CN103256947A - 一种用于光纤光栅传感器的小倾角光栅无啁啾安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤光栅传感器的小倾角光栅无啁啾安装方法，特征是包括步骤：a.提供变形体和光栅；b.对变形体表面进行化学处理，去除表面氧化膜；c.以避开变形体的受力端为基准标出光栅粘贴路径，光栅粘贴路径与变形体的中心线之间的倾角为α，0<α<=45°；d.对光栅表面进行清洁处理，将光栅沿着光栅粘贴路径以粘贴或焊接的方式固定在变形体上，并使光栅的栅区中点与变形体的中心线相交；e.进行粘胶或焊接退火固化处理，再进行常规封装，加载应力，调谐光栅同时监测光谱。本发明具有无啁啾调谐范围大、带宽变化可以忽略不计（小于0.03nm）及易于实现等优点。

Description

一种用于光纤光栅传感器的小倾角光栅无啁啾安装方法

技术领域

本发明属于光纤光栅传感领域，具体涉及到一种适用于各种微型及大量程光纤光栅传感器的一种避免光纤光栅光谱啁啾的光栅安装方法。

背景技术

光纤光栅传感器由于其具有波长编码、体积小、本质安全和易于组网等优点，被广泛认为是一种最具有发展潜力的传感器。近年来，各种光纤光栅传感器也应运而生，如光纤光栅压力、位移、速度、振动、温度等传感器。然而，在各种光纤光栅传感器调谐过程中的光栅光谱啁啾问题一直以来都是该类传感器设计过程中的一个关键问题，而光纤光栅传感器较其它各种同类传感器往往体积比较小巧，这也是光纤光栅传感器的优点和特点之一，这同时也给光栅光谱啁啾这个问题的解决带来了麻烦。同样，在各种大量程光纤光栅传感器如压力、位移等传感器设计中，随着光栅粘贴在其上的变形体发生的形变越大，光栅的啁啾也会加大。这些问题都会使光纤光栅传感器解调系统无法正常判断光谱峰值。这样不但给测量带来误差甚至会限制传感器的量程、灵敏度和传感器网络规模，甚至无法实现该类传感器的正常使用。因此光纤光栅传感器中的光栅光谱啁啾问题是目前光纤光栅传感器应用中亟待解决的问题。

在微型光纤光栅传感器中可利用的空间比较狭小，而且裸光栅本身又比较容易折断，弯折角度不宜过大，如果对光栅提前封装，这样做既会增大传感器的体积，同时还可能因此带来传感器的性能降低的问题。如何做到既保证传感器有微小的体积，同时又保证光纤光栅光谱在调谐过程中不产生啁啾呢？这是一个非常棘手的问题。众所周知的避免光纤光栅光谱啁啾的办法是尽量将光栅粘贴于变形体（如悬臂梁、等强度梁、简支梁和膜片等）的中心线上。这对于微小结构的光纤光栅传感器来说，连接光栅的光纤的出线口也必然会在中心线位置，这就需要在膜片或梁的受力位置打孔走线，由于开孔、粘胶或焊接等处理就会使变形体在被调谐的过程中产生在光纤光栅范围内形变不均，因此会使得在调谐过程中光栅光谱啁啾，尤其当变形体形变比较大即大量程时啁啾尤为突出。

有鉴于此，特别有必要开发研制一种适用于光纤光栅传感器的小倾角光栅光谱无啁啾光纤光栅安装方法。

发明内容

本发明致力于解决微型及大量程光纤光栅传感器中光纤光栅的安装及调谐过程中光栅光谱啁啾等问题，提供一种用于光纤光栅传感器的小倾角光栅无啁啾安装方法。

其技术解决方案是：

一种用于光纤光栅传感器的小倾角光栅无啁啾安装方法，包括以下步骤：

a提供变形体和光纤光栅，变形体为悬臂梁、等强度梁、简支梁或膜片；

b对上述变形体表面进行化学处理，去除表面氧化膜；然后进入步骤c，

c以避开变形体的受力端为基准标出光栅粘贴路径，光栅粘贴路径与变形体的中心线之间的倾角为α；

d对光纤光栅表面进行清洁处理，将光纤光栅沿着光栅粘贴路径以粘贴或焊接的方式固定在变形体上，并使光纤光栅的栅区中点与变形体的中心线相交；然后进入步骤e，

e进行粘胶或焊接退火固化处理，再进行常规封装，加载应力，调谐光栅同时监测光谱。

上述步骤c中，倾角α为0°<α<=45°；优选地，倾角α为5°<α<=15°。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明不但有效的解决了微型光纤光栅传感器中光纤光栅的安装及调谐过程中的啁啾问题，而且特别适用于大量程光纤光栅传感器。本发明具有无啁啾调谐范围大、带宽变化可以忽略不计（小于0.03nm）及易于实现等优点。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步的说明：

图1为现有技术中光纤光栅传感器的光纤光栅与变形体之间安装位置关系简图。

图2为本发明中的光纤光栅与变形体之间安装位置关系简图。

图3为应用本发明的光纤光栅传感器的输出特性关系曲线图。

图4为应用本发明的光纤光栅传感器的光谱啁啾情况图。

图中，1.变形体，2.光纤光栅，3.变形体的中心线，4.光栅粘贴路径，5.变形体的受力端。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，先简要说明一下现有技术中光纤光栅传感器的光栅安装方法。结合图1，粘贴光栅的形变部件即变形体，一般为梁或膜片，当均匀的横向拉力F作用到形变部件上，拉力F会导致形变部件受到拉伸而产生应变。实际操作中，如果按照常规方法光纤光栅横向对称的安装于变形体上，实践中发现横向粘贴的光纤光栅在施加力的过程中，在非常小的受力情况下（50N时）就会产生明显的啁啾现象。

结合图2、图3与图4，一种用于光纤光栅传感器的小倾角光栅无啁啾安装方法，包括以下步骤：

a提供变形体和光纤光栅，变形体为悬臂梁、等强度梁、简支梁或膜片。

b对上述变形体表面进行化学处理，去除表面氧化膜；然后进入步骤c。

c以避开变形体的受力端为基准标出光栅粘贴路径，光栅粘贴路径与变形体的中心线之间的倾角（夹角）为α；上述倾角α可为0°<α<=45°，优选地，倾角α为5°=<α<=15°

d对上述光纤光栅表面进行清洁处理，将光纤光栅沿着光栅粘贴路径以粘贴或焊接的方式固定在变形体上，并使光纤光栅的栅区中点与变形体中心线相交；然后进入步骤e。

e进行粘胶或焊接退火固化处理，再进行常规封装，加载应力，调谐光栅同时监测光谱。

本发明的理论依据可大致如下：

理想状况下，光纤光栅的应变与其所粘贴区域的变形体应变相等，设K(x)为光纤光栅轴向传递应变系数，K(y)为光纤光栅横向应变传递系数，单纯轴向应变引起FBG的Bragg波长λ_B相对漂移量可表示为

△λ_B=λ_B(1-P_e)K(x)ε_x

ε_x为光纤光栅所受到的轴向的应变。

设变形体受到x方向的拉伸力为F，则光纤光栅会受到沿着光纤轴向的应变ε_x与纵向的应变ε_y，光纤光栅与水平方向的夹角为a。

${\mathrm{\&epsiv;}}_x=\mathrm{\&epsiv;}\cos a=\frac{\mathrm{\&Delta;l}}{L}\cos a=\frac{2F}{\mathrm{ES}}\cos a$

E为金属膜片弹性模量，S为膜片的横截面积。

${\mathrm{\&epsiv;}}_y=\mathrm{\&epsiv;}\sin a=\frac{2F}{\mathrm{ES}}\sin a$

波长变化可以表示为△λ_B=λ_B(1-p_e)(K(x)ε_x+K(y)ε_y)。

光栅Bragg波长变化为两部分的叠加，一部分是光栅仅受到ε_x作用时的波长变化，另一部分是光栅受到ε_y作用时的波长变化。

定义H为横向灵敏度系数与轴向灵敏度系数之比，即

由以上式子整理得 ${\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_B={\mathrm{\&lambda;}}_B(1-p_e)(1+H\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_y}{{\mathrm{\&epsiv;}}_x}){\mathrm{\&epsiv;}}_x={\mathrm{\&lambda;}}_B(1-p_e)(1+H\tan a)\frac{2F}{\mathrm{ES}}\cos a=$ $\left[2{\mathrm{\&lambda;}}_B(1-p_e)(1+H\tan a)\frac{\cos a}{\mathrm{ES}}\right]F$

可见波长的调谐量△λ_B与F成线性关系，在F的作用下，波长被均匀的拉伸，而调谐灵敏度取决于

在E，S一定的情况下，H极小的情况下，倾角α越小，调谐灵敏度越高。

应用本发明的光纤光栅传感器经初步验证，参看图3，其工作过程中的输出谱中心波长与受力关系曲线，可见其线性度很好，能够满足实际测量应用。参看图4，试验监测到的光栅光谱啁啾情况，可见在整个过程中光谱基本无啁啾产生，能够满足解调系统识别。也进一步验证了倾角α选自上述优选范围值时，调谐灵敏度较高。

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式，或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于光纤光栅传感器的小倾角光栅无啁啾安装方法，其特征在于包括以下步骤：

a提供变形体和光纤光栅，变形体为悬臂梁、等强度梁、简支梁或膜片；

b对上述变形体表面进行化学处理，去除表面氧化膜；然后进入步骤c，

c以避开变形体的受力端为基准标出光栅粘贴路径，光栅粘贴路径与变形体的中心线之间的倾角为α，0°<α<=45°；

d对光纤光栅表面进行清洁处理，将光纤光栅沿着光栅粘贴路径以粘贴或焊接的方式固定在变形体上，并使光纤光栅的栅区中点与变形体的中心线相交；然后进入步骤e，

e进行粘胶或焊接退火固化处理，再进行封装，加载应力，调谐光栅同时监测光谱。

2.根据权利要求1所述的一种用于光纤光栅传感器的小倾角光栅无啁啾安装方法，其特征在于上述步骤c中，倾角α为5°=<α<=15°。

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