CN105333833B - 温度无关的光纤光栅应变传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温度无关的光纤光栅应变传感器，由基片、光纤光栅、光纤尾纤保护套管组成，基片内沿应变传感方向刻V形槽，并在V形槽两侧对称刻槽、在中部对称刻槽，形成补偿臂，光纤光栅安装在V形槽中，两端在补偿臂上设定的位置固定，从结构上消除了温度对应变测量的交叉干扰。该光纤光栅应变传感器结构简单、易于安装，能够实现温度无关的应变传感。

Description

温度无关的光纤光栅应变传感器
技术领域
本发明属于应变传感测量领域，涉及一种温度无关的光纤光栅应变传感器。
背景技术
光纤布拉格光栅是一种非常有实用价值的光学传感器，具有体积小、抗电磁干扰等优点。目前，光纤布拉格光栅在实际传感测量中，存在应变和温度交叉敏感问题。解决交叉敏感问题的技术方法主要有：双光栅法、光纤布拉格光栅-FP腔法、锥形光栅法、不同温度系数材料封装法、负温度膨胀系数封装法等。双光栅法采用参考光栅、双波长光栅或长周期光栅与布拉格光栅的组合，通过求解温度与应变的方程组实现应变的传感测量，该方法需要使用多光栅，需要对温度或应变进行隔离，传感器结构较为复杂。光纤布拉格光栅-FP腔法可通过测量反射光中峰值波长漂移以及光强变化实现温度和应变同时测量。锥形光纤光栅法通过功率测量实现温度和应变的同时测量，但精度和稳定性受到限制。不同温度材料系数封装法及负温度膨胀系数封装法均通过材料不同的热膨胀系数，消除温度的交叉干扰，但不同材料的匹配设计工艺较为复杂。因此，制作结构简单、消除温度交叉干扰的光纤光栅应变传感器是目前应变传感领域的一个问题。
本发明给出了一种温度无关的光纤光栅应变传感器，由基片、光纤光栅、光纤尾纤保护套管组成，基片内沿应变传感方向刻V形槽，并在V形槽两侧对称刻槽、在中部对称刻槽，形成补偿臂，光纤光栅安装在V形槽中，两端在补偿臂上设定的位置固定，从结构上消除了温度对应变测量的交叉干扰。该光纤光栅应变传感器结构简单、易于安装，能够实现温度无关的应变传感。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服应变传感测量过程中，温度的交叉干扰等问题，提出了温度无关的光纤光栅应变传感器，该传感器由基片、光纤光栅、光纤尾纤保护套管组成；基片内沿应变传感方向刻V形槽，并在V形槽两侧对称刻槽、在中部对称刻槽，形成补偿臂，光纤光栅安装在V形槽中，两端在补偿臂上设定的位置固定，通过补偿臂的热膨胀抵消由于温度引起的光纤光栅中心波长变化，从结构上消除了温度对应变测量的交叉干扰。该光纤光栅应变传感器结构简单、易于安装，能够实现温度无关的应变传感。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
本发明提供一种温度无关的光纤光栅应变传感器，所述的应变传感器由基片、光纤光栅、光纤尾纤保护套管组成；所述的基片内沿应变传感方向刻V形槽，并在所述的V形槽中部两侧对称刻槽，并且在V形槽中间部位垂直于V形槽刻槽，形成补偿臂，补偿臂一端为补偿臂的连接端，补偿臂另一端为补偿臂的自由端；所述的光纤光栅尾纤套入所述的光纤尾纤保护套管内然后安装在V形槽中，两端在所述的补偿臂上设定的位置固定；通过所述的基片上的四个安装孔将应变传感器安装在被测物体上，实现应力应变传感。
进一步的，所述的用于补偿臂的有效长度l1与光纤光栅两个固定点间的距离l2满足公式：
2α1l1-α2l2＝0
其中，α1为基片的线膨胀系数，α2为光纤光栅的热致应变系数；通过设计基片的结构尺寸，可实现温度无关的应变测量。
进一步的，所述的光纤为但不仅限于金属涂覆光纤或丙烯酸酯涂覆光纤，光纤光栅在光纤纤芯上，采用紫外激光或红外飞秒激光刻写而成。
进一步的，所述的基片的材料为但不仅限于不锈钢材料，厚度大于或等于1mm，能够实现压缩及拉伸方向的应变传感。
进一步的，所述的用于补偿臂之间的间隙为但不仅限于2mm，可由光纤光栅应变传感范围决定，通常为1％的应变量。
进一步的，所述的采用不限于焊锡、胶粘的方式固定光纤光栅，固定位置为光纤光栅栅区外的两端，可保证光栅谱型完好，不发生啁啾调制，提高传感解调精度。
本发明的原理在于：
温度无关的光纤光栅应变传感器，通过检测光纤光栅的中心波长实现对温度、应变等物理量的传感，光纤光栅的中心波长λB符合布拉格公式：
λB＝2neffΛ
其中，neff为光纤光栅等效折射率，Λ为光栅周期。
进一步的，当光纤光栅应变传感器仅受温度作用时，光纤光栅21本身受温度影响，中心波长发生漂移，漂移量为：
其中，ΔT为温度变化量，βT为温度响应系数。
进一步的，基片11上补偿臂12上的光纤固定点23向内膨胀了Δl1，由补偿臂12的有效长度l1，即光纤固定点23到补偿臂的连接端14的距离，以及基片的热膨胀系数α1决定，Δl1的计算公式为：
△l1＝-2α1△Tl1
进一步的，基片11上补偿臂12的膨胀作用，使额外的应变量作用在光纤光栅21上，此时光纤光栅21受额外应变引起的中心波长漂移量为：
其中，βε为应变响应系数；此时由温度引起的光纤光栅21中心波长漂移总量为：
进一步的，欲使光纤光栅应变传感器与温度无关，需满足公式△λB＝0，则：
2α1l1-α2l2＝0
其中，定义为光纤光栅的热致应变系数；则通过基片的结构尺寸设计，可以从结构尺寸上消除温度对应变量的交叉干扰。
进一步的，当被测物体发生应变时，通过安装孔16的传递，拉动或压缩补偿臂12，并作用于光纤光栅21，光纤光栅的中心波长漂移量为：
其中，l4为基片11上安装孔16距补偿臂12的连接端14的距离，其可以调节传感器的应变灵敏度。
本发明温度无关的光纤光栅应变传感器的有益效果是：
(1)、本发明在光纤光栅栅区外固定封装光栅，能保证光栅完好的反射谱型，提高传感解调精度。
(2)、本发明通过设计基片的结构尺寸，从结构上消除温度对应变测量的影响，且结构简单、易于安装。
附图说明
图1为温度无关的光纤光栅应变传感器结构示意图。
图2为光纤光栅应变传感器热膨胀下实现温度抵消的原理示意图。
图1中，11是片式封装应变片，12是补偿臂，13是补偿臂的自由端，14是补偿臂的连接端，15是V型槽，16是安装孔，21是光纤光栅，22是光纤尾纤保护套管，23是光纤固定点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明内容作进一步详细说明。
参考图1所示，采用紫外氩离子激光及相位掩模板法在金属涂覆光纤纤芯上刻写光纤布拉格光栅21，中心波长为1550nm，光纤涂覆层剥除长度为8.0mm，尾纤部分采用光纤尾纤保护套管22保护；光纤光栅21的温度响应系数为βT＝7.25×10-6/℃，应变响应系数为βε＝0.76×10-6/με，则光纤光栅21的热致应变系数为α2＝9.54με/℃。
选择不锈钢作为基片11材料，不锈钢的线膨胀系数为α1＝1.70×10-5/℃；则可设计基片11的厚度为2.0mm，宽度为14.0mm，总长度为l5＝30.0mm；补偿臂12的长度为6.8mm，有效长度为l1＝2.8mm，补偿臂12的宽度为4.0mm，补偿臂12的间距为2.0mm，补偿臂两侧刻槽宽度各为1mm；V型槽15宽度1.5mm，深度1.0mm，光纤光栅两个固定点23的距离为l2＝10.0mm；安装孔16到边缘的距离为l3＝4.0mm，尺寸为Φ2.0mm。
参考图2所示，当光纤光栅应变传感器仅受温度作用下，该结构设计尺寸满足2α1l1-α2l2＝0，能够达到温度抵消补偿效果，实现温度无关的应变测量；其中，应变灵敏度Kε为2.59pm/με。
基片11的尺寸加工精度为±0.1mm，光纤固定位置精度为±0.2mm，l1与加工精度和光纤固定位置精度有关，而l2仅与光纤固定位置精度有关；则光纤光栅应变传感器由于温度引起的应变误差为±0.024με/℃。
本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种温度无关的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的应变传感器由基片(11)、光纤光栅(21)、光纤尾纤保护套管(22)组成；所述的基片(11)内沿应变传感方向刻V形槽(15)，并在所述的V形槽(15)中部两侧对称刻槽，并且在V形槽(15)中间部位垂直于V形槽(15)刻槽，形成补偿臂(12)，补偿臂(12)一端为补偿臂的连接端(14)，补偿臂(12)另一端为补偿臂的自由端(13)；所述的光纤光栅(21)尾纤套入所述的光纤尾纤保护套管(22)内然后安装在V形槽(15)中，两端在所述的补偿臂(12)上设定的位置固定；通过所述的基片(11)上的四个安装孔(16)将应变传感器安装在被测物体上，实现应力应变传感；
用于补偿臂(12)的有效长度l1与光纤光栅两个固定点(23)间的距离l2满足公式：
2α1l1-α2l2＝0
其中，α1为基片(11)的线膨胀系数，α2为光纤光栅(21)的热致应变系数；通过设计基片(11)的尺寸，从结构上可消除温度干扰，实现温度无关的应变测量。
2.根据权利要求1所述温度无关的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的光纤光栅(21)是由紫外或红外飞秒激光刻写制成，所用光纤为金属涂覆光纤或丙烯酸酯涂覆光纤。
3.根据权利要求1所述温度无关的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的基片(11)的材料为不锈钢材料，厚度大于或等于1mm，能够实现压缩及拉伸方向的应变传感。
4.根据权利要求1所述温度无关的光纤光栅应变传感器，其特征在于，用于补偿臂(13)之间的间隙为2mm，可由光纤光栅应变传感范围决定。
5.根据权利要求1所述温度无关的光纤光栅应变传感器，其特征在于，采用焊锡或胶粘的方式固定光纤光栅(21)，固定位置为光纤光栅(21)栅区外的两端，可保证光栅谱型完好，不发生啁啾调制，提高传感解调精度。
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