CN102853856A - 一种消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法 - Google Patents

Abstract

一种消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，预拉伸光纤光栅，使得光纤光栅反射的波长满足实际需要；步骤2，通过应变胶将预拉伸的光纤光栅与承压体固化为一体。本发明使得当光纤光栅传感器在低温工作时，可以消除由于封装工艺带来的光纤光栅啁啾现象，提高光纤光栅传感器的适用范围和可靠性。

Description

一种消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法

技术领域

本发明涉及一种测量方法，特别是涉及一种用于光纤光栅传感器的测量方法。

背景技术

目前，光纤光栅传感器已经普遍应用于各个工业领域如桥梁、建筑、国防等，用于应力、应变、温度、扭矩等参量的测量。光纤光栅传感是基于光纤光栅的反射机理，经过特定的封装处理工艺，实现特定参量的感知和显示。光纤光栅是利用紫外光通过相位掩模板在普通光纤上刻制而成的。

如图1所示，根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤光栅中传输时,产生模式耦合，满足布拉格条件的光波被反射：

λ_B=2n_effΛ

其中Λ为布拉格光栅的周期，n_eff为栅区有效折射率。Λ和n_eff受外界环境影响(温度、应力等)而发生变化ΔΛ和Δn_eff，导致满足布拉格条件的反射波长发生漂移Δλ_B，当光纤光栅受温度和应力两个物理量同时作用时，总漂移量为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-p_e){\mathrm{\ϵ}}_x+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}$

其中α＝(1/Λ)(2^Λ/2T)为光纤材料的热膨胀系数，ξ=(1/n_eff)(2n_eff/2T)称之为热光系数，ε_x为考察点处轴向应变，

为有效弹光系数，硅纤介质中

p_e=0.22。令K_ε=1-P_e，K_T＝α+ξ得

式中，k_ε称FBG应变传感灵敏度系数；k_T称FBG温度传感灵敏度系数。温度和应力两个参量中，如有一个参量恒定，则光纤光栅布拉格波长漂移成为单一参量的函数，即：

对于一般的掺锗石英光纤，k_s=0.78，k_T＝7.5×10^-6，可见，在单一参量的作用下，布拉格波长漂移与参量变化呈线性关系。

在实际制作光纤光栅传感器过程中，通常将光纤光栅按照要求用胶贴敷在金属或非金属构件上，做好各种防护措施即可投入使用。在实际应用中发现，当传感器处于低温状态时，由于贴敷工艺的差别，反射光信号波长光谱会产生多波长现象即啁啾现象。如图2所示，图中左侧两只啁啾光谱显示光纤光栅在低温下已经不能够正常工作了，其反射的光信号不能够被后端仪表处理，只有良好的尖峰才能满足信号处理的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法，解决光纤光栅传感器低温时出现啁啾现象后反射的光信号无法处理的技术问题。

本发明的消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法，其包括以下步骤：

步骤1，预拉伸光纤光栅，使得光纤光栅反射的波长满足实际需要；

步骤2，通过应变胶将预拉伸的光纤光栅与承压体固化为一体。

还包括以下步骤：

步骤3，在承压体表面均匀涂覆一层弹性保护胶，覆盖通过应变胶固化连接的光纤光栅。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1，将承压体安放在位移台的工作面上固定，通过两端的螺旋测微计向两侧拉伸光纤光栅，使光纤光栅保持平直，确定光纤光栅两端的起点；

步骤1.2，通过位移台两端的光纤卡具将光纤夹持固定，与光纤连接的宽带光源和光谱仪加电，进入工作状态；

步骤1.3，位移台两端的螺旋测微计带动同侧的光纤尾纤向两侧拉抻光纤光栅，光谱仪实时监测宽带光源在光纤中的反射波长，当光谱仪检测到预定波长反射时，螺旋测微计停止拉伸，两端的光纤卡具固定预拉伸后的光纤光栅。

所述步骤2包括：

在光纤光栅的栅区与承压体表面间涂覆一层应变胶薄膜，待光纤光栅、应变胶和承压体固化为一体后，解除位移台对光纤光栅的拉伸。

所述步骤1.3可替换为，位移台一端的螺旋测微计带动同侧的光纤尾纤向一侧拉抻光纤光栅，光谱仪实时监测宽带光源在光纤中的反射波长，当光谱仪检测到预定波长反射时，螺旋测微计停止拉伸，光纤卡具固定预拉伸后的光纤光栅。

本发明的消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法，使得当光纤光栅传感器在低温工作时，可以消除由于封装工艺带来的光纤光栅啁啾现象，提高光纤光栅传感器的适用范围和可靠性。

利用螺旋测微计牵拉光纤光栅，可以充分利用螺旋测微计的测量精度，保证光信号的反射波长与设计值相等。

通过双向或单向拉伸光纤光栅，可以充分顾及到光纤光栅的应力参数和韧性参数，提高拉伸成品率。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

附图说明

图1为现有技术中光纤光栅传感原理示意图；

图2为现有技术中光纤光栅低温时啁啾现象的示意图；

图3为本发明消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法中光纤光栅传感器的固化示意图；

图4为本发明消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法中拉伸光纤光栅的操作示意图。

具体实施方式

本发明的消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法，首先依据光栅传感器的实际应用情况决定光栅预拉的波长范围；

然后将光纤光栅放在特定的位移台上，用光纤卡具夹持光纤光栅两端的尾纤，逐步调整位移台上的螺旋测微计带动尾纤，使光纤光栅保持平直状态；

然后利用螺旋测微计对光纤光栅进行预拉伸，通过光谱仪实时读取光栅反射波长，待满足波长要求时保持当前预拉伸状态，在光纤光栅和和承压体之间涂覆应变胶，等待应变胶、光纤光栅、承压体固化为一体后即可解除预拉，此时光纤光栅中心波长即为预拉后的中心波长。

通过使光纤光栅所受拉伸应力恒定，使得光纤光栅在低温时，即使光信号反射波长出现漂移，也不会产生啁啾现象的多波长反射，光信号反射波长单一，光谱仪检测到的波长信号尖峰形状清楚，有利于后端仪表进行信号处理。

由于光纤光栅结构精密，光纤本身冲击韧性较差，在经过预拉伸后，冲击韧性进一步降低，因此需要在承压体上，与光纤光栅连接的固化接触面均匀涂覆一层弹性保护胶，胶层厚度以覆盖光纤光栅为好，此层胶体用于增强光纤光栅与金属件的固化强度，保护光纤光栅不会脱落和免受外力损伤。

采用应变胶和弹性保护胶双重粘接工艺结合预拉工艺制作的光栅传感器可以满足低温状态下的光纤光栅传感器的应用要求，消除啁啾现象。

本发明的消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法通过对应变胶和弹性保护胶的选择，还可以实现光栅传感器在非金属构件上的应用。

如图3所示，经过预拉伸的光纤光栅11的栅区表面涂覆一层应变胶13，通过应变胶13与作为承压体12的金属件或非金属件表面固化一体，应变胶保证经过预拉伸的光纤光栅11不会发生常温下的收缩形变。

在光纤光栅11、应变胶13与承压体12固化形成的固化接触面上均匀涂覆一层弹性保护胶14，用于增强光纤光栅11与承压体12的固化连接，保护光纤光栅11。

如图4所示，位移台06工作面两端各包括一个光纤卡具05，位移台06两端还各包括一个螺旋测微计04，利用螺旋测微计04行程精确的特性，用于对光纤光栅11进行预拉伸。

在光纤的一端连接有宽带光源01和光谱仪03。

在对光纤02上的光纤光栅11进行预拉伸时，首先将承压体12安放在位移台06的工作面上固定，将光纤光栅11放置在固化位置，通过两端的螺旋测微计04向两侧拉伸光纤光栅11，使光纤光栅保持平直，确定光纤光栅两端的起点，通过两端的光纤卡具05将光纤02夹持固定，宽带光源01和光谱仪03加电，进入工作状态；

然后两端的螺旋测微计04带动同侧的光纤尾纤向两侧拉抻光纤光栅11，光谱仪03实时监测宽带光源01在光纤中的反射波长，当光谱仪03检测到预定波长反射时，螺旋测微计04停止拉伸，两端的光纤卡具05固定预拉伸后的光纤光栅11；

之后在光纤光栅11的栅区与承压体表面涂覆一层应变胶薄膜待光纤光栅、应变胶和承压体固化为一体后，解除位移台06对光纤光栅的拉伸。

最后在固化接触面上均匀涂覆一层弹性保护胶14。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，预拉伸光纤光栅，使得光纤光栅反射的波长满足实际需要；

步骤2，通过应变胶将预拉伸的光纤光栅与承压体固化为一体。

2.根据权利要求1所述的消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法，其特征在于还包括以下步骤：

步骤3，在承压体表面均匀涂覆一层弹性保护胶，覆盖通过应变胶固化连接的光纤光栅。

3.根据权利要求2所述的消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法，其特征在于所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1，将承压体（12）安放在位移台（06）的工作面上固定，通过两端的螺旋测微计（04）向两侧拉伸光纤光栅（11），使光纤光栅保持平直，确定光纤光栅两端的起点；

步骤1.2，通过位移台（06）两端的光纤卡具（05）将光纤（02）夹持固定，与光纤连接的宽带光源（01）和光谱仪（03）加电，进入工作状态；

步骤1.3，位移台（06）两端的螺旋测微计（04）带动同侧的光纤尾纤向两侧拉抻光纤光栅（11），光谱仪（03）实时监测宽带光源（01）在光纤中的反射波长，当光谱仪（03）检测到预定波长反射时，螺旋测微计（04）停止拉伸，两端的光纤卡具（05）固定预拉伸后的光纤光栅（11）。

4.根据权利要求3所述的消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法，其特征在于：所述步骤2包括：

在光纤光栅（11）的栅区与承压体（12）表面间涂覆一层应变胶薄膜，待光纤光栅（11）、应变胶（13）和承压体（12）固化为一体后，解除位移台（06）对光纤光栅的拉伸。

5.根据权利要求4所述的消除光纤光栅传感器啁啾现象的方法，其特征在于：所述步骤1.3为，位移台（06）一端的螺旋测微计（04）带动同侧的光纤尾纤向一侧拉抻光纤光栅（11），光谱仪（03）实时监测宽带光源（01）在光纤中的反射波长，当光谱仪（03）检测到预定波长反射时，螺旋测微计（04）停止拉伸，光纤卡具（05）固定预拉伸后的光纤光栅（11）。

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