CN103822738A - 基于光纤光栅的应力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的应力传感器，由于将光纤光栅组织成光栅对，并将光栅对粘贴于弹性体上使弹性体受外界应力作用时，光栅对中的两根光纤光栅中一根产生拉伸作用，另一根产生相应的压缩作用，因两光纤光栅产生相反的波长移动方向从而起到温度自补偿，同时由于光纤光栅采用两端粘贴的方式具有遏制啁啾效应的作用。

Description

基于光纤光栅的应力传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅的应力传感器。

背景技术

在煤矿、油井、气田、核能等场合，力值测量是基本的检测项目之一，其中基于光纤光栅的应力传感器以其具有耐腐蚀、抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、可分布式测量等特性在这些场合中被广泛应用。在基于光纤光栅的应力传感器中，光纤光栅是其中十分重要的部件，所谓光纤光栅是指利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。其中光纤光栅具有类似应变片的作用，具有很高的灵敏度。其中光纤光栅包括：均匀光纤光栅、均匀长周期光纤光栅、切趾光纤光栅、相移光纤光栅等。目前，对光纤光栅设置于悬臂梁之类的弹性体时经常出现的现象是：由于光栅与弹性体的耦合不匹配，导致应变分布不均匀，例如悬臂梁在受力时将会产生挠度，挠度会增大光栅的不均匀性，而应变分布不均匀将会导致光纤光栅产生啁啾效应，即反射峰中心波长会出现上下摆动状况。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于光纤光栅的应力传感器，具有温度自补偿和遏制啁啾效应的作用。

本发明提供了一种基于光纤光栅的应力传感器，包括：光纤光栅和弹性体，所述光纤光栅包括：至少一组光栅对，所述光栅对由两根结构相同或相似的光纤光栅组成，所述两根光纤光栅均采取两端粘贴的方式固定于所述弹性体上，且所述两根光纤光栅在所述弹性体上的设置方式使：当所述弹性体受外界应力作用时，其中一根光纤光栅产生拉伸作用，另一根光纤光栅产生对应的压缩作用。

进一步，所述两根光纤光栅均先预紧，然后两端粘贴于所述弹性体上。

进一步，所述弹性体为悬臂梁、柱式结构、筒式结构或环式结构。

进一步，所述弹性体为悬臂梁时，所述两根光纤光栅分别设置在所述悬臂梁的上、下表面。

进一步，所述悬臂梁的中间设有至少一圆孔。

进一步，所述悬臂梁的中间设有双圆孔。

进一步，还包括：耦合器、环形器、激光器和光栅分析模块，所述应力传感器的光路为：从所述激光器发出的光顺序经过所述环形器、耦合器进入所述光栅对中的光纤光栅产生中心波长随外界应力变化而变化的反射波长，所述反射波长再顺序通过所述耦合器、环形器进入所述光栅分析模块进行分析得到应力数字信号。

进一步，所述光栅分析模块包括：准直镜、色散单元、聚光透镜、探测单元、控制电路、数字信号处理器DSP和存储器，分别依次用于对输入的光信号进行准直、色散、聚光、探测、控制、数字信号处理和存储。

进一步，所述色散单元采用透射式全息体相位衍射光栅VPHG，所述探测单元采用线阵铟砷化镓PIN二极管光电探测阵列。

本发明的有益效果：

将光纤光栅组织成光栅对，并将光栅对粘贴于弹性体上使弹性体受外界应力作用时，光栅对中的两根光纤光栅中一根产生拉伸作用，另一根产生相应的压缩作用，因两光纤光栅产生相反的波长移动方向从而起到温度自补偿，同时由于光纤光栅采用两端粘贴的方式具有遏制啁啾效应的作用。

另外，光纤光栅采取先预紧，然后两端粘贴于弹性体上的方式时，具有非常好的遏制弹性体应变不均匀而带来的反射波长的啁啾效应的作用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明提供的基于光纤光栅的应力传感器的实施例的结构示意图。

如图2是光纤对安装于悬壁梁时的安装示意图。

如图3（a）至（c）是常见的几种常见弹性体的光纤光栅粘结简图。

图4是光栅分析模块的实施例的结构示意图。

图5是悬臂梁受力变形示意图。

图6是光栅对安装于悬臂梁后的示意图。

具体实施方式

请参考图1，是本发明提供的基于光纤光栅的应力传感器的实施例的结构示意图，其包括：弹性体1、至少一组光栅对2、耦合器3、环形器4、激光器5和光栅分析模块6。其中光栅对2由两光纤光栅组成且设置在弹性体1上。

如图所示，该应力传感器的光路为：从激光器5发出的光顺序经过环形器4、耦合器3进入光栅对2中的光纤光栅并产生反射波长，该反射波长的反射峰的中心波长随外界应力变化而变化，该反射波长再顺序通过耦合器3、环形器4进入光栅分析模块6进行分析得到应力数字信号。

其中，光栅对2由两根结构相同或相似的光纤光栅组成，此处相似是指：两根光纤光栅的误差在本领域技术人员可接受的范围内，由于实际情形中很难找到两根结构完全相同的光纤光栅，因此更多应用的是结构相似的光纤光栅。其中，光栅对2的两根光纤光栅采用两端粘贴的方式固定于弹性体1上，其中两端粘贴是指：避免直接将光栅对与弹性体接触，因此光栅对不会受到弯曲的影响；当弹性体1受外界应力作用时，两根光纤光栅中一根产生拉伸作用，另一根产生对应的压缩作用，从而实现温度自补偿和遏制啁啾效应。其中，由于几乎不可能找到两根完全相同的光纤光栅，因此会存温差，这可以在应力传感器做好之后进行温度由低到高的标定实验，将温度引起的波长变化值存入光栅分析模块6作为补偿即可。

其中，光栅对2中两光纤光栅固定在弹性体的方式更加优选的是：先对光纤光栅进行预紧，产生内应力，然后再将其两端以粘贴的方式固定在弹性体上；此种方式可以取得非常好的甚至是意料不到的遏制弹性体应变不均匀而带来的反射波长的啁啾效应的作用。

其中，在同一应力传感器中可以同时设置多组前述的光栅对2，一般均在两组以上。其光栅对2的具体数量是成本与灵敏度平衡的结果，具体的：假设一组光栅对在力F的作用下产生的波长变化为△λ，则两组光栅对其变化相加得到2△λ，用F/△λ表示每波长所代表的力值，即分辨力，则很明显光栅对越多分辨力越小、灵敏度越好，其中光栅对的数量由光栅分析模块的精度而定，精度越高可以增加的光栅对数量越多，应力传感器的灵敏度越好、精度也越高，但成本也越高。

其中，弹性体1可以为悬臂梁、柱式结构、筒式结构或环式结构，最常见的是悬臂梁。当弹性体1为悬臂梁时，光栅对中的两根光纤光栅设置于悬臂梁的上、下表面，如图2所示是光纤对安装于悬壁梁时的安装示意图，其中11表示粘结点，21表法光纤光栅，R表示外圆半径，r表示内圆半径。其中悬臂梁的中间可以开圆孔，使悬臂梁变成两根平行梁，改变其弯矩特性，这样不仅有利于提高传感器的抗偏载特性还有利于提高其灵敏性同时也有利于增大传感器的使用体积，若不开孔，则必须减小悬臂梁的体积才能增加传感器的灵敏性，但体积减少以后不利于实际应用的安装，因此在悬臂梁中间开孔能够有效的将抗偏载特性与实用性良好的结合。当悬臂梁右端受到向下的力作用时，悬臂梁上部拉伸其内应力增加使光栅反射波长增加，悬臂梁下部受到压缩由于光栅是预先拉紧再粘贴的则其内应力减小使光栅反射波长减小。当温度变化时，两光纤光栅变化量相同，从而可以实现温度补偿效果。

其中，如图3（a）至（c）所示，是几种常见弹性体的光纤光栅粘结简图。其中，图3（a）是圆柱体实心结构，上下表面呈弧性，有利于单点受力。圆柱式结构具有承载力极大的特点。把圆柱体表面抛光后将光栅直接用两端粘贴在上面即可。图3（b）为S型弹性体，该结构常用于力值测量偏小但精确度要求高的场合。S型弹性体中间开挖圆槽，将光栅粘贴在圆槽内。图3（c）为环式弹性体，其主要应用方向为微弱力值的测量，其变形量较大，将光栅对粘贴在弹性体的薄壁外表面能满足一些微力值的测量场合。以上三种作为竖向受力的方式，从力值测量大小的角度提出三种结构，其主要特点是光栅对一竖一横粘贴，确保一个光栅产生拉伸作用，另一个产生压缩作用，根据具体设计可以在正反面或者对称部位增加光栅对。

其中，光栅分析模块6的结构如图4所示，其包括：准直镜61、色散单元62、聚光透镜63、探测单元64、控制电路65、DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理器）66和存储器67，分别依次对输入的光信号进行准直、色散、聚光、探测、控制、数字信号处理和存储。其中色散单元62可以采用VPHG（VolumePhase Holographic grating,透射式全息体相位衍射光栅），探测单元64主要将多波长的光信号转换成数字处理器可处理的电信号，可以采用线阵铟砷化镓PIN二极管光电探测阵列，其中PIN二极管是指在P（磷）和N（氮）半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层，组成P-I-N结构的二极管。采用VPHG配合线阵铟砷化镓PIN二极管光电探测阵列的方式可以比以往利用光谱仪探测反射波长大大降低成本，并且支持探测60个峰值，也即同时能探测30组光栅对。控制电路65主要是输出驱动时序，只有当定时、驱动控制脉冲与铟砷化镓传感器良好的配合才能充分发挥其光电转换功能。DSP66是处理含有光谱信息的电信号，进行存储、打印、显示、输出并与上位机通讯等功能。

本发明实施例，具有温度自补偿和遏制啁啾效应的作用，下面具体分析原因：

光纤光栅的布拉格波长可表示如下：

λ_B=2n_effΛ    (1)

式中：λ_B为布拉格波长，Λ为光栅条纹周期，n_eff为光纤有效折射率。

当光纤光栅受到轴向应力或者温度变化影响时，光纤光栅的几何尺寸将发生变化，引起有效折射率和光栅周期的变化，进而改变布拉格波长

△λ_B/λ_B=(1-P_e)△ε+[+(1-P_e)a_sub]ΔT   (2)

式中：P_e为光纤光栅弹光系数，△ε为应变变化，ζ为光纤材料热光系数比，a_suba_sub为光纤光栅附着的基体材料的热膨胀系数，△T为温度变化。

以悬臂梁作为弹性体结构为列作为研究对象，如图5所示是悬臂梁受力变形示意图：

根据材料力学原理，梁ABCD受力F作用后，若l>5h，则该悬臂梁可等效于受横力作用，其受力后变形如AB′CD′所示，弹性变形阶段，中性面EE′长度保持l不变。AB′增大，CD′减小。增大与减小量相同，用应变ε表示为：

ε=Mh/2EI    (3)

式中，M为梁截面的弯矩，h为梁高，E为弹性模量，I为截面惯性矩。

考察AB′整个边的应变，设梁的宽度为b，则M=Fl，I=bh³/12，故在其表面粘贴光纤光栅后：

△λ_B1/λ_B1=6(1-P_e)Flh/Ebh³+[ζ+(1-P_e)a_sub]△T    (4)

考察CD′整个边的应变,设梁的宽度为b，则M=-Fl，I=bh³/12，故在其表面粘贴光纤光栅后：

△λ_B2/λ_B2=-6(1-P_e)Flh/Ebh³+[ζ+(1-P_e)a_sub]△T    (5)

由此可见，当梁的几何尺寸及材料构成固定时，反射波长与外界作用力成正比，与温度变化也成正比。若采用两根结构相近的光纤光栅作为一组光栅对时，光栅对2如图6所示，其一边受拉伸作用，一边受压缩作用。其反射波长分别为λ_B1、λ_B2,则λ_B1≈λ_B2，将其分别粘贴在上下表面，则有两布拉格波长变化之差△λ为：

△λ=△λ_B1-△λ_B2≈12(1-P_e)Flhλ_B1/Ebh³=(1-P_e)Flhλ_B1/EI    (6)

由式（6）可以看出，采用合适的安装之后，光纤光栅反射中心波长变化只与外界作用力成正比，而与温度无关。

本发明实施例，由实验室前期试验可得到以悬臂梁为弹性体的光纤光栅应力传感器能够满足最大当量误差为2.6%。一般工作测力仪的精度为2级，即当量误差为2%，因此该传感器接近实用水平。综合应用考虑，由于弹性体的制作工艺，光纤光栅的粘贴水平，仪器误差等原因，传感器的线性水平还有待于进一步提高。光纤光栅在弹性变化范围内受拉力作用其波长变化可达4nm，所以在生产加工中可以将光纤光栅施加一定拉力使其波长变化1nm后固定在支架上面，待将光栅粘贴好后再去除支架。这样可以保证光栅预紧的状态。通过改变弹性体结构还可以进一步提高传感器的响应特性，可以通过选取不同的材质和设计不同的弹性体结构进行传感器灵敏特性的优化，如果能够达到精度为1%，则可以代替目前大多数工作测力仪，最终达到实用的效果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于光纤光栅的应力传感器，包括：光纤光栅和弹性体，其特征在于：所述光纤光栅包括：至少一组光栅对，所述光栅对由两根结构相同或相似的光纤光栅组成，所述两根光纤光栅均采取两端粘贴的方式固定于所述弹性体上，且所述两根光纤光栅在所述弹性体上的设置方式使：当所述弹性体受外界应力作用时，其中一根光纤光栅产生拉伸作用，另一根光纤光栅产生对应的压缩作用。

2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的应力传感器，其特征在于：所述两根光纤光栅均先预紧，然后两端粘贴于所述弹性体上。

3.如权利要求1或2所述基于光纤光栅的应力传感器，其特征在于：所述弹性体为悬臂梁、柱式结构、筒式结构或环式结构。

4.如权利要求3所述的基于光纤光栅的应力传感器，其特征在于：所述弹性体为悬臂梁时，所述两根光纤光栅分别设置在所述悬臂梁的上、下表面。

5.如权利要求4所述的基于光纤光栅的应力传感器，其特征在于：所述悬臂梁的中间设有至少一圆孔。

6.如权利要求4所述基于光纤光栅的应力传感器，其特征在于：所述悬臂梁的中间设有双圆孔。

7.如权利要求1或2所述基于光纤光栅的应力传感器，其特征在于：还包括：耦合器、环形器、激光器和光栅分析模块，所述应力传感器的光路为：从所述激光器发出的光顺序经过所述环形器、耦合器进入所述光栅对中的光纤光栅产生中心波长随外界应力变化而变化的反射波长，所述反射波长再顺序通过所述耦合器、环形器进入所述光栅分析模块进行分析得到应力数字信号。

8.如权利要求7所述的基于光纤光栅的应力传感器，其特征在于：所述光栅分析模块包括：准直镜、色散单元、聚光透镜、探测单元、控制电路、数字信号处理器DSP和存储器，分别依次用于对输入的光信号进行准直、色散、聚光、探测、控制、数字信号处理和存储。

9.如权利要求8所述的基于光纤光栅的应力传感器，其特征在于：所述色散单元采用透射式全息体相位衍射光栅VPHG，所述探测单元采用线阵铟砷化镓PIN二极管光电探测阵列。

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