CN105004279A - 基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置及制作方法。本发明利用增敏结构和基底材料热膨胀系数的差异，在高温环境下基底材料的热膨胀和增敏结构的热膨胀相互抵消，从而消除基底热应变对传感器应变精确测量的影响。本发明设计的珐珀应变传感器装置输入输出为同一根光纤，结构简单、灵敏度高，能够精确消除高温环境下基底产生的热应变对珐珀应变传感器测量精度的影响。

Description

基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置及制作方法
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置及制作方法的设计。
背景技术
光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一，具有体积小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、远距离传输等优点，可以用来检测多种物理量，比如应变、温度、压力、声场、电场、振动、加速度等。光纤珐珀应变传感器就是其中的一员，它广泛应用在桥梁、天平结构、石油管道等大型工程结构的实时健康检测中。光纤珐珀应变传感器受温度和应变的双重影响，尤其在测量应变的场合中，受温度影响极大，因此在测量应变时去除温度的影响有很大的实际意义，但是，在高温环境下要精确消除基底产生的热应变对传感器的影响或同时实现应变和温度分离的精确测量却一直是一个难题。
目前，在光纤传感领域，作为应变、温度测量的主要是布拉格光纤光栅和珐珀干涉腔。基于悬臂梁结构的珐珀应变传感器，一种方法是采用并联双路珐珀干涉腔分析技术来消除悬臂梁基底热应变对力应变测量的影响，但由于基底对两只珐珀传感器的热应变不会完全一样，因此也不能精确消除热应变导致的误差；另一种方法是使用高温光纤温度传感器FBG和应变传感器一并固定在基底上，实现热应变和力应变的分离，但是由于在高温测量过程中FBG测量的滞后性使得应变传感器和温度传感器测量的不是同一个温度点的应变，导致测量误差。
以上传感器都没有涉及如何提高应变传感器的灵敏度和精确消除基底的热应变产生的影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中光纤珐珀应变传感器无法精确消除基底的热应变产生的影响的问题，提出了一种基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置及制作方法。
本发明的技术方案为：一种基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置，包括基底、增敏结构以及珐珀应变传感器；增敏结构包括分别焊接于基底上的第一金属片和第二金属片，珐珀应变传感器分别与第一金属片和第二金属片焊接，两焊点的间距与两金属片的间距相等。
优选地，珐珀应变传感器包括第一光纤、第二光纤以及珐珀腔；第一光纤与第二光纤材料相同，第一光纤焊接于第一金属片上，第二光纤焊接于第二金属片上，珐珀腔位于第一光纤和第二光纤之间，珐珀腔与第一金属片及第二金属片的间距相等。
优选地，第一金属片与基底的材料相同，与第二金属片的材料不同。
优选地，增敏结构还包括连接第一金属片和第二金属片的连接臂。
优选地，第一金属片与第二金属片的材料相同，与基底的材料不同。
优选地，第一金属片和第二金属片的前端均可自由伸缩。
本发明还提供了一种基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置的制作方法，包括以下步骤：
S1、在切平的第一光纤端面通过激光微加工一个圆孔，然后再与一端切平的第二光纤熔接，形成具有珐珀腔的珐珀应变传感器；
S2、将第一金属片和第二金属片焊接在基底上；
S3、将珐珀应变传感器分别焊接于第一金属片和第二金属片上，使两焊点的间距与两金属片的间距相等且珐珀腔与第一金属片及第二金属片的间距相等。
进一步地，步骤S1中圆孔的直径为40-50μm。
进一步地，步骤S2中采用激光焊接工艺将第一金属片和第二金属片焊接在基底上。
进一步地，步骤S3中通过激光焊接工艺，使用高温玻璃焊料将珐珀应变传感器分别焊接于第一金属片和第二金属片上。
本发明的有益效果是：
(1)该珐珀应变传感器装置具有应变放大功能和温度补偿作用。
(2)高温环境下可以消除基底热应变对传感器应变精确测量的影响。
(3)该珐珀应变传感器装置输入输出为同一根光纤，结构简单，便于批量安装。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置结构示意图。
图2为本发明提供的珐珀应变传感器装置中的珐珀应变传感器结构示意图。
图3为将本发明提供的一种基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置应用于解调系统的示意图。
图4为本发明提供的一种基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置的制作方法流程图。
附图标记说明：1—基底、2—第一金属片、3—第二金属片、4—连接臂、5—珐珀应变传感器、51—第一光纤、52—第二光纤、53—珐珀腔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置，如图1所示，包括基底1、增敏结构以及珐珀应变传感器5。
其中，增敏结构包括通过激光焊接工艺分别焊接于基底1上的第一金属片2和第二金属片3，以及连接第一金属片2和第二金属片3的连接臂4。第一金属片2与第二金属片3的材料相同，与基底1的材料不同。
特别地，当测量结果足够稳定前提下可去掉连接臂4，此时第一金属片2与基底1的材料相同，与第二金属片3的材料不同。
第一金属片2和第二金属片3的间距为L3。
第一金属片2和第二金属片3的前端均可自由伸缩，其中，第一金属片2前端的自由伸缩长度为L1，第二金属片3前端的自由伸缩长度为L2。
如图2所示，珐珀应变传感器5包括第一光纤51、第二光纤52以及珐珀腔53。
第一光纤51与第二光纤52材料相同。
第一光纤51焊接于第一金属片2上，第二光纤52焊接于第二金属片3上，两焊点的间距与两金属片的间距相等，也为L3。
珐珀腔53位于第一光纤51和第二光纤52之间。
珐珀腔53与第一金属片2及第二金属片3的间距相等，均为L3/2。
珐珀腔53的形成过程为：在切平的第一光纤51端面通过157nm激光微加工一个40-50μm的圆孔，然后再与一端切平的第二光纤52熔接，形成珐珀腔53。
在去掉连接臂4，即第一金属片2与基底1的材料相同，与第二金属片3的材料不同的情况下，该珐珀应变传感器装置具有应变放大功能和温度补偿作用，在高温环境下基底1热应变完全被抵消需要满足公式(1)：
(L1+L2+L3)×a1-L1×a1-L2×a2＝0  (1)
式中L1为第一金属片2前端的自由伸缩长度，L2为第二金属片3前端的自由伸缩长度，L3为两片金属片的间距，a1为基底1和第一金属片2的热膨胀系数，a2为第二金属片3的热膨胀系数。
同时通过软件模拟可知珐珀应变传感器5的应变放大倍数为K需要满足公式(2)：
K = L 1 + L 2 L 3 - - - ( 2 )
在未去掉连接臂4，即第一金属片2与第二金属片3的材料相同，与基底1的材料不同的情况下，高温环境中，由于基底1产生热应变将珐珀腔53拉伸的长度变化Δd1与增敏结构产生热应变将珐珀腔53压缩的长度变化Δd2相等，即
Δd1＝Δd2＝[(L1+L2+L3)×a3-L3×a4]×T  (3)
式中L1为第一金属片2前端的自由伸缩长度，L2为第二金属片3前端的自由伸缩长度，L3为两片金属片的间距，a3为基底1的热膨胀系数，a4为第一金属片2与第二金属片3的热膨胀系数，T为温度。
这样就消除了基底热应变对传感器应变值精确测量的误差。
如图3所示，将本发明提供的一种基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置应用于解调系统时，选择一宽带光源作为信号光源，发出的光经过2*1耦合器到达第一光纤51，然后再传输到珐珀腔53，在珐珀腔53内形成干涉谱。之后干涉谱由第一光纤51通过2*1耦合器传输到解调仪，通过解调仪可得出施加在被测结构上的应变值。
本发明还提供了一种基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置的制作方法，如图4所示，包括以下步骤：
S1、在切平的第一光纤51端面通过157nm激光微加工一个40-50μm的圆孔，然后再与一端切平的第二光纤52熔接，形成具有珐珀腔53的珐珀应变传感器5；
S2、采用激光焊接工艺将第一金属片2和第二金属片3焊接在基底1上；
S3、通过激光焊接工艺，使用高温玻璃焊料将珐珀应变传感器5分别焊接于第一金属片2和第二金属片3上，使两焊点的间距与两金属片的间距相等且珐珀腔53与第一金属片2及第二金属片3的间距相等。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置，其特征在于，包括基底(1)、增敏结构以及珐珀应变传感器(5)；所述增敏结构包括分别焊接于基底(1)上的第一金属片(2)和第二金属片(3)；所述珐珀应变传感器(5)分别与第一金属片(2)和第二金属片(3)焊接，两焊点的间距与两金属片的间距相等。
2.根据权利要求1所述的珐珀应变传感器装置，其特征在于，所述珐珀应变传感器(5)包括第一光纤(51)、第二光纤(52)以及珐珀腔(53)；所述第一光纤(51)与第二光纤(52)材料相同；所述第一光纤(51)焊接于第一金属片(2)上，第二光纤(52)焊接于第二金属片(3)上；所述珐珀腔(53)位于第一光纤(51)和第二光纤(52)之间；所述珐珀腔(53)与第一金属片(2)及第二金属片(3)的间距相等。
3.根据权利要求1所述的珐珀应变传感器装置，其特征在于，所述第一金属片(2)与基底(1)的材料相同，与第二金属片(3)的材料不同。
4.根据权利要求1所述的珐珀应变传感器装置，其特征在于，所述增敏结构还包括连接第一金属片(2)和第二金属片(3)的连接臂(4)。
5.根据权利要求4所述的珐珀应变传感器装置，其特征在于，所述第一金属片(2)与第二金属片(3)的材料相同，与基底(1)的材料不同。
6.根据权利要求1所述的珐珀应变传感器装置，其特征在于，所述第一金属片(2)和第二金属片(3)的前端均可自由伸缩。
7.一种基于增敏结构温度补偿的珐珀应变传感器装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在切平的第一光纤(51)端面通过激光微加工一个圆孔，然后再与一端切平的第二光纤(52)熔接，形成具有珐珀腔(53)的珐珀应变传感器(5)；
S2、将第一金属片(2)和第二金属片(3)焊接在基底(1)上；
S3、将珐珀应变传感器(5)分别焊接于第一金属片(2)和第二金属片(3)上，使两焊点的间距与两金属片的间距相等且珐珀腔(53)与第一金属片(2)及第二金属片(3)的间距相等。
8.根据权利要求7所述的珐珀应变传感器装置的制作方法，其特征在于，所述步骤S1中圆孔的直径为40-50μm。
9.根据权利要求7所述的珐珀应变传感器装置的制作方法，其特征在于，所述步骤S2中采用激光焊接工艺将第一金属片(2)和第二金属片(3)焊接在基底(1)上。
10.根据权利要求7所述的珐珀应变传感器装置的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中通过激光焊接工艺，使用高温玻璃焊料将珐珀应变传感器(5)分别焊接于第一金属片(2)和第二金属片(3)上。
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