系数，实心体和管的热膨胀系数分别为α_T2、α_T3；实心体和管的长度、横截面积、弹性模量分别为L₂、L₃、S₂、S₃、E₁、E₂。

本发明的积极效果是：本发明解决了长期以来人们一直想解决而又一直未能很好地解决的一大技术难题，与现有无源封装方式具有完全不同的原理，原理独特，当环境温度升高或降低时，通过应力变形作用，可实现对光栅波长温度漂移的自动补偿，同对又能彻底解决已有技术中胶粘工艺导致的光栅与传感器结合不可靠的问题，可做到补偿精确，工作稳定性好，且体积小巧、成本低廉、易于加工、使用方便、可靠、寿命长，性能可靠；成型工艺简便，能保证补偿性能可靠，从根本上解决了已有技术中光栅胶粘工艺易蠕变、易老化、光栅结合不可靠、寿命短等问题。

以下结合实施例及附图作进一步详述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图1中各标号含义为：1.外管，2.实心体，3.件B，4.光纤光栅，5.焊接结构，6.光纤。

具体实施方式

参见图1～图3：该温度自补偿功能的光纤光栅应变传感器，设有补偿装置，补偿装置由件B 3和实心体2串连式连接构成，件B 3为金属管；光纤为多模光纤，光纤光栅4整体埋入固定于实心体2中，光纤从件B 3的内孔中通过。金属外管1、件B 3均为具有正温度系数的金属材料。实心体2为具有负温度系数的材料，为芳纶纤维增强树脂基复合材料。光纤光栅4为光纤布拉格光栅。所述的补偿管的两端固定在固定架体上。固定架体为金属外管1。所述的实心体2的两端用双组分环氧树脂胶整体粘结层固定于件B 3和金属外管1上，件B 3为金属材料管，件B 3和金属外管1之间为焊接结构6。所述的实心体2和件B 3满足下列公式：

$\frac{{\mathrm{\α}}_{T2}+\frac{K_1}{K_2}}{{\mathrm{\α}}_{T3}-\frac{K_1}{K_2}\frac{L_2}{L_3}}=\frac{E_3}{E_2}\frac{S_3}{S_2}$

其中，K₁为所使用的光栅的温度敏感系数，K₂为光栅的应变敏感系数，实心体2和件B 3的热膨胀系数分别为α_T2、α_T3；实心体2和件B 3的长度、横截面积、弹性模量分别为L₂、L₃、S₂、S₃、E₁、E₂。

用本封装结构制作的光纤光栅温度补偿应变传感器其温度补偿效果如图2所示。温度补偿前，光纤光栅的温度敏感性为11.7pm/℃，温度补偿后，温度敏感性降低至0.6pm/℃，仅为封装前的5％，温度补偿效果良好。

使用本发明的封装结构制作的光纤光栅应变传感器其应变传感特性如图3所示。封装前，光纤光栅的应变敏感性为1.2pm/με，封装后其应变敏感性为1.4pm/με，良好的实现了应变增敏。经试用，效果很好。

成型工艺实施例：指实心体2的制作工艺为:先将光纤光栅4整体埋入实心体2的生产模具中，再浇注芳纶纤维增强树脂基复合材料在线成型(浇铸方法同已有技术)，实现实心体2与光纤光栅4的结构一体化。或浇注塑料亦可。

本温度补偿基本原理为：传感器各部件间采用上述方式进行结合，彼此间均存在相互作用力；光纤光栅整体埋入芳纶纤维增强树脂基复合材料中。当环境温度改变时，通过传感器部件间的热应力相互作用产生对光纤光栅的应变，可抵消因环境温度改变造成光栅温度漂移。

本温度补偿主要优点在于，采用在线成型工艺将光纤光栅整体植入芳纶纤维复合材料中，这样就完全解决了胶粘造成的粘贴不牢、容易老化失效等问题，大大提高了传感器的工作稳定性及其使用寿命。同时，该方案实现原理简单，封装工艺简便，同时还具有成本低廉、易于加工、体小质轻等优点。

下面对本发明的光纤光栅温度补偿原理及应变传感原理进行详细说明

图1所示传感器中，实心体2为传感器的温度补偿元件，件B 3起温度补偿和应变传递作用，外管1的主要作用是保护传感器内部元件，以及承受被测结构的应变，并将其传递至实心体2和件B 3。设计时应假定外管1不随内部管件的应力作用而变形，仅受外界应力的影响。这是因为在实际工程应用中，传感器一般粘贴在大型结构表面，或是埋入结构体中，随大型结构的应变而发生同步变形。传感器内部管件B的应力对大型结构体应变的影响可以忽略不计。

该传感器的温度补偿原理是：当温度升高时，件B 3会发生膨胀，而实心体2的负热膨胀系数的绝对值小于件B 3的热膨胀系数，这样实心体2和件B3之间便会产生热应力σ。在传感器设计时，使件B 3的刚度(弹性模量E×横截面积S)大于实心体2，故热应力σ₃>σ₂，件B 3挤压实心体2，结果导致实心体2缩短，造成光栅的中心波长向短波方向漂移，就能抵消由于温度上升所导致的光栅波长改变，实现对光栅的温度补偿。温度降低时亦然。

该传感器的应变传递原理为：当外管1承受外界应变时，实心体2和件B3都会发生变形，且应变的方向一致，外管1和实心体2的之间应变关系存在一定的关系式。而光纤光栅4与实心体2之间、及外管1与被测结构之间，均为同步变形状态，故可根据光栅所承受的应变计算出结构应变，实现光纤光栅的应变传感。此外，通过适当的结构设计，可使实心体2上发生的应变σ₂大于外管1所承受的外界应变σ₁，从而实现应变增敏的效果。

下面分析传感器温度补偿原理的具体实施及完全补偿的结构设计公式：

假设使用的光纤光栅的温度敏感系数为K₁pm/℃，应变敏感系数为K₂pm/με。即当温度改变1℃时，光栅波长改变为K₁pm；光栅承受应变为1με时，光栅波长变化为K₂pm。

若实现对光纤光栅温度的完全补偿，则有：

K₁ΔT＝-K₂Δε    (1)

其中ΔT为光纤光栅温度的改变量，Δε为对光纤光栅施加的应变量。

本发明使用的光纤光栅的K₁＝11.7pm/℃，K₂＝1.2pm/με，代入可得：

因此，若要实现对光栅温度的完全补偿，当温度升高1℃时，需要对光栅进行9.75με的压应变；温度降低时亦然。

假设没有外界应力的作用，传感器仅受温度影响，外管1的长度L1保持不变，则2缩短的长度等于件B 3伸长的长度，即

ΔL₁＝-ΔL₂     (2)

在这里有一点需要特别注意：在温度改变的情况下，外管1会由于热膨胀的作用发生长度改变，而把传感器粘贴在大型结构体上时，由于被测结构一般由大型混凝土或是钢铁构成，故也会由于温度的升高(降低)发生热膨胀(收缩)。但是传感器监测的结构体发生的应变应该也包括由于温度影响而造成的结构体的热膨胀(或热收缩)。所以在分析温度补偿的时候，若令传感器不受外界应变影响，就必须假定外管1的长度不变。外管1长度的任何改变量——不管是由于结构体温度改变造成的热膨胀(或热收缩)，还是结构承受外界应力所发生的变形——都应该由应变传感器如实的反映出来。

由式(1)可知，实心体2的应变为： ${\mathrm{\ϵ}}_2=-\frac{K_1}{K_2}\mathrm{\ΔT};$

件B3的应变为 ${\mathrm{\ϵ}}_3=\frac{K_1}{K_2}\frac{L_2}{L_3}\mathrm{\ΔT}.$

引入热应力方程： $\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\σ}}_T}{E}+{\mathrm{\α}}_T\mathrm{\ΔT}$

式中，σ_T为热应力，α_T为材料的热膨胀系数，ΔT为温度的变化量。

上式可改写为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{F_T}{\mathrm{ES}}+{\mathrm{\α}}_T\mathrm{\ΔT}$    (3)式中，F_T为热约束力，S为材料的横截面积。

当温度升高时，实心体2和件B 3的热膨胀系数为正，都有膨胀伸长的趋势，但是由于3刚度比较大，反而挤压实心体2，导致实心体2发生压应变。

实心体2的热应力方程为：

${\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{F_T}{E_2{S}_2}+{\mathrm{\α}}_{T2}\mathrm{\ΔT}---\left(4\right)$

件B 3的热应力方程为：

${\mathrm{\ϵ}}_3=\frac{F_T}{E_3{S}_3}+{\mathrm{\α}}_{T3}\mathrm{\ΔT}$   (5)，因此，可得传感器的结构设计方程为：

$\frac{{\mathrm{\α}}_{T2}+\frac{K_1}{K_2}}{{\mathrm{\α}}_{T3}-\frac{K_1}{K_2}\frac{L_2}{L_3}}=\frac{E_3}{E_2}\frac{S_3}{S_2}---\left(6\right)$

式(6)即为当实现完全温度补偿时，传感器的结构设计公式。

接下来分析传感器的应变传感特性。设传感器不受温度影响，传感器粘贴在被测结构物上，外管1随被测结构的应变而发生同步变形，产生的应变为ε₁，长度改变为ΔL₁，且满足：

ΔL₁＝ΔL₂+ΔL₃      (8)

则(2)与(3)的应变之比为：

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_3}=\frac{\frac{F}{S_2{E}_2}}{\frac{F}{S_3{S}_3}}=\frac{S_3{E}_3}{S_2{E}_2}---\left(9\right)$

又知： $\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_3}=\frac{\frac{\mathrm{\Δ}{L}_2}{L_2}}{\frac{\mathrm{\Δ}{L}_3}{L_3}}=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_2}{\mathrm{\Δ}{L}_3}\frac{L_3}{L_2}$ (10)，联立(9)、(10)可得：

$\mathrm{\Δ}{L}_3=\frac{L_3}{L_2}\frac{S_2}{S_3}\frac{E_2}{E_3}\mathrm{\Δ}{L}_2---\left(11\right)$

故 ${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_2+\mathrm{\Δ}{L}_3}{L_2+L_3}=\frac{1+\frac{L_3}{L_2}\frac{S_2}{S_3}\frac{E_2}{E_3}}{1+\frac{L_3}{L_2}}\frac{\mathrm{\Δ}{L}_2}{L_2}---\left(12\right)$

上式整理可得： ${\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{1+\frac{L_3}{L_2}}{1+\frac{L_3}{L_2}\frac{S_2}{S_3}\frac{E_2}{E_3}}{\mathrm{\ϵ}}_1---\left(13\right)$

式(13)即为传感器的应变传感公式。

若 $\frac{S_2}{S_3}\frac{E_2}{E_3}<1,$ 则有ε₂>ε₁，可实现应变增敏，能提高测量灵敏度和精度。上述的温度系数均指热膨胀系数。

Claims (10)

1、一种采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器，其特征在于设有补偿装置，该补偿装置由件B(3)和实心体(2)串连式连接构成，实心体(2)是采用在线成型工艺将光纤光栅(4)整体埋入固定于其中制成的，光纤光栅处于串连轴线上或其平行线上；件B(3)和实心体(2)的横截面积、热膨胀系数中至少有一项互不相同；当该补偿装置两端固定，且温度变化时，在线弹性范围内，件B(3)和实心体(2)热应力相互作用导致实心体(2)承受压应变或拉应变导致光栅波长向短波或长波方向移动，实现对光栅波长温度漂移的自动补偿。

2、根据权利要求1所述的采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器，其特征在于所述的光纤为单模光纤或多模光纤。

3、根据权利要求1所述的采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器，其特征在于所述的实心体(2)为具有负温度系数的材料，件B(3)为具有正温度系数的金属材料。

4、根据权利要求3所述的采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器，其特征在于所述的具有负温度系数的材料为芳纶纤维增强树脂基复合材料。

5、根据权利要求1所述的采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器，其特征在于所述的光纤光栅(4)为光纤布拉格光栅。

6、根据权利要求1所述的采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器，其特征在于所述的实心体(2)是按下述制成的:先将光纤光栅光栅(4)整体埋入实心体(2)的生产模具中，再浇注芳纶纤维增强树脂基复合材料在线成型，实现实心体(2)与光纤光栅(4)的结构一体化。

7、根据权利要求6所述的采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器，其特征在于所述的件B(3)是采用在线成型工艺将光纤埋入固定于其中制成的。

8、根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器，其特征在于所述的补偿管的两端固定在固定架体上。

9、根据权利要求6所述的采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器，其特征在于所述的固定架体是一个金属外管(1)，实心体(2)的两端采用树脂胶粘接固定于件B(3)和金属外管(1)上，件B(3)为金属材料管，件B(3)和金属外管(1)之间焊接连接。

10、根据权利要求7所述的采用在线成型工艺制成的光纤光栅自补偿应变传感器，其特征在于所述的实心体(2)和件B(3)满足下列公式：

$\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{T2}+\frac{K_1}{K_2}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{T3}-\frac{K_1}{K_2}\frac{L_2}{L_3}}=\frac{E_3}{E_2}\frac{S_3}{S_2}$

其中，K₁为所使用的光栅的温度敏感系数，K₂为光栅的应变敏感系数，实心体(2)和管(3)的热膨胀系数分别为α_T2、α_T3；实心体(2)和件B(3)的长度、横截面积、弹性模量分别为L₂、L₃、S₂、S₃、E₁、E₂。

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