CN105043425A - 一种振弦式光纤光栅传感器及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振弦式光纤光栅传感器及其制作工艺，其原理是通过在微细光纤外镀上光热材料薄膜，当微细光纤张紧后其上面有应变产生。通过外加激光驱动弦振动，当外加激光的频率与弦的固有频率相等时弦发生谐振。当弦受到的外界物理量作用发生变化时弦上受到的应力也随之改变，其谐振频率也相应的发生变化，通过测量光纤弦式传感器的不同固有谐振频率来测量外界物理量的变化。本发明采用腐蚀工艺，制作振弦式传感器方法和步骤简单，具有结构简单、成本低、可重复大规模生产、灵敏度高、精度高和分辨率高等优点。本发明通过测量光纤弦式传感器的不同固有谐振频率来测量外界物理量的变化。

Description

一种振弦式光纤光栅传感器及其制作工艺

技术领域

本发明涉及的是在光纤传感器结构领域，特别涉及一种利用测量微光纤振弦的不同固有谐振频率来测量外界物理量变化的弦式传感器。

技术背景

光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一，具有体积小、精度高、抗电磁干扰等优点。光纤传感器发展到现在，已经可以探测很多的物理量，给人们的生活带来了极大的益处，其中探测的物理量有电压、电流、加速度、流速、压力、温度、位移、生物医学量及化学量等等，其中光纤振弦式传感器就是这些中的一员。光纤布拉格光栅具有成本低、体积小、抗电磁干扰、可靠性高等优点，特别适用于辐射性、强磁场、腐蚀性或危险性大的环境中物理参量的测量，是目前最具发展前景的一类光纤传感器。目前测量外界物理量变化的传感器主要有光纤法珀传感器、FBG等。

传统的弦式传感器大都是直接采用电磁激励的方法使弦振动，改变其固有频率，这种系统接有复杂的电路，结构复杂。目前还没有使用光学激励的方法使弦振动，通过测量其不同的固有谐振频率来测量外界物理量变化。振弦式传感器具有非常高的精度和分辨率，受到越来越多的关注。

弦的固有频率为T为弦受到的张力，ρ为弦的线密度，L为弦的长度，例如当弦受到外界物理量作用时，T和L发生变化，此时弦的固有频率发生变化，通过测量不同的固有谐振频率来测量外界物理量的大小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种重复性、分辨率和稳定性良好、通过测量弦的不同固有谐振频率来测量外界物理量变化的振弦式光纤传感器。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：测量微光纤振弦的不同固有谐振频率的实现有三种方法，1)在微光纤外镀上一层光热材料，当光通过微光纤时由于在其周围存在倏逝场，光热材料吸收光引起光纤收缩，从而使弦起振。2)在微光纤外镀上一层导电物质，将弦式传感器置于永久磁场中，与磁力线相垂直，弦式传感器与导线形成一个回路，当有电流通过时，弦上受到作用力，在该作用力下，弦在其固有频率上开始振动。3)980泵浦激光器尾纤引出的单模光纤与微光纤相互垂直放置，激光器发出的激光到达引出的单模光纤端面，微光纤在光梯度力的作用下开始起振。在以上三种方法使弦起振的基础上，当外界物理量作用在弦式传感器上时，此时弦的固有频率发生变化，引起FBG的波长也发生漂移，通过解调系统使用FBG测得弦的不同的固有谐振频率，进而得出外界物理量的变化。

振弦式光纤传感器的形成过程包括：首先利用载氢光纤材料的光敏性，通过紫外曝光的方法在剥去涂覆层的一段光纤上制作FBG。其次将一定浓度的HF酸溶液添加到塑料管中，取制作好FBG的光纤①，将中间制作FBG的部分放入到HF酸溶液中腐蚀，腐蚀一段时间后取出光纤，将光纤在清水中清洗。最后再在腐蚀的微光纤②外镀上一层特殊材料薄膜④，将制作好的传感器两端张紧，此时就形成了一个弦式传感器。

本发明的有益效果是：

1)微光纤外的光热材料薄膜可以激励光纤起振。

2)微光纤外的导电物质薄膜可以激励光纤起振。

3)微光纤在光梯度力的作用下开始起振。

4)光纤弦的振动引起上面光栅周期的改变，从而引起光纤光栅布拉格波长的漂移。

5)振弦式光纤光栅传感器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1一端安装在支架上的振弦式传感器示意图；

图2镀有光热材料的振弦式传感器系统示意图；

图3镀有导电物质的振弦式传感器系统示意图；

图4在光梯度力作用下的振弦式传感器系统示意图；

具体实施方式

本发明公开的振弦式传感器能感受外界很多不同的物理量，本发明使用三种方式来激励弦起振。

具体实施例1：微光纤外镀上光热材料④的振弦式传感器

1)权利要求1所述的振弦式传感器微光纤外面镀的是光热材料，将传感器一端固定在支架上，另一端张紧使用高温粘贴剂⑦固定在被测基底⑥上。

2)选择一宽带光源作为信号光源，发出的光经过2*1耦合器到达单模光纤①，然后到达FBG③和光热材料④处，光热材料可以激励微光纤起振。

3)改变外界物理量给基底施加不同的影响，使得弦的固有频率发生变化，引起FBG的波长漂移。

4)通过解调系统使用FBG测得弦的不同的固有谐振频率，进而得出外界施加的物理量的大小。

具体实施例2：微光纤外镀上导电物质④的振弦式传感器

1)权利要求1所述的振弦式传感器微光纤外面镀的是导电物质，将微光纤两端张紧使用高温粘贴剂⑦固定在待测基底上⑥上。

2)将微光纤的右端连接在光探测器的一端上，从探测器另一端引出的导线⑧和微光纤的左端形成回路。将弦式传感器置于永久磁场中，与磁力线相垂直。

3)选择一宽带光源作为信号光源，发出的光经过2*1耦合器到达单模光纤①，然后到达FBG③、导电物质④和光探测器处，产生的光电流经过导线进入导电物质，在磁场作用下引起弦的振动。

4)改变外界物理量给基底施加不同的影响，使得弦的固有频率发生变化，引起FBG的波长漂移。

5)通过解调系统使用FBG测得弦的不同的固有谐振频率，进而得出外界施加的物理量的大小。

具体实施例3：利用光梯度力的振弦式传感器

1)权利要求1所述的振弦式传感器，将微光纤两端张紧使用焊料⑦固定在待测基底上⑥上。

2)微光纤的另一端连接在解调系统上。

3)980泵浦激光器发出的光到达单模光纤⑨的端面，微光纤在光梯度力的作用下开始起振。

4)改变外界物理量给基底施加不同的影响，使得弦的固有频率发生变化，引起FBG的波长漂移。

5)通过解调系统使用FBG测得弦的不同的固有谐振频率，进而得出外界施加的物理量的大小。

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 (4)

1.一种测量振弦固有振动频率的振弦式传感器，包括单模光纤①、制作好的FBG③、在FBG上腐蚀后的微光纤②、微光纤外镀上的一层特殊材料④和支架⑤。

2.一种振弦式光纤光栅传感器及其制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、首先利用载氢光纤材料的光敏性，通过紫外曝光的方法在剥去涂覆层的一段光纤上制作FBG；

S2、将一定浓度的HF酸溶液添加到塑料管中，取制作好FBG的光纤①，将中间制作FBG的部分放入到HF酸溶液中腐蚀，腐蚀一段时间后取出光纤，将光纤在清水中清洗；

S3、再在腐蚀的微光纤②外镀上一层特殊材料薄膜④，将制作好的传感器两端张紧，此时就形成了一个弦式传感器。

3.根据权利要求1所述的光纤弦式传感器，输入输出为同一根光纤，具有结构简单、成本低、可重复大规模生产、灵敏度高、精度高和分辨率高等优点。

4.根据权利要求1所述的光纤弦式传感器，能够通过测量光纤弦式传感器的不同固有谐振频率来测量外界物理量的变化。