CN102636288A - 一种光纤光栅传感器的三角封装方法 - Google Patents

一种光纤光栅传感器的三角封装方法 Download PDF

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Abstract

一种光纤光栅传感器的三角封装方法，包括三角封装的结构以及三角封装的结构材料的选择，三角封装的结构包括光纤光栅、滑块、卡手、转轴、臂
Figure 2012100978284100004DEST_PATH_IMAGE001
、臂
Figure 752729DEST_PATH_IMAGE002
、臂
Figure DEST_PATH_IMAGE003
、外围封装，光纤光栅的两端用胶黏剂环型胶黏，光纤光栅外围用一表面光滑的滑块粘住光纤部分，滑块上面连接卡手，滑块下面放在外围封装上的沟槽中，光纤光栅两端的两个卡手分别和的臂
Figure 231114DEST_PATH_IMAGE002
和臂
Figure 609006DEST_PATH_IMAGE003
的一端连接，臂
Figure 396702DEST_PATH_IMAGE002
和臂
Figure 797728DEST_PATH_IMAGE003
的另外一端都接在一可活动的转轴上，整个转轴固定在臂
Figure 142122DEST_PATH_IMAGE001
的一端，臂
Figure 499154DEST_PATH_IMAGE001
的另一端固定在外围封装上，臂
Figure 270800DEST_PATH_IMAGE002
、臂
Figure 408390DEST_PATH_IMAGE003
和光纤光栅组成一个三角形封装；臂
Figure 228578DEST_PATH_IMAGE001
、臂
Figure 581062DEST_PATH_IMAGE002
和臂
Figure 710561DEST_PATH_IMAGE003
为相同的材料。本发明的结构和材料选择，使得光纤光栅传感器的灵敏度得到了显著提高。

Description

一种光纤光栅传感器的三角封装方法
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅传感器的三角封装方法。
背景技术
光纤光栅是利用光纤的光敏特性制成的，它具有附加损耗小、抗干扰能力强、重量轻、结构紧凑、便于与其它光纤器件构成全光纤系统、寿命长、可对信息进行波长编码等一系列优异性能。光纤光栅作为一种新型的传感器，可实现压力、应力、应变、微振动、声音等非光学量的传感测量。和传统的传感器相比较，具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小和灵活方便等优点。光纤光栅在水听器、磁告警、激光告警、核辐射告警、生化剂告警等方面具有其它传感器无法比拟的独特性能，极具应用潜力。
通常情况下，光纤光栅对温度的灵敏度系数约为                                                
Figure 10983DEST_PATH_IMAGE001
（即温度变化1度时，光纤光栅的布拉格波长变化0.01纳米）,其灵敏度较底。所以在利用光纤光栅进行温度传感时，通常都必须对光纤光栅进行增敏处理，以提高温度测量精度。目前，通过双金属温度增敏封装后的光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数可达
Figure 55031DEST_PATH_IMAGE002
。
光纤光栅的布拉格波长
Figure 749317DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 338562DEST_PATH_IMAGE004
        （公式1）
式中: 
Figure 570829DEST_PATH_IMAGE005
为有效折射率，为光栅周期。当光波传输通过光纤光栅时，满足布拉格条件（即公式1）的光波将被反射回来，这就是光纤光栅的基本工作原理。对于没有增敏的光纤光栅，温度变化既引起光纤光栅折射率的变化，同时，由于热膨胀也引起栅距的变化，不考虑波导效应，光纤光栅具有以下温度响应特性：
Figure 452514DEST_PATH_IMAGE007
       （公式2）
式中
Figure 727507DEST_PATH_IMAGE008
与
Figure 994540DEST_PATH_IMAGE009
分别为光纤光栅的热光系数和热膨胀系数，
Figure 865544DEST_PATH_IMAGE010
为温度变化导致的布拉格波长的变化，为温度的变化。为简单起见，令温度灵敏度系数
Figure 941437DEST_PATH_IMAGE012
，则上式简化为：                                
Figure 430187DEST_PATH_IMAGE013
          （公式3）
公式3即为假定没有应变作用的光纤光栅布拉格波长变化与温度变化间的关系。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种显著提高灵敏度的光纤光栅传感器的三角封装方法。
本发明是这样来实现的，一种光纤光栅传感器的三角封装方法，包括三角封装的结构以及三角封装的结构材料的选择，其特征是三角封装的结构包括光纤光栅、滑块、卡手、转轴、臂
Figure 619729DEST_PATH_IMAGE014
、臂
Figure 80797DEST_PATH_IMAGE015
、臂、外围封装，光纤光栅的两端用胶黏剂环型胶黏，光纤光栅外围用一表面光滑的滑块粘住光纤部分，滑块上面连接卡手，滑块下面放在外围封装上的沟槽中，光纤光栅两端的两个卡手分别和的臂
Figure 673638DEST_PATH_IMAGE015
和臂
Figure 152024DEST_PATH_IMAGE016
的一端连接，臂
Figure 716867DEST_PATH_IMAGE015
和臂
Figure 255295DEST_PATH_IMAGE016
的另外一端都接在一可活动的转轴上，整个转轴固定在臂的一端，臂
Figure 187665DEST_PATH_IMAGE014
的另一端固定在外围封装上，臂
Figure 685643DEST_PATH_IMAGE015
、臂和光纤光栅组成一个三角形封装，并使光纤光栅受到预拉伸；三角封装的结构材料的选择：臂
Figure 719513DEST_PATH_IMAGE014
、臂和臂
Figure 16819DEST_PATH_IMAGE016
为相同的材料。
光纤光栅的封装整体采用一个类似三角形的结构封装，三个臂包括臂
Figure 880738DEST_PATH_IMAGE014
、臂
Figure 256356DEST_PATH_IMAGE015
和臂
Figure 129503DEST_PATH_IMAGE016
，采用热膨胀系数大的材料，其长度分别为
Figure 336493DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 387626DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 499807DEST_PATH_IMAGE016
，三个臂均采用相同的材料。当温度发生变化时，材料的热膨胀导致光纤光栅的拉伸，从而实现将温度的变化转化为应变的变化，因此实现温度的增敏。
用杨氏模量和热膨涨系数较小的材料将三角形结构封装在里面，使里面的光纤光栅不受外界应变变化的影响，从而消除了应变和温度的交叉敏感问题。
设，三个臂的热膨胀系数相同，均为
Figure 175825DEST_PATH_IMAGE018
，高度为H，则光纤光栅应变和温度的变化关系为：
Figure 397859DEST_PATH_IMAGE019
   （公式4）
对上式进行展开，取一阶近似有：
Figure 731757DEST_PATH_IMAGE020
   （公式5）
从上式可以看出，温度和光纤光栅的应变具有较好的线性关系。
本发明的技术效果是：通过采用应变增敏的光纤光栅，从而使光纤光栅传感器的温度灵敏度大大增加。臂、臂
Figure 3656DEST_PATH_IMAGE015
和臂
Figure 708176DEST_PATH_IMAGE016
采用热膨胀系数大的材料，大大提高光纤光栅（FBG）的温度灵敏度，整个光纤光栅传感器外面用杨氏模量和热膨胀系数较小的材料封装，使里面的光纤光栅不受外界应变变化的影响，从而消除了应变和温度的交叉敏感问题。
附图说明
图1是本发明的光纤光栅应变量和温度的变化关系图。
图2是本发明的光纤光栅传感器封装结构图。
在图中，1、臂
Figure 794949DEST_PATH_IMAGE014
  2、臂
Figure 298743DEST_PATH_IMAGE015
  3、臂
Figure 521783DEST_PATH_IMAGE016
  4、转轴  5、卡手  6、滑块  
7、外围封装  8、光纤光栅。
具体实施方式
本发明三个臂均若采用铝合金（其热膨胀系数在
Figure 85619DEST_PATH_IMAGE021
附近），采用公式4和公式5分别计算了应变和温度变化的关系，其结果如图1所示，横坐标是温度变化，纵坐标是应变变化，连续线是根据公式4得到的准确结果，×点是由公式5算出的近似结果，两者基本一致；由图1可知光纤光栅的应变量和温度的线性系数可达26
Figure 394110DEST_PATH_IMAGE022
，而目前市场上拥有的这种温度增敏类的应变量和温度的补偿系数只有16
Figure 888545DEST_PATH_IMAGE022
左右。横坐标是温度变化量的大小，单位是摄氏度。纵向坐标是光纤光栅的应变量。由图中可知温度的改变导致的光纤光栅的应变变化效果很明显，而且线性度很好，可以重复使用。
由公式5或图1可知光纤光栅的应变量和温度的线性系数可达26
Figure 982403DEST_PATH_IMAGE022
。如果没有采用任何增敏措施的光纤光栅，其应变灵敏度系数约为，这时温度灵敏度系数约为
Figure 575244DEST_PATH_IMAGE024
，比没有增敏的光纤光栅的温度灵敏度系数高3倍，但略低于温度增敏后的光纤光栅。但是，如果采用应变增敏的光纤光栅，本发明所设计的封装方案可使光纤光栅的温度敏度系数大幅提高。比如采用机械增敏封装后应变灵敏度系数为的光纤光栅，采用本发明封装后的光纤光栅的温度灵敏度系数可达，如果采用应变灵敏度更高的光纤光栅，温度灵敏度还可以提高。
光纤光栅8（FBG）的两端用胶黏剂环型胶黏，外围用一表面光滑的滑块6粘住光纤部分，滑块6上面连接卡手5，下面放在外围封装7的沟槽中，光纤光栅8两端的两个卡手5分别和两个相同的、具有较大热膨胀系数的臂2和臂
Figure 620243DEST_PATH_IMAGE016
3连接。臂
Figure 518798DEST_PATH_IMAGE015
2和臂
Figure 587248DEST_PATH_IMAGE016
3的另外一端都接在一可活动的转轴4上，整个转轴4固定在一具有较大热膨胀系数的臂1的一端，臂
Figure 230905DEST_PATH_IMAGE014
1的另一端固定在外围封装7上。臂
Figure 683883DEST_PATH_IMAGE015
2、臂
Figure 669157DEST_PATH_IMAGE016
3和光纤光栅8组成一个三角形封装，并且，通过合理设计，使光纤光栅8受到预拉伸。其中臂
Figure 165866DEST_PATH_IMAGE014
1、臂
Figure 908694DEST_PATH_IMAGE015
2和臂3都具有较大的热膨胀系数。外围封装7整个装置用杨氏模量和热膨胀系数较小的材料封装，以消除外来应力的影响。
当温度升高时，热膨胀使臂
Figure 988831DEST_PATH_IMAGE014
1、臂
Figure 407174DEST_PATH_IMAGE015
2和臂
Figure 965195DEST_PATH_IMAGE016
3变长，使光纤光栅8（FBG）左端的滑块6沿沟槽向左运动，光纤光栅8右端的滑块6沿沟槽向右运动，从而产生对光纤光栅的拉应力。当臂
Figure 743664DEST_PATH_IMAGE014
1、臂
Figure 641213DEST_PATH_IMAGE015
2和臂
Figure 292774DEST_PATH_IMAGE016
3的热膨胀系数较大时，可以大大提升光纤光栅8对温度的灵敏度。

Claims (1)

1.一种光纤光栅传感器的三角封装方法，包括三角封装的结构以及三角封装的结构材料的选择，其特征是三角封装的结构包括光纤光栅、滑块、卡手、转轴、臂                                                、臂
Figure 26429DEST_PATH_IMAGE002
、臂、外围封装，光纤光栅的两端用胶黏剂环型胶黏，光纤光栅外围用一表面光滑的滑块粘住光纤部分，滑块上面连接卡手，滑块下面放在外围封装上的沟槽中，光纤光栅两端的两个卡手分别和的臂
Figure 546273DEST_PATH_IMAGE002
和臂
Figure 298328DEST_PATH_IMAGE003
的一端连接，臂
Figure 307741DEST_PATH_IMAGE002
和臂
Figure 574774DEST_PATH_IMAGE003
的另外一端都接在一可活动的转轴上，整个转轴固定在臂
Figure 711358DEST_PATH_IMAGE001
的一端，臂
Figure 567187DEST_PATH_IMAGE001
的另一端固定在外围封装上，臂
Figure 498234DEST_PATH_IMAGE002
、臂
Figure 252563DEST_PATH_IMAGE003
和光纤光栅组成一个三角形封装，并使光纤光栅受到预拉伸；三角封装的结构材料的选择：臂
Figure 442105DEST_PATH_IMAGE001
、臂
Figure 903173DEST_PATH_IMAGE002
和臂
Figure 254389DEST_PATH_IMAGE003
为相同的材料。 
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