CN110118625A - 一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，包括：在线性啁啾光纤光栅栅区位置进行封装，使用金属中空套管，并在内部填充弹性材料，在光栅栅区的任意位置封装石英套环，石英套环的外径与金属外壳内径相等，石英套环内径与啁啾光纤光栅直径相等，构成内部没有缝隙的完整传感器封装。本发明采用了小线度的横向压力传感方式，光纤光栅受力区域的双折射现象十分明显，灵敏度有很大提升。通过测量经过传感调制的激光偏振特性的方式，其读取的测量数据和压力的传感公式为线性关系，简化了测量物理量的解调方式，解决了传统传感光谱波长等特性的变化灵敏度问题。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感器领域，尤其涉及一种线性啁啾光纤光栅利用特殊封装方式，以实现更加简易和高灵敏度的横向压力测量，具体为一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案。
背景技术
光纤光栅横向应力传感中，灵敏度问题是影响其应用和技术进步的重要问题之一。光纤圆柱体横向受压会导致横截面互相垂直的两个方向上产生折射率不均匀变化，从而引起双折射现象，并进一步导致激光信号受到双折射调制后产生相位变化。通过相位变化测量，即可反推受压大小。由此测量偏振特性即成为了重要的可行方案之一。
针对光纤光栅横向受压条件下导致的双折射现象并不明显问题，在同等受力条件下，采用减小受力区域以增大微小受力区域内应力的方法，可以实现对传感的增敏。另一方面开展小线度横向应力对光纤光栅影响的特性讨论和研究，结合全栅区受力条件的分析方法，完善小线度横向受力分析的理论推导完善，可以提供小线度横向应力传感的解决方案。
本发明基于啁啾光纤光栅局部微小尺寸的受压条件，结合弹性力学的应力和形变分析，计算受压区域尺寸的展宽，以及展宽导致的相移，并计算出啁啾光纤光栅的光谱中局部受压产生透射峰的谱线图。由于受压区域同时产生的双折射现象，会使透射峰发生双折射展宽或分裂，结合测量PDL或斯托克斯参量等偏振参量的方式可以精确传感计算反推出横向应力的大小。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，利用小线度区域受压的特殊封装方式，结合啁啾光纤光栅小线度横向应力受压偏振特性，实现更加简易和高灵敏度的横向压力测量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，在线性啁啾光纤光栅栅区位置进行封装，使用金属中空套管，并在内部填充弹性材料，在光栅栅区的任意位置封装石英套环，石英套环的外径与金属中空套管内径相等，石英套环内径与线性啁啾光纤光栅直径相等，构成内部没有缝隙的完整传感器封装。
优选地，传感器封装中，线性啁啾光纤光栅的一端与激光光源连接，另一端与偏振特性测量仪相连。
优选地，激光光源发出符合啁啾光纤光栅带宽的宽带光源，经过传感器调制后，由偏振特性测量仪测量偏振特性数据。
优选地，偏振特性测量仪包括：偏振相关损耗PDL测量仪、斯托克斯参量测量仪。
优选地，对于横向应力传感，金属中空套管作为受力区域，将受力传递到内部弹性材料与石英套环，石英套环将力直接传递到线性啁啾光纤光栅栅区位置。
优选地，内部弹性材料，用于对内部线性啁啾光纤光栅起到保护作用；石英套环，选用与线性啁啾光纤光栅相同弹性系数的材料，通过等效为小线度受力区域进行受力传感。啁啾光纤光栅局部小线度区域受到压力，对内部传输激光进行传感调制，其变化由偏振特性测量仪测量和分析。
优选地，封装金属中空套管高度为L，受横向压力为F，石英套环的高度为l，传递到石英套环的压力为石英套环与其所接触的啁啾光纤光栅长度为l的栅区组成嵌套模型，并且由于弹性系数相同所以等效为一个整体，该模型等效于侧面受压力的等效圆柱体模型。
优选地，金属外壳将压力F传递到石英套环变化为等效为嵌套等效圆柱体模型受到的横向压力，将在受力模型内部产生应力，受应力影响啁啾光纤光栅纤芯的折射率发生各向异性改变，根据模耦合理论计算出透射端偏振相关损耗fPDL_T计算公式：
优选地，啁啾光纤光栅受到局部横向压力时，横向压力导致的相移等效于一个相移啁啾光纤光栅，相移点的位置与受压位置对应；并且在受压区域，由于压力导致折射率的改变，受压段光纤光栅进一步等效为一个双折射相移啁啾光纤光栅，建立双折射相移啁啾光纤光栅矩阵模型；啁啾光纤光栅在局部横向压力条件下，传输过程表示为：
矩阵传输模型公式中：由于受压区域的尺寸远小于整个光纤光栅的尺寸，所以受压区域轴向展宽导致的相移特性，等效为位于受压区域中心的相移点，其传输矩阵为相移点两边是由于折射率变化导致的双折射传输矩阵，其传输矩阵分别为Fdl1和Fdl2，在受压区域之外，左右两边的啁啾光纤光栅传输矩阵为FL1和FL2。
优选地，在压力限度范围内测量，偏振特性测量仪读取数据P为：
P＝KF
其中P为偏振特性测量仪所测量得到的数据，即偏振相关损耗PDL或者斯托克斯参量s1的值，F为施加在传感器上的压力大小，K为特定常数。其中，K的值随着石英套环的高度l以及与啁啾光纤光栅栅区的接触位置而改变，采用不同的测量值，K的值也会不同，所以K值应当对每一个封装成品作预测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用啁啾光纤光栅在小线度横向受力下的偏振特性进行横向压力传感测量，通过特殊的封装方式，保护了光纤光栅的强度的同时，将封装外壳受到的压力通过石英套环传递至内部光纤光栅的小线度区域进行传感测量。
(2)本发明采用了点式小线度的横向压力传感方式，光纤光栅受力区域的双折射现象十分明显，灵敏度有很大提升。
(3)本发明通过测量经过传感调制的激光偏振特性的方式，使得测量的数据和压力的传感公式为线性关系，简化了测量物理量的解调方式，解决了传统传感光谱波长等特性的变化灵敏度问题。
(4)本发明的石英套管可以改成采用具有不同弹性系数的材料，将传递至啁啾光纤光栅局部栅区的压力调制更大或更小，以适应不同的应用环境。
附图说明
图1是根据实施例的本发明线性啁啾光纤光栅封装结构示意图。
图2是根据实施例的本发明传感器与光源和偏振特性测量仪组成的传感系统示意图。
图3是根据实施例的等效圆柱体受力模型示意图。
图4是根据实施例的圆柱体圆形截面受力分解示意图。
图5是根据实施例的双折射相移啁啾光纤光栅矩阵模型示意图。
图中：1、啁啾光纤光栅；2、金属中空套管；3、弹性填充材料；4、石英套环；5、激光光源；6、偏振特性测量仪；7、等效圆柱体受力模型；8、圆柱体圆形截面受力分解模型；9、双折射相移啁啾光纤光栅矩阵模型。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，在线性啁啾光纤光栅栅区位置进行封装，使用金属中空套管，并在内部填充弹性材料，在光栅栅区的任意位置封装石英套环，石英套环的外径与金属中空套管内径相等，石英套环内径与线性啁啾光纤光栅直径相等，构成内部没有缝隙的完整传感器封装。本发明提供一种啁啾光纤光栅利用小线度区域受压的特殊封装方式，结合啁啾光纤光栅小线度横向应力受压偏振特性，实现更加简易和高灵敏度的横向压力测量。
本发明的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案包括传感器封装材料要求、结构设计与模型分析以及外部待测物理量分析两部分。
如图1所示，一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案包括：啁啾光纤光栅、金属中空套管、弹性填充材料和石英套环，由所述的各物品组合封装而成传感器，如图2所示，即为封装后的组合体。
如图2所示，传感器中线性啁啾光纤光栅的一端与激光光源连接，另一端与偏振特性测量仪相连。通过接入激光光源，经过传感器调制后，由接入的偏振特性测量仪读取待测物理量，可以选择偏振相关损耗PDL或者斯托克斯参量s1参量。
在传感器封装结构中，选用普通啁啾光纤光栅，其刻画光栅的栅区长度为L，光纤直径为d＝125μm，使用金属中空套管进行封装，金属中空套管为圆柱形状，套管内径为D，两端为顶端开孔的锥形塑料保护头，啁啾光纤光栅从中间穿过。
在金属中空套管中填充弹性材料如硅胶等，起到对光纤光栅裸纤的保护作用，在光栅栅区封装一个石英套环，套环厚度l，应当有d＜l＜10d，一般选用1mm。石英套环的外环直径为D，内环直径为d，其内接光纤裸纤的光栅栅区位置，外接金属中空套管的内壁，均没有缝隙。
金属中空套管作为受力区域，将受力传递到内部弹性材料与石英套环，石英套环将力直接传递到线性啁啾光纤光栅栅区位置。对于内部弹性材料，通过合适的弹性系数选择起到对内部线性啁啾光纤光栅的保护作用；对于石英套环，选用与啁啾光纤光栅相同弹性系数的材料，通过等效为小线度受力区域进行受力传感。
封装金属中空套管高度为L，受横向压力为F，石英套环的高度为l，传递到石英套环的压力为石英套环与其所接触的啁啾光纤光栅长度为l的栅区组成嵌套模型，并且由于弹性系数相同所以等效为一个整体，该模型等效于侧面受压力的等效圆柱体模型，如图3所示。
金属中空套管将压力F传递到石英套环，石英套环受到的压力为等效为嵌套等效圆柱体模型受到的横向压力为等效圆柱体模型受到横向压力，将在受力模型内部产生应力，如图4所示，在横向压力所在圆柱体圆形截面中分解为x与y方向的应力分量：
其中D为石英套环的外环直径，F为横向压力，l为石英套环的高度，L为金属中空套管高度。由于石英套环采用与啁啾光纤光栅具有相同弹性模量E的材料，则嵌套等效圆柱体受力模型的光纤径向应力分量σz与径向形变量εz分别为：
σz＝μv(σx+σy)
其中，ν为材料的泊松比，μ为修正参数，修正参数来源于封装过程中各个部件结合时的结合应力，即预置应力，有0＜μ＜1。
受应力影响，啁啾光纤光栅纤芯的折射率发生各向异性改变，根据应力分量有应力分量方向上的折射率变化量
其中p11，p12为弹光矩阵的Pockel系数，neff为光栅的有效折射率。根据模耦合理论可以计算出反射系数：
其中 为失谐量，σ为光栅的直流耦合参数，κ为光栅的交流耦合参数,Λ为光栅周期常数。
啁啾光纤光栅受到局部横向压力时，横向压力导致的相移会等效于一个相移啁啾光纤光栅，相移点的位置与受压位置对应。并且在受压区域，由于压力导致折射率的改变，受压段光纤光栅进一步等效为一个双折射相移啁啾光纤光栅，因此，建立双折射相移啁啾光纤光栅矩阵模型，如图5所示。
啁啾光纤光栅在局部横向压力条件下，矩阵传输模型公式为：
矩阵传输模型公式中：由于受压区域的尺寸远小于整个光纤光栅的尺寸，所以受压区域轴向展宽导致的相移特性，可以等效为位于受压区域中心的相移点，其传输矩阵为相移点两边是由于折射率变化导致的双折射传输矩阵，其传输矩阵分别为Fdl1和Fdl2，在受压区域之外，左右两边的啁啾光纤光栅传输矩阵为FL1和FL2。
矩阵传输模型公式中：双折射传输矩阵Fdl1和Fdl2为：
传输矩阵Fdl1和Fdl2中：模耦合系数 为失谐量，σ为直流耦合系数，为交流耦合系数，dl1,2为光纤光栅双折射区域长度，neffx,y为相应位置的x和y轴方向的光栅有效折射率，
矩阵传输模型公式中：相移矩阵为：
其中为相移量。
矩阵传输模型公式中：普通啁啾光纤光栅传输矩阵FL1和FL2为：
传输矩阵FL1和FL2中：模耦合系数 为失谐量，σ为直流耦合系数，为交流耦合系数，L1,2为双折射区域两端的普通啁啾光纤光栅区域长度。
传感器工作时，啁啾光纤光栅的传输过程可以表示为：
其中F为总的传输矩阵，代入初始条件可以得到光纤光栅的透射光强为：
改变不同的波长值，重复上述计算过程，即可得到啁啾光纤光栅的光谱中局部受压产生透射峰的谱线图。
通过外部接入激光光源，经过传感器调制后，由接入的偏振特性测量仪读取待测物理量，可以选择偏振相关损耗PDL或者斯托克斯参量s1参量。
测得透射端偏振相关损耗fPDL_T和斯托克斯参量s1参量分别为：
其中：Tx与Ty为x与y偏振光的投射光强，F为光纤光栅小线度区域受到的压力大小，l为石英套环厚度，即光纤光栅受压区域的线度，D为石英套环与光纤光栅受压区段组成的复合体，等效于一个直径为D的光纤光栅小线度受压模型。
在弹性限度范围内的测量，所测得透射端偏振相关损耗fPDL_T和斯托克斯参量s1参量的值均与压力大小F呈线性关系，其线性斜率K随测量物理量类型以及封装方式改变而改变，所以应当针对每一个封装成品作线性斜率的预测量。
本发明公开一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，包括：在线性啁啾光纤光栅栅区位置进行封装，使用金属中空套管，并在内部填充弹性材料，在光栅栅区的任意位置封装石英套环，石英套环的外径与金属外壳内径相等，石英套环内径与啁啾光纤光栅直径相等，构成内部没有缝隙的完整传感器封装。本发明采用了小线度的横向压力传感方式，光纤光栅受力区域的双折射现象十分明显，灵敏度有很大提升。通过测量经过传感调制的激光偏振特性的方式，其读取的测量数据和压力的传感公式为线性关系，简化了测量物理量的解调方式，解决了传统传感光谱波长等特性的变化灵敏度问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，在线性啁啾光纤光栅(1)栅区位置进行封装，使用金属中空套管(2)，并在内部填充弹性材料(3)，在光栅栅区的任意位置封装石英套环(4)，石英套环(4)的外径与金属中空套管(2)内径相等，石英套环(4)内径与线性啁啾光纤光栅(1)直径相等，构成内部没有缝隙的完整传感器封装。
2.根据权利要求1所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，传感器封装中，线性啁啾光纤光栅(1)的一端与激光光源(5)连接，另一端与偏振特性测量仪(6)相连。
3.根据权利要求2所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，激光光源(5)发出符合啁啾光纤光栅带宽的宽带光源，经过传感器调制后，由偏振特性测量仪(6)测量偏振特性数据。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，偏振特性测量仪(6)包括：偏振相关损耗PDL测量仪、斯托克斯参量测量仪。
5.根据权利要求1所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，对于横向应力传感，金属中空套管(2)作为受力区域，将受力传递到内部弹性材料(3)与石英套环(4)，石英套环(4)将力直接传递到线性啁啾光纤光栅(1)栅区位置。
6.根据权利要求5所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，内部弹性材料(3)，用于对内部线性啁啾光纤光栅(1)起到保护作用；石英套环(4)，选用与线性啁啾光纤光栅(1)相同弹性系数的材料，通过等效为小线度受力区域进行受力传感。
7.根据权利要求6所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，封装金属中空套管(2)高度为L，受横向压力为F，石英套环(4)的高度为l，传递到石英套环(4)的压力为石英套环(4)与其所接触的啁啾光纤光栅(1)长度为l的栅区组成嵌套模型，并且由于弹性系数相同所以等效为一个整体，该模型等效于侧面受压力的等效圆柱体模型(7)。
8.根据权利要求7所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，金属外壳(2)将压力F传递到石英套环(4)变化为等效为嵌套等效圆柱体模型(7)受到的横向压力，将在受力模型内部产生应力，受应力影响啁啾光纤光栅(1)纤芯的折射率发生各向异性改变，根据模耦合理论计算出透射端偏振相关损耗fPDL_T计算公式：
9.根据权利要求7所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，啁啾光纤光栅(1)受到局部横向压力时，横向压力导致的相移等效于一个相移啁啾光纤光栅，相移点的位置与受压位置对应；并且在受压区域，由于压力导致折射率的改变，受压段光纤光栅进一步等效为一个双折射相移啁啾光纤光栅，建立双折射相移啁啾光纤光栅矩阵模型(9)；啁啾光纤光栅在局部横向压力条件下，传输过程表示为：
矩阵传输模型公式中：由于受压区域的尺寸远小于整个光纤光栅的尺寸，所以受压区域轴向展宽导致的相移特性，等效为位于受压区域中心的相移点，其传输矩阵为相移点两边是由于折射率变化导致的双折射传输矩阵，其传输矩阵分别为Fdl1和Fdl2，在受压区域之外，左右两边的啁啾光纤光栅传输矩阵为FL1和FL2。
10.根据权利要求4所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，在压力限度范围内测量，偏振特性测量仪(6)读取数据P为：
P＝KF
其中P为偏振特性测量仪所测量得到的数据，即偏振相关损耗PDL或者斯托克斯参量s1的值，F为施加在传感器上的压力大小，K为特定常数。
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