CN104655315A - 一种预应变光纤光栅及其传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应变光纤光栅及其传感器，是一种基于预应变技术和温度同时测量的单光纤光栅传感器。对一根光纤光栅施加一定的预应力，将其一半固定地粘贴在金属片上，另一半裸露不封装。待应力释放后，裸光纤光栅部分变形恢复，整个光纤光栅各部分应变平衡后，就具有两个反射（或透射）峰。该传感器包括：宽带光源、带包层的光纤、波长测试仪、光纤耦合器、匹配液及光纤连接器等。其两个反射（或透射）峰对温度和应变具有不同的响应属性。实用中，只要测得两个反射（或透射）峰之间的波长差，即可实现应变和温度的同时测量。

Description

一种预应变光纤光栅及其传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传感领域里的一种发明设计，是基于预应变光纤光栅技术及其传感器技术领域。

背景技术

光纤光栅是以输出光波长为信息的一种新型光子器件。光纤光栅传感器用于应力、应变和温度、温变测量，具有方便、灵敏、精度高、耐酸碱、抗电磁干扰等诸多优良特性，现已被广泛应用于工业、建筑业、国防和科学研究等各个领域。但由于光纤光栅对温度和应变同时敏感，从而导致测量过程的温度和应变的交叉敏感效应，使光纤光栅波长的响应无法反映温度和应变各自引起的波长变化。为了解决这一难题，人们提出了一些解决方案。典型的现有方案有光纤光栅组合法、。光纤光栅F-P腔法、聚合物封装光纤光栅法等。这些方案前者需要多个光纤光栅，中者需要两套解调系统，后者需要聚合物具有良好的温度特性，这些条件限制了光纤光栅传感的实际应用。检索结果表明，目前没有一种基于预应变的光纤光栅技术，并将其用于应变和温度传感测量的光纤光栅传感器。

发明内容

本发明的目的是设计出一种预应变技术的光纤光栅及其传感器，该传感器可用于需要同时测量应变和温度的各种场合和场地。其技术方案是：首先在同一种光纤上写入光纤光栅；然后，在加有一定预应力的状态下，将光纤光栅的一半固定地粘贴在衬底材料上，待应力释放后，裸光纤光栅部分变形恢复，其中心反射（或透射）波长不变，而粘贴在金属片上的部分光纤光栅，由于存在应变，其栅格周期发生了变化，从而导致这部分光纤光栅的中心反射（或透射）波长改变；最后，待整个光纤光栅各部分应变平衡后，就具有两个反射（或透射）峰。

经预应变技术处理后的光纤光栅，由于具有两个对应变和温度不同响应的反射（或透射）峰，以此研制的光纤光栅传感器可以对应变和温度同时测量。实用中，只要测得两个反射（或透射）峰之间的波长差，由下列应变-温度关系式，即可求得待测体的应变和温度值。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{K}_1\left(\mathrm{\ϵ}\right)& K_1\left(T\right)\\ K_2\left(\mathrm{\ϵ}\right)& K_2\left(T\right)\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\ϵ}\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中的Δλ_B1、Δλ_B2分别为两段光栅的中心波长的漂移量，K_i(ε)、K_i(T)(i=1,2)

分别是应变传感和温度传感系数，△ε、△T分别是整个光栅区或发生的应变和温度变化。

本发明的有益效果是预应变技术，仅用一只光纤光栅设计的传感器，在各种场合和场地可同时测量应变和温度。

附图说明

图1是预应变光纤光栅传感头结构图。

图2是由预应变光纤光栅构成的传感器结构示意图。

图3（a）是应变为Ομε状态下的光谱图。

图3(b)是应变为1834.7με状态下的光谱图。

图4（a）是温度为4℃状态下光谱图。

图4(b)是40℃状态下光谱图。

具体实施方式

按图所示:传感头（5）,一半是裸光纤布拉格光栅（1），一半是粘贴铝片的光纤布拉格光栅（2），铝片衬底（3），带包层的光纤（4），宽带光源（6），波长测试仪（7），2×2光纤耦合器（8），匹配液（9），连接方式：2×2光纤耦合器（8）一侧的两根光纤，一根插入匹配液（9），另一根连接传感头（5）（光纤布拉格光栅1和2），并将其与应变、温度控制装置相连接；2×2光纤耦合器（8）另外一侧的两根光纤，一根接宽带光源（6），另一根连接波长测试仪（7）。

传感器所用的光纤布拉格光栅是利用相位掩膜法制作的，其长度为10mm.采用预应变技术制作光纤光栅传感头，即普通单模光纤经载氢处理后，通过紫外侧直写入，在加有一定应力的状态下，将已写好的光纤光栅的一半牢固的粘于铝片上。待应力释放后，裸光栅部分变形恢复，其中心透射波长不变；而粘贴在铝片上另一半光纤光栅，由于存在预应变，其栅格周期A发生了变化，从而导致这部分光纤光栅的中心反射（或透射）波长改变，因此整个光纤光栅具有两个透射峰。在室温20℃条件下，两个透射峰的中心波长分别为1558.80nm和1560.04nm。图3（a）是应变为Ομε状态下的光谱图，因此两个透射损耗峰分开一定距离，裸光纤光栅的透射波长为1558.80nm，粘于铝片上的光纤光栅透射波长为1560.04nm；图3(b)是应变为1834.7με状态下的光谱图，此时两个透射损耗峰重合，其中心透射波长皆为1560.04nm。图4是不同温度状态下光纤光栅两部分温度传感光谱图，其中（a）是温度为4℃状态下光谱图，(b)是40℃状态下光谱图。

根据实际测量数据，得到的（1）式测量拟合值为

由（2）式可知，粘于铝片的光纤光栅的应变传感系数是0nm/με，温度传感系数是5.32×10^-2nm/℃；裸光纤光栅的应变传感系数是7×10^-4nm/με，温度传感系数是1.07×10^-2nm/℃。

在实测应变和温度时，系统首先测量传感光纤光栅的两个透射之间的波长差，然后由相关的软件根据（2）式即可得到应变△ε和温度变化△T的具体数据。

Claims (1)

1.一种预应变光纤光栅及其传感器，其特征在于：包括光纤布拉格光栅，其特征在于：对一根光纤光栅施加一定的预应力，将其一半固定地粘贴在衬底材料上，另一半裸露。待应力释放后，裸光纤光栅部分变形恢复，整个光纤光栅各部分应变平衡后具有两个反射（或透射）峰。