CN101387500B - 基于热应力机制的光纤光栅温度自补偿应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于热应力机制的光纤光栅温度自补偿应变传感器，涉及温度传感器技术领域。其补偿装置由件B和件A串连式连接而成，光纤光栅粘结在件A中或其表面，光纤光栅处于串连轴线上或其平行线上；件B和件A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和件A热应力相互作用导致件A承受压应变或拉应变，从而引起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。本发明的积极效果是：当环境温度升高或降低时，可实现对光栅波长温度漂移的自动补偿；不仅易做到补偿精确，工作稳定性好，而且具有成本低廉、易于加工、体小质轻、封装工艺简便、使用方便、寿命长等优点。

Description

基于热应力机制的光纤光栅温度自补偿应变传感器 

技术领域

本发明涉及应变传感器技术领域。 

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。由于光纤光栅温度应变交叉敏感的特性，严重影响其在光纤传感领域应用，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。 

光纤光栅温度补偿方法具体可以分为两类：其一，有源封装方式，即由外加电路控制光栅器件所在的环境温度；其二，无源封装方式，即以适当的结构与材料对光纤光栅进行封装，封装使光栅产生一定的应变，该应变引入的波长的漂移可抵消由温度变化引起的波长的漂移。光纤光棚对温度非常敏感，中心波长随温度漂移量约为10pm/℃，而对应变的灵敏度约为1pm/με，因此要求温度稳定性为±0.1℃以上。而目前的一般的加热设备控制温度的精确度仅为±1℃左右，远远不能达到要求。此外，与有源方式比，无源方式还具有成本低、体积小，实用方便等特点，使之成为改善光纤光栅温度特性的主要方式。 

主要的无源封装方式又可分为以下2类： 

1、采用不同热膨胀系数材料进行封装：该方法是采用两种不同热膨胀系数的材料进行封装，先对光栅进行一定程度的预拉伸，然后将光栅的两端分别以点式粘接法固定在这两种不同热胀系数的材料上。该两种不同热胀系数的材料均固定在封装套管上，彼此间并无相互作用力。当环境温度发生变化时，由于两种材料的热膨胀系数的不同，导致两者间产生相对位移，从而引起光栅长度的改变，补偿了光栅波长的温度漂移。该方法的主要问题是：光纤光栅采用点式粘接，且粘接前需要给光纤一个拉伸预应力，这样就很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。 

2、采用负膨胀系数材料进行封装：该方法是将光栅整体直接粘贴在负膨胀系数材料上，当环境温度发生改变，由于负膨胀材料会对光栅造成一个与波长随温度变化的方向相反的应变，从而补偿了光纤光栅的温度漂移。此法由于采用了光栅的整体粘贴方式，可改善点式粘接容易发生粘贴不牢的问题，但是该法的主要缺陷在于很难找到一种合适负热膨胀系数的材料来进行封装，且材料加工困难，成本高昂；此外，该法无法测量应变，目前仅用于光通信领域。 

上述缺陷或不足一直成为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。 

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于热应力机制的光纤光栅温度自补偿应变传感器，其特点是：当环境温度升高或降低时，由于热应力的作用导致件A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，从而实现对光栅波长温度漂移的自动补偿，本发明原理独特，易做到补偿精确，且体积小巧、使用方便、寿命长。 

本发明的主要技术方案是：一种基于热应力机制的光纤光栅温度自补偿应变传感器，其特征在于设有补偿装置，该补偿装置由第二元件(或称件B，以下同)和第一元件(或称件A，以下同))串连式连接而成，光纤光栅粘结在件A中或其表面，光纤光栅处于串连轴线上或串联轴线的平行线上；件B和件A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和件A热应力相互作用导致件A承受压应变或拉应变，从而引起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和件A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为佳，也可为多模光纤。 

一种较佳结构为，所述的件B和件A均为管状，件B的横截面积大于件A的横截面积，二管为一体化连接或分体式连接，光纤光栅固定在件A的内孔中，光纤从二管的内孔中通过。件B和件A也可为棒状、块状等。 

所述的件B和件A中的内孔的直径相同为佳。 

件A为管状时，所述的光纤光栅和件A的内壁间为双组分环氧树脂胶整体粘结固定结构为佳。 

所述的件B和件A为一体化连接，一体化加工为佳。连接方式也可为螺纹连接等。也可为分体式连接。 

所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅为佳。 

所述的补偿装置的两端固定在固定架上为佳。 

所述的固定架是一个金属外管为佳。 

所述的件B和件A均由具有正温度系数的金属材料构成为佳。也可均不是金属材料；也可为不同的金属材料或非金属材料。 

均具有正温度系数的金属材料的件B和件A即补偿装置的两端和金属外管焊接为佳。 

所述的件A和件B均由具有正温度系数的金属材料构成时，满足下列公式为佳： 

$\frac{{\mathrm{\α}}_T+\frac{K_1}{K_2}}{{\mathrm{\α}}_T-\frac{K_1}{K_2}\frac{L_2}{L_3}}=\frac{S_3}{S_2}$

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，当件A和件B为相同材料时，件A和件B的热膨胀系数为α_T，件A和件B的长度、横截面积分别为L₂、L₃、S₂、S₃； 

当件A和件B为不同材料时，件A和件B的热膨胀系数分别为α_T2、α_T3，弹性模量分别为E₂、E₃则上式改写为： 

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

本发明的温度补偿基本原理为：传感器各管件之间采用焊接或胶粘的方式进行结合或固定，彼此间均存在相互作用力；光纤光栅整体粘贴在管件内壁。当环境温度改变时，通过管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，与上述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，由于件B的横截面积大于件A，导致件A在热应力作用下承受一定程度的压应变或拉应变，从而导致光栅波长向短波或长波方向移动，从而可实现对光栅波长温度漂移的自动补偿；本发明易做到补偿精确，工作稳定性好，而且具有成本低廉、易于加工、体小质轻、封装工艺简便、使用方便、寿命长等优点。光纤光栅整段粘贴在金属管件的内壁上，可改善目前主流点式粘接法造成的粘贴不牢、容易老化失效等问题，提高了传感 器的工作稳定性及其使用寿命。 

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2是图1封装结构封装前后光栅波长随温度变化的对比图； 

图3是图1封装结构的应变传感特性图。 

图1～图3中各标号含义为：1.外管，2.件B，3.件A，4.光纤光栅，5.双组分环氧树脂胶整体粘结层，6.焊接结构，7.光纤。 

具体实施方式

参见图1～图3：该基于热应力机制的光纤光栅温度自补偿应变传感器，设有补偿装置，补偿装置由横截面积大小不同的件B2和件A3串连式连接构成，件B2和件A3均为管状，光纤光栅固定在件A3的内孔中，光纤为多模光纤，光纤从件A3和件B2的内孔中通过。所述的件B2和件A3中的内孔的直径相同。件B2和件A3均由具有正温度系数的金属材料构成，为一体化连接。光纤光栅4和件A3的内壁间为双组分环氧树脂胶整体粘结结构。光纤光栅4为光纤布拉格光栅。补偿装置的两端固定在金属外管1上。件B和件A即补偿装置的两端和金属外管焊接。 

所述的件A3和件B2均满足下列公式： 

$\frac{{\mathrm{\α}}_T+\frac{K_1}{K_2}}{{\mathrm{\α}}_T-\frac{K_1}{K_2}\frac{L_2}{L_3}}=\frac{S_3}{S_2}$

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， 

当件A3和件B2为相同材料时，件A3和件B2的热膨胀系数为α_T，件A3和件B2的长度、横截面积分别为L₂、L₃、S₂、S₃。 

当件A3和件B2为不同材料时，件A3和件B2的热膨胀系数分别为α_T2、α_T3，弹性模量分别为E₂、E₃，则上式改写为： 

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

传感器各管件之间采用焊接或胶粘的方式进行结合，彼此间均存在相互作用力；光纤光栅整体粘贴在管件内壁。当环境温度改变时，通过管件间的热应 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的光栅温度漂移，可实现对光栅的完全温度补偿。光纤光栅整段粘贴在金属管件的内壁上，可改善目前主流点式粘接法造成的光栅粘结不牢、传感器易老化失效的问题。 

件A3为传感器的温度补偿元件，件B2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，并将其传递至件A3和件B2。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的详细原理是：当温度升高时，由于管件都是由金属材料制成，所以都会发生膨胀而产生热应力σ。由于件B2的刚度(弹性模量E×横截面积S)比件A3要高，所以热应力σ₃>σ₂，挤压管件件A3，结果导致件A3反而缩短，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。 

当外管1承受外界应变时，件A3和件B2都会发生变形，且应变的方向一致，外管1和件A3的之间应变关系存在一定的关系式。而光栅与件A3之间、及外管1与被测结构之间，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，可使件A3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。 

经试用，效果很好。 

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： 

设所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，则件B2缩短的长度等于管件3伸长的长度，即

ΔL₁＝-ΔL₂(2) 

在这里有一点需要特别注意：传感器处于自由，不受外力作用的状态时，当环境温度发生改变，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)可知件B2的应变为：  ${\mathrm{\ϵ}}_2=-\frac{K_1}{K_2}\mathrm{\ΔT}$ ；管件3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： 

$\mathrm{\ϵ}=\frac{F_T}{\mathrm{ES}}+{\mathrm{\α}}_T\mathrm{\ΔT}---\left(3\right)$

式中，F_T为热约束力，S为材料的横截面积。 

当温度升高时，件B2和件A3的热膨胀系数为正，都有膨胀伸长的趋势，但是由于件A3刚度比较大，反而挤压件B2，导致件B2发生压应变。 

件B2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A3的热应力方程为：  ${\mathrm{\ϵ}}_3=\frac{F_T}{E_3{S}_3}+{\mathrm{\α}}_{T3}\mathrm{\ΔT}---\left(5\right)$

因此，可得传感器的结构设计方程为：  $\frac{{\mathrm{\α}}_{T2}+\frac{K_1}{K_2}}{{\mathrm{\α}}_{T3}-\frac{K_1}{K_2}\frac{L_2}{L_3}}=\frac{E_3}{E_2}\frac{S_3}{S_2}---\left(6\right)$

若件B2与件A3选用同种材料，则上式可化为：  $\frac{{\mathrm{\α}}_T+\frac{K_1}{K_2}}{{\mathrm{\α}}_T-\frac{K_1}{K_2}\frac{L_2}{L_3}}=\frac{S_3}{S_2}---\left(7\right)$

式(6)和式(7)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) 

则件B2与件A3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：  $\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_3}=\frac{\frac{{\mathrm{\ΔL}}_2}{L_2}}{\frac{{\mathrm{\ΔL}}_3}{L_3}}=\frac{{\mathrm{\ΔL}}_2}{{\mathrm{\ΔL}}_3}\frac{L_3}{L_2}---\left(10\right)$

联立(9)、(10)可得：  ${\mathrm{\ΔL}}_3=\frac{L_3}{L_2}\frac{S_2}{S_3}\frac{E_2}{E_3}{\mathrm{\ΔL}}_2---\left(11\right)$

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

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

若件B2与件A3选用同种材料，则上式可化为：  ${\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{1+\frac{L_3}{L_2}}{1+\frac{L_3}{L_2}\frac{S_2}{S_3}}{\mathrm{\ϵ}}_1---\left(14\right)$

式(13)、(14)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。 

使用本发明的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1.4pm/℃，仅为封装前的12％，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1.7pm/με，良好地实现了应变增敏。 

上述的温度系数均指热膨胀系数。

Claims (3)

1.一种基于热应力机制的光纤光栅温度自补偿应变传感器，其特征在于设有补偿装置，该补偿装置由第二元件(3)和第一元件(2)串连式连接而成，光纤光栅粘结在第一元件(2)中或其表面，光纤光栅处于串连轴线上或串联轴线的平行线上；第二元件(3)的横截面积大于第一元件(2)的横截面积，二者为一体化连接或分体式连接，光纤光栅固定在第一元件(2)的中心，光纤从二者的中心通过；当该补偿装置两端固定，且温度变化时，在线弹性范围内，第二元件(3)和第一元件(2)热应力相互作用导致第一元件(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，可实现对光栅波长温度漂移的自动补偿。

2.根据权利要求1所述的基于热应力机制的光纤光栅温度自补偿应变传感器，其特征在于所述的光纤光栅(4)和第一元件(2)的内壁间为双组分环氧树脂胶整体粘结固定结构。

3.根据权利要求1所述的基于热应力机制的光纤光栅温度自补偿应变传感器，其特征在于所述的第一元件(2)和第二元件(3)满足下列公式：

$\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_T+\frac{K_1}{K_2}}{{\mathrm{\&alpha;}}_T-\frac{K_1}{K_2}\frac{L_2}{L_3}}=\frac{S_3}{S_2}$

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，

当第一元件(2)和件第二元件(3)为相同材料时，第一元件(2)和第二元件(3)的热膨胀系数为α_T，第一元件(2)和第二元件(3)的长度、横截面积分别为L₂、L₃、S₂、S₃，

当第一元件(2)和第二元件(3)为不同材料时，第一元件(2)和第二元件B(3)的热膨胀系数分别为α_T2、α_T3，弹性模量分别为E₁、E₂，则上式改写为：

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

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