CN106441387B - 一种具有增敏效应的高灵敏度光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有增敏效应的高灵敏度光纤光栅传感器，包括光纤纤芯和包层，所述纤芯通过设置在所述包层内部的通孔而嵌入在所述包层内部，所述包层是沿着所述纤芯为轴的轴对称结构，从外到内依次进一步包括：对称设置的扁圆形端部，对称设置的中空内层部，以及夹在所述中空内层部之间的主体部，所述扁圆形端部和中空内层部之间具有第一凹陷区，间隔第一间距，所述主体部和所述中空内层部之间具有第二凹陷区，间隔第二间距，所述中空内层部中分别设置有与所述光纤纤芯的长度方向垂直的细槽。

Description

一种具有增敏效应的高灵敏度光纤光栅传感器

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感器，特别涉及一种具有增敏效应的高灵敏度光纤光栅传感器。

背景技术

光纤传感技术自上世纪七十年代以来经过四十余年的发展，光纤传感器以其抗电测干扰、耐腐蚀、高绝缘性、测量范围宽、便于复用成网、可微型化等优点得到世界范围的广泛关注。各种基于光纤光栅原理的测控单元先后面世，一部分光纤光栅传感技术成果已从实验室推出，步入商用阶段，如温度传感器、位移传感器、应变传感器、应力传感器、加速度传感器等，这些传感器已成功用于大型结构工程、电力工程、岩土工程、交通工程、采矿工程、爆破工程、石油化工、航空航天、生物医学、船舶、石油勘探以及军事武器装备等领域。随着应用成果的日益增多，光纤光栅已成为目前最具发展前途、最具代表性的光纤无源器件之一。

现有光纤传感器基于光纤光栅的测量是建立在单点信号测量为单元的基础上，无法实现和满足千余计通道、大容量和分布式网络化空间载荷测量。

因此，需要一种能有效解决上述问题的光纤光栅传感器。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种具有增敏效应的高灵敏度光纤光栅传感器，包括光纤纤芯和包层，其特征在于，所述纤芯通过设置在所述包层内部的通孔而嵌入在所述包层内部，所述包层是沿着所述纤芯为轴的轴对称结构，从外到内依次进一步包括：对称设置的扁圆形端部，对称设置的中空内层部，以及夹在所述中空内层部之间的主体部，所述扁圆形端部和中空内层部之间具有第一凹陷区，间隔第一间距，所述主体部和所述中空内层部之间具有第二凹陷区，间隔第二间距，所述中空内层部中分别设置有与所述光纤纤芯的长度方向垂直的细槽。

优选地，所述扁圆形端部之间相距52mm，所述主体部的直径为8mm，所述扁圆形端部的直径为14mm，所述中空内层部的直径为14mm，所述细槽的直径为10mm，所述第一间距和第二间距的宽度为2mm，所述光纤纤芯所穿过放置的细槽直径为2mm，所述扁圆形端部沿光纤长度方向上的宽度为4mm，所述中空内层部沿光纤长度方向上的宽度为4mm。

优选地，传感器两端的设计可以使传感器可以通过粘贴或者螺栓的方式安装到被测基底上。

优选地，采用TC4钛合金为基底材料。

优选地，所述扁圆形端部沿光纤长度方向上的宽度可以调节,以调节所述高灵敏度光纤光栅应变传感器的传感器灵敏度。

优选地，所述中空内层部外壁至所述细槽内壁沿光纤长度方向上靠近所述扁圆形端部一侧的宽度可以调节,以调节所述高灵敏度光纤光栅应变传感器的传感器灵敏度。

优选地，所述中空内层部外壁至所述细槽内壁沿光纤长度方向上远离所述扁圆形端部一侧的宽度可以调节,以调节所述高灵敏度光纤光栅应变传感器的传感器灵敏度。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示出了本发明的具有增敏效应的高灵敏度光纤光栅应变传感器的示意性结构；

图2示出了根据本发明的具有增敏效应的高灵敏度光纤光栅应变传感器的两端夹持式调节封装原理。

图3为根据本发明的应变标定试验系统设计原理图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

针对本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了提高光纤光栅对应变的响应灵敏度，本发明提出了一种基于铝合金基片的光纤光栅应变传感器。该封装采用TC4钛合金为基底材料，根据力学传递原理，该封装采用类似于杠铃状的结构设计。图1示出了本发明的具有增敏效应的高灵敏度光纤光栅应变传感器的示意性结构。

如图1所示，具有增敏效应的高灵敏度光纤光栅应变传感器具有光纤纤芯101和包层102，所述纤芯101通过设置在所述包层102内部的通孔而嵌入在所述包层102内部。所述包层102是沿着所述纤芯101为轴的轴对称结构，从外到内依次进一步包括对称设置的扁圆形端部102a和102a’，对称设置的中空内层部102b和102b’，以及夹在所述中空内层部102b和102b’之间的主体部102c，所述扁圆形端部102a和中空内层部102b之间具有第一凹陷区，间隔第一间距d1，即第一凹陷区的宽度为d1，所述主体部102c和所述中空内层部102b之间具有第二凹陷区，间隔第二间距d2，即第二凹陷区的宽度为d2。中空内层部102b和102b’中分别设置有与所述光纤纤芯101的长度方向垂直的细槽102b和102b’。

根据本发明的一个实施例，具有增敏效应的高灵敏度光纤光栅应变传感器的一组具体尺寸为扁圆形端部102a和102a’之间相距52mm，所述主体部102c的直径为8mm，所述扁圆形端部102a和102a’的直径为14mm，所述中空内层部102b和102b’的直径为14mm，所述细槽102b和102b’的直径为10mm，所述第一间距d1和第二间距d2的宽度为2mm，所述光纤纤芯101所穿过放置的细槽直径为2mm，所述扁圆形端部102a和102a’沿光纤长度方向上的宽度为4mm，所述中空内层部102b和102b’沿光纤长度方向上的宽度为4mm。

根据本发明的传感器两端的设计可以使光纤Bragg光栅传感器可以通过粘贴或者螺栓的方式安装到被测基底上。中轴线上挖的细槽，一方面可以方便光纤光栅的放置让光栅在封装时不会往两侧滑动，另一方面能够更好地使得点胶均匀不溢出，减少气泡形成的可能性。

通过在固定装置上施加与光纤纤芯101同轴向的拉力，修改如图所示的三处增敏结构处的尺寸，可以调节本发明的高灵敏度光纤光栅应变传感器的传感器灵敏度。该三处结构可以独立调节，也可以合并调节。具体实验数据如下：

所述扁圆形端部沿光纤长度方向上的宽度可以调节,即图中所示改变a的尺寸会使应变灵敏度变化。尺寸沿着光纤纤芯101同轴向增加5.4％时，灵敏度增加了73.5％；尺寸沿着光纤纤芯101同轴向减小7.7％时，灵敏度减小45.2％。可知，a处尺寸会对应变灵敏度造成很大影响，尺寸越大，则传感器应变灵敏度越高。

所述中空内层部外壁至所述细槽内壁沿光纤长度方向上靠近所述扁圆形端部一侧的宽度可以调节,即图中所示改变b的尺寸会使应变灵敏度变化，其中所述中空内层部外壁至所述细槽内壁沿光纤长度方向上靠近所述扁圆形端部一侧的宽度可以调节,以调节所述高灵敏度光纤光栅应变传感器的传感器灵敏度。的尺寸会使应变灵敏度变化。尺寸沿着光纤纤芯101同轴向增加33.3％时，灵敏度增加了84.9％；尺寸沿着光纤纤芯101同轴向减小73.3％时，灵敏度减小54.1％。可知，b处尺寸会对应变灵敏度造成很大影响，尺寸越大，则传感器应变灵敏度越高。

所述中空内层部外壁至所述细槽内壁沿光纤长度方向上远离所述扁圆形端部一侧的宽度可以调节,即图中所示改变c的尺寸会使应变灵敏度变化。尺寸沿着光纤纤芯101同轴向增加25％时，灵敏度增加了170.3％；尺寸沿着光纤纤芯101同轴向减小18.8％时，灵敏度减小65.6％。可知，c处尺寸会对应变灵敏度造成很大影响，尺寸越大，则传感器应变灵敏度越高。

图2示出了根据本发明的具有增敏效应的高灵敏度光纤光栅应变传感器的两端夹持式调节封装原理。光纤光栅202、两个夹持部件201以及两个固定支点203，采用胶接的方法将光纤光栅202固定在夹持部件201内,由于胶粘剂没有直接封装光纤光栅区域,消除了胶粘剂对光纤光栅应变传递的影响。该传感器具有应变放大机制,测量精度超过了裸光纤光栅,而且通过调节封装工艺中的参数,可以改变传感器的应变灵敏度系数。

封装方式使用环氧树脂胶将光纤光栅封装在一个个细槽中，并且槽与光纤光栅中轴线平行，同时封装是要尽量保证光纤光栅平直的放入细槽中。在注入环氧树脂胶的时候要适当的对其加热，以保证环氧树脂胶具有良好的流动性，中轴线上挖的细槽，一方面可以方便光纤光栅的放置让光栅在封装时不会往两侧滑动，另一方面能够更好地使得点胶均匀不溢出，减少气泡形成的可能性。

光纤光栅传感器在实际封装时遵循以下的基本原则：

1.相容性

光纤光栅传感器实际封装中的关键技术之一，是传感器与被测结构的相容性问题，主要有以下几个方面：

强度相容：封装的传感器不能影响到被测结构的强度，或者将影响降到最低；

界面相容：传感器封装材料的外表面与被测结构材料之间要相容；

尺寸相容：传感器尺寸要尽量小，保证传感器与被测结构变形相匹配；

场分布相容：传感器封装材料不能影响被测结构场的分布

2.传感性能

裸光纤光栅本身就是良好的传感元件，具有良好的稳定性、重复性和再现性等优点，光纤光栅传感器封装之后的传感性能与封装结构、封装材料以及封装工艺密切相关，因此，必须综合考虑上述因素的影响，使封装后的光纤光栅传感器仍能保持裸光栅的传感性能，甚至优于裸光纤。

3.工艺性

光纤光栅传感器的封装结构要尽量简单、便于加工，且其各项性能指标要易于控制，以保证各个传感器的一致性和重复性的要求，便于实现批量生产。

4.使用性能

封装能对裸光纤光栅起到很好的保护作用，传感器的安装、调试要简单、方便，某些场合还需要传感器能重复使用，需要考虑被测结构形状的要求、便于实现分布式传感和网络集成，满足大型工程结构的现场布设及长期使用的要求等。

与现有技术相比：本封装方式是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的，其折射率变化通常在10^-5-10^-3之间，将光纤置于周期性空间变化的紫外光源下，即可在光纤芯中产生这样的折射率变化。用于制作这种光纤光栅的主要制作技术之一是利用两个相干紫外光束形成的空间干涉条纹来照射光纤，这样就在光纤芯部形成了永久的周期性折射率调制。

光纤布拉格光栅的折射率分布与反射、投射特性如图所示。由于周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。

光纤布拉格光栅的中心波长与有效折射率的数学关系是研究光栅传感的基础。从麦克斯韦经典方程出发，结合光纤藕合模理论，利用光纤光栅传输模式的正交关系，得到布拉格光栅反射波长的基本表达式为：

λ_B＝2n_effΛ (1)

标定实验：

在根据本发明的光纤光栅传感器制作完成后，根据Ansys分析结果可知，在加入光纤以及填充胶层之后，光纤光栅传感器的性能发生变化，传递特性改变，从而会对光纤光栅传感器的各项敏感系数产生影响。并且，根据采用的光纤不同，封装方式不同，使用黏贴剂不同，均会对传感器的灵敏度产生影响，因此必须对封装好的光纤光栅传感器进行标定。

图3为根据本发明的应变标定试验系统设计原理图。

试验目的为测试光纤光栅应变传感器在实验室环境下的各项特性，包括：波长、反射谱，并根据应变片的测量结果对以封装的光纤光栅应变传感器进行标定。试验系统如图所示。

根据试验设计，通过MTS机直接输出的信号3与应变片输出的信号2，即可获得应试验件在整个试验中的σ-ε曲线。再根据所得σ-ε曲线，结合解调仪采集的光纤光栅的反射波谱，即可得到光纤光栅传感器的相应L-ε曲线(波长-应变曲线)。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种具有增敏效应的高灵敏度光纤光栅传感器，包括光纤纤芯和包层，其特征在于，

所述光纤纤芯通过设置在所述包层内部的通孔而嵌入在所述包层内部，所述包层是沿着所述光纤纤芯为轴的轴对称结构，从外到内依次进一步包括：

对称设置的扁圆形端部，对称设置的中空内层部，以及夹在所述中空内层部之间的主体部，所述扁圆形端部和中空内层部之间具有第一凹陷区，间隔第一间距，所述主体部和所述中空内层部之间具有第二凹陷区，间隔第二间距，所述中空内层部中分别设置有与所述光纤纤芯的长度方向垂直的细槽；

所述扁圆形端部沿光纤长度方向上的宽度可以调节,以调节所述高灵敏度光纤光栅传感器的传感器灵敏度；

所述中空内层部外壁至所述细槽内壁沿光纤长度方向上靠近所述扁圆形端部一侧的宽度可以调节,以调节所述高灵敏度光纤光栅传感器的传感器灵敏度；

所述中空内层部外壁至所述细槽内壁沿光纤长度方向上远离所述扁圆形端部一侧的宽度可以调节,以调节所述高灵敏度光纤光栅传感器的传感器灵敏度。

2.如权利要求1所述的高灵敏度光纤光栅传感器，其中所述扁圆形端部之间相距52mm，所述主体部的直径为8mm，所述扁圆形端部的直径为14mm，所述中空内层部的直径为14mm，所述细槽的直径为10mm，所述第一间距和第二间距的宽度为2mm，所述光纤纤芯所穿过放置的通孔直径为2mm，所述扁圆形端部沿光纤长度方向上的宽度为4mm，所述中空内层部沿光纤长度方向上的宽度为4mm。

3.如权利要求1所述的高灵敏度光纤光栅传感器，其中高灵敏度光纤光栅传感器两端的设计可以使高灵敏度光纤光栅传感器可以通过粘贴或者螺栓的方式安装到被测基底上。

4.如权利要求3所述的高灵敏度光纤光栅传感器，其中采用TC4钛合金为基底材料。