CN112534319A - 与散射结构相关的布拉格光栅光纤传感器及定位和安装这种传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用布拉格光栅光纤传感器的集成健康监测的领域。它涉及这样的传感器以及用于在支撑件上定位和安装该传感器的方法。根据本发明，布拉格光栅光纤传感器(30)包括光纤(31)，在光纤中写入形成布拉格光栅的至少一组图案(33)，该光纤还包括在每个布拉格光栅附近的一组微结构(32)，微结构独立于形成布拉格光栅的图案，每个微结构(32)能够散射光束的预定散射波长范围内的一部分。

Description

与散射结构相关的布拉格光栅光纤传感器及定位和安装这种 传感器的方法
技术领域
本发明涉及使用布拉格光栅光纤传感器的结构健康监测的领域。本发明涉及这种传感器以及用于将这种传感器定位和安装在支撑件上的方法。
本发明特别适用于在复合材料结构的表面上或在该结构内安装或验证布拉格光栅光纤传感器的定位。
背景技术
复合材料现在在包括航空在内的许多应用中被广泛用于替代金属材料。它们在具有相同的机械性能的同时提供能够显著降低结构的重量的优点。然而，复合材料的老化及其机械性能的相关变化仍知之甚少。因此，在需要高度安全性的应用中，例如航空业，这些材料的使用通常与结构上或结构中的各种传感器的集成相关联，以便跟踪这些变化。涉及使用集成传感器来跟踪结构的特性的不同技术被称为“结构健康监测”。在可以使用的不同类型的传感器中，布拉格光栅光纤传感器代表了一种特别合适的技术。它们可以在静态或准静态模式以及动态模式下提供温度和变形测量。特别地，可以进行振动测量、加速度测量或实际检测声波。所有这些数据对于检测、定位和表征仪表化结构的缺陷都是有用的。此外，相同的布拉格光栅光纤传感器可以包括在不同的波段中起作用的若干布拉格光栅，并且由此为同一个光纤提供多个感测元件：这被称为光谱布拉格光栅多路复用。布拉格光栅也可以以时域进行区分，或者以频域和时域进行区分：这分别被称为时间复用以及光谱和时间复用。
布拉格光栅光纤传感器可以在其制造过程中集成在结构的表面上或集成在材料芯中，例如集成在复合材料的褶皱中。在任何情况下，在安装光纤传感器时通常需要将布拉格光栅精确安置在给定的目标区域上。然而，由于缺乏刻在光纤中的布拉格光栅的可见性，使得这种安置变得困难。光纤通常具有相对较小的直径，在所称的单模光纤的情况下，保护涂层的外直径通常在150μm(微米)至250μm之间，芯部直径通常大约是十纳米的量级，或者在所称的多模光纤的情况下通常在几十微米。布拉格光栅刻在光纤的芯部中，它们也具有非常小的尺寸，使它们通常不可见或有些不可见。一种解决方案包括在布拉格光栅的水平上标记光纤，以实现间接定位。标记包括在光纤周围施加胶带或油漆涂层。然而，由于纤维的外直径小，因此标记难以定位。此外，传感器待被安装在其表面上的材料通常是深色的，这使得观察标记更加困难。最后，这种表面标记在化学产品的作用下可能会消失，例如通过在将光纤结合到结构的表面之前利用乙醇来清洗光纤的表面。
此外，可以证明的是，在将光纤传感器安装在仪表化结构上之后，布拉格光栅的定位是有用的。该定位可以检查测量点的正确安置或定位这些测量点，例如在结构维护阶段期间。当光纤附接到结构的表面上时，定位布拉格光栅会经受与其安装期间相同的问题。此外，在安装布拉格光栅传感器之后通过在结构表面上添加粘附膜或保护涂层，会使任务复杂化。因此，布拉格光栅可能根本无法在视觉上定位。当布拉格光栅光纤传感器嵌入复合材料中时，情况也是如此。用于定位安装在结构上的光纤传感器的布拉格光栅的一种解决方案包括在将测量信号注入光纤中并监测其光谱响应的同时，对它们局部地和单独地施加应力。在实践中，可以使用点热源扫掠结构的表面并监测布拉格光栅的光谱响应。观察到布拉格波长变化的位置对应于布拉格光栅的位置。这种方法可以将布拉格光栅定位在表面上或嵌入材料中。然而，在大面积的表面的情形下，进行扫掠可能既费时又乏味。此外，热源必须保持足够靠近表面以确保布拉格光栅的响应的足够变化，并且热源必须足够远以防止损坏结构。对于非平面表面，将需要特定的工具来执行扫掠。
鉴于以上所述，本发明的目的是提供一种简单的解决方案，以使得在布拉格光栅光纤传感器的安装期间以及在该安装之后，能够定位集成在结构中的该传感器的不同布拉格光栅。
发明内容
为此，本发明基于光纤中存在的微结构的弹性散射特性。当光束具有与微结构的尺寸相同数量级的波长时，该光束被这些微结构中的每一个散射。因此，光束的一部分在每个微结构的水平处被散射到光纤外部，并且可以直接或间接地可视化。微结构可以对应于形成布拉格光栅的图案，或者除布拉格光栅之外被具体地形成。
更具体地，本发明首先涉及用于在支撑件上定位布拉格光栅光纤传感器的方法，该传感器包括光纤，在光纤中刻有至少一组微结构，每个微结构能够散射在预定散射波长范围内的光束的一部分。根据本发明，该方法包括将光束注入到光纤中的步骤，其中光谱包括所述预定散射波长范围，使得每个微结构散射光束的一部分。
其次，本发明涉及一种在支撑件上安装布拉格光栅光纤传感器的方法。该方法包括：根据上述方法定位布拉格光栅光纤传感器；以及根据光束的散射部分将光纤安置在支撑件上的步骤。
在本文件中，术语“支撑件”表示能够在其表面上或其中容纳布拉格光栅光纤传感器的光纤的至少一个部段的任何机械部件。支撑件尤其可以由复合材料制成。它形成例如涡轮喷气发动机舱面板或飞机机身面板。
术语“微结构”表示通过光学指标的局部变化在光纤中形成的任何图案。每个微结构的形状和尺寸使得能够发生散射现象，特别是米氏散射。因此可以使用术语“散射微结构”来描述。每个微结构通常具有与注入到光纤中的光束的波长相同数量级的尺寸。每个微结构的尺寸例如在λ/10与10λ之间，其中λ表示光束的波长或光束的光谱的中心波长。
根据本发明，每个微结构散射注入到光纤中的光束的一部分。散射意味着光束的一部分从光纤径向离开，从而能够用肉眼或使用仪器对其进行检测。因此，微结构沿光纤的位置可以通过由光纤径向发射的辐射来定位。
在特定的实施例中，安装方法还包括将发光目标投射到支撑件上的步骤。发光目标指示布拉格光栅将被安置在支撑件上的每个位置。例如通过投射光束来形成发光目标，其中光谱包括可见光谱中的波长范围。发光目标包括例如一组发光点。
可以确定微结构和光束的光谱，使得微结构散射可见光谱的一部分中的光束。换句话说，微结构可以具有在380nm(纳米)和780nm之间的尺寸。然后可以用肉眼定位微结构沿着光纤的位置。
微结构和光谱也可以根据支撑件的材料的吸收波长的范围(称为“吸收范围”)确定。特别地，可以确定微结构和光谱，以使得微结构散射波长范围内的光束，从而能够将来自光束的电磁能转换成热。该实施例特别适于定位被集成在支撑件中的布拉格光栅光纤传感器。
定位或安装方法还包括获取支撑件在红外光谱中的图像的步骤。该步骤可以使用通常称为“热成像摄像机”的红外图像传感器来执行。可以通过借助于微结构对光束的局部散射而在支撑件上或支撑件中定位所产生的热点。
根据本发明的第一替代实施例，每组微结构被布置为在光纤中形成布拉格光栅。换句话说，微结构被布置为不仅散射注入到光纤中的光束，而且还反射它。实际上，反射现象是通过沿着光纤的纵向轴线周期性地布置微结构而获得的。在该替代实施例中，微结构形成在光纤的芯部中或在光纤的芯部和包层之间的界面处。
根据具体实施方式，根据第一替代实施方式，每个微结构具有球形形状。因此布拉格光栅以微泡的周期性链的形式呈现。微泡具有例如在λ/10与10λ之间的直径，其中λ表示光束的波长或光束的光谱的中心波长。
微结构可以具有其他形状，例如椭圆形或旋转椭球形。对于以各向异性的方式散射光束而言，非理想的球形形状会特别有用。
微结构也可以在光纤的芯部和包层之间的界面处以波纹的形式呈现。
根据本发明的第二替代实施例，在光纤中刻有至少一组图案，每组图案被布置为形成布拉格光栅，微结构与布拉格光栅的图案分开。换句话说，在该替代实施例中，光纤一方面包括产生散射现象的微结构，另一方面包括产生反射现象的图案。
根据具体实施例，每组微结构位于布拉格光栅附近。因此，光束的一部分的散射发生在布拉格光栅附近，因此使得沿着光纤的位置可见。
在第二替代实施例中，微结构可以设置在光纤的芯部中，例如在布拉格光栅的上游和/或下游。替代地，可以将微结构设置在光纤包层中。它们可以特别地在芯部和光学包层之间的界面附近布置在包层中。它们可以相对于布拉格光栅设置在上游、下游和/或与布拉格光栅平行。当散射和反射现象发生在不同的波长范围内时，将微结构设置在光纤包层中是合适的。然后，具有位于光纤引导波长范围之外的波长范围的光束可以在包层中传播，并被微结构散射。将微结构布置在光纤包层中的优点是不影响光束在布拉格光栅的可用波长范围内的传播。
本发明还涉及包括光纤的布拉格光栅光纤传感器，所述光纤中刻有形成布拉格光栅的至少一组图案。根据本发明，光纤还包括在每个布拉格光栅附近的一组微结构，所述微结构独立于形成布拉格光栅的图案，每个微结构能够散射在预定散射波长范围内的光束的一部分。
根据一具体实施例，光纤包括芯部和光学包层，并且微结构设置在光学包层中。有利的是，微结构设置在芯部附近，即，相比于光学包层的外周边表面更靠近光学包层的内周边表面。
微结构也可以被设置在光纤的芯部中或设置在芯部与光学包层之间的界面处。
微结构例如以球体或旋转椭球体的形式呈现。它们还可以在芯部和光学包层之间的界面处以波纹的形式出现。
根据本发明的传感器或者根据本发明的用于定位或安装该传感器的方法的第一实施例，每个布拉格光栅被布置成反射与预定散射波长范围不同的预定布拉格波长范围内的光束。特别地，布拉格波长范围和散射波长范围可以部分地重叠或不同。因此，散射现象和反射现象发生在不同的波长范围内。在第一替代实施例中，其中，每组微结构形成布拉格光栅，这实际上意味着所述微结构具有与其周期(也称为“间距”)不同的尺寸。在第二替代实施例中，其中，微结构与布拉格光栅的图案分开，这意味着微结构具有与布拉格光栅的图案的周期不同的尺寸。
根据第二实施例，每个布拉格光栅被布置为反射在预定散射波长范围内的预定布拉格波长范围内的光束。特别地，两个波长范围可以是相同的。
附图说明
通过阅读以下描述，本发明的其他特征、细节和优点将变得更加清楚，以下描述仅通过示例并参考附图给出，其中：
-图1示出了适用于实施根据本发明的定位或安装方法的布拉格光栅光纤传感器的第一示例；
-图2示出了适用于实施根据本发明的定位或安装方法的布拉格光栅光纤传感器的第二示例；
-图3示出了适用于实施根据本发明的定位或安装方法的布拉格光栅光纤传感器的第三示例；
-图4示出了根据本发明的定位布拉格光栅光纤传感器的方法的示例。
-图5示出了根据本发明的安装布拉格光栅光纤传感器的方法的示例；
-图6说明了图5的方法。
具体实施方式
图1示出了适于实施根据本发明的定位或安装方法的布拉格光栅光纤传感器的第一示例。在该图中，仅示出了光纤的一部分。光纤传感器10包括光纤11，该光纤11包括芯部111和包围芯部111的光学包层112。芯部111和光学包层112沿着轴线X纵向地延伸。光纤传感器10还包括形成在光纤11的芯部111中的一组微泡。微泡12布置在光纤11的纵向轴线X上。它们具有与光纤11的芯部111的折射率不同的折射率。它们例如通过飞秒激光被光学地刻入。每个微泡12以球体的形式呈现，其中，直径在10nm(纳米)和1mm(毫米)之间。该直径可以特别地在380nm至780nm之间，以对应于可见光谱的波长，或者在780nm至1mm之间，以对应于红外光谱。例如是400nm。微泡12实现散射由光纤11承载的光束的第一功能。换句话说，它们形成散射结构。因此，球体的直径必须基本上对应于寻求散射的光束的波长。该波长称为“散射波长”。微泡12沿着轴线X周期性分布，间距在10nm与1mm之间。该间距可以特别地在380nm和780nm之间或在780nm和1mm之间。它由两个相邻的微泡12的中心之间的距离确定的。在实施例的第一示例中，微泡12实现了第二功能，即反射由光纤承载的光束。它们形成布拉格光栅的图案。间距必须对应于寻求反射的波长。该波长称为“布拉格波长”。应当注意的是，布拉格波长可以与散射波长不同。光纤11可以包括沿着光纤11分布的多组微泡12，以形成尽可能多的布拉格光栅和散射结构。微泡的尺寸和/或间距可以根据它们所属的组而不同。因此，对于不同的波长会发生散射和反射现象。有利地，微泡在不同组中具有相同的尺寸，但在不同组之间具有不同的间距。因此，可以使用具有单一波长或相对窄的波长范围的光束来定位布拉格光栅。另一方面，布拉格光栅对机械应力和不同波长下温度的变化作出响应，因此形成不同的传感器。
图2示出了根据本发明的布拉格光栅光纤传感器的第一示例以及适于实施根据本发明的定位或安装方法的这种传感器的第二示例。对于图1，仅示出了光纤的一部分。光纤传感器20包括光纤21，该光纤21包括芯部211和包围芯部211的光学包层212，芯部211和光学包层212沿着轴线X纵向且同心地延伸。光纤传感器20还包括在光纤21的芯部211中形成的一组微泡22和一组图案23。微泡22和图案23具有与光纤21的芯部211的折射率不同的折射率。微泡22例如是通过飞秒激光被光学地刻入。它们布置在光纤21的纵向轴线X上，位于图案23的两侧。微泡的直径根据寻求散射现象的波长来确定。图案23具有圆柱形状，其中轴线对应于光纤21的轴线X。它们在光纤21的芯部211的整个横截面上径向地延伸。图案23沿着光纤21的轴线X周期性地分布。因此，它们形成布拉格光栅，其中布拉格波长取决于分隔图案的间距和芯部211的折射率。应该注意的是，可以使用任何其他图案代替圆柱形图案，只要它们能够形成布拉格光栅。特别地，微泡也可以用作布拉格光栅的图案。在实施例的该示例中，微泡22设置在布拉格光栅的两侧，即在布拉格光栅的上游和下游。它们并不直接指示布拉格光栅的位置，但是它们使得能够通过对布拉格光栅的框架化来实现其精确定位。在实施例的其他示例中，微泡可以仅设置在布拉格光栅的一侧。
图3示出了根据本发明的布拉格光栅光纤传感器的第二示例，以及适于实施根据本发明的定位或安装方法的这种传感器的第三示例。对于图1和图2，仅示出了光纤的一部分。光纤传感器30包括光纤31，该光纤包括芯部311和包围芯部311的光学包层312，芯部311和光学包层312沿着轴线X纵向且同心地延伸。光纤传感器30还包括形成在光学包层312中的一组微泡32和形成在芯部311中的一组图案33。微泡32和图案33具有与芯部311的折射率不同的折射率。图案33与图2中示出的光纤传感器20的图案23相同。光纤传感器30与图2的光纤传感器20的不同之处在于，微泡32布置在光学包层312中，位于布拉格光栅的图案33附近。可以将微泡32布置在穿过光纤31的纵向轴线X的单个平面中，或者布置在穿过轴线X的若干平面中。为了使散射现象最大化，优选将微泡32定位在芯部311和光学包层312之间的界面附近。
在参照图1至图3描述的光纤传感器的不同示例中，散射结构总是由微泡体现。然而，可以使用能够散射至少部分地在光纤中被引导的光束的任何其他类型的微结构。特别地，微结构可以具有椭圆形形状。此外，光纤可以包括包围光学包层的保护涂层。该保护涂层可以潜在地允许散射的光束部分地通过。
图4示出了根据本发明的用于定位布拉格光栅光纤传感器的方法的步骤的示例。在该示例中，光纤传感器被考虑为插入到结构中或安装在该结构的表面上。布拉格光栅光纤传感器特别地可以是上述传感器之一。定位方法40包括将光束注入光纤传感器的光纤中的步骤41。光束具有根据结构的材料的吸收波长范围确定的光谱。换句话说，确定光谱，使得光束的局部散射引起结构的加热。此外，确定光束的功率以便为该结构引起足够的局部温度变化。在步骤42中，获取结构的红外图像。换句话说，在红外光谱中执行结构的图像获取。该步骤42可以与步骤41并行地执行，例如在预定的持续时间之后，使得能够对结构进行局部加热，或者在步骤41之后执行。在步骤43中，红外图像被转换成可见光谱以使得操作员能够定位图像上的热点，所述热点指示了散射结构的存在以及由此的布拉格光栅的存在。
应该注意的是，当光纤传感器没有插入到结构中而仅布置在结构的表面上时，光束可以具有至少部分地在红外范围内传播的光谱。因此，可以在不需要加热结构的情况下通过红外传感器直接检测散射的光束。
图5示出了用于安装根据本发明的布拉格光栅光纤传感器的方法的步骤的示例。布拉格光栅光纤传感器可以具体地是上述传感器之一。安装方法50包括将光束注入到传感器的光纤中的步骤51，将发光目标投射到支撑件上的步骤52，安置布拉格光栅的步骤53，和附接光纤传感器的步骤54。注入到光纤中的光束优选地包括可见光谱中的波长范围。因此，该光束的散射部分可以被操作员直接观察到。发光目标包括一组发光点，每个发光点限定了支撑件的被设置为用于容纳布拉格光栅的位置。安置布拉格光栅的步骤53包括将散射光束的每个光纤部段与目标的发光点对准。附接光纤传感器的步骤54包括将光纤传感器附接到支撑件上，以便将布拉格光栅固定在期望的位置。光纤传感器可以特别地通过沉积材料层而结合至支撑件或涂覆在支撑件中。优选地，投射发光目标的步骤52与注入光束的步骤51和安置布拉格光栅的步骤53并行地执行。此外，步骤52可以在附接传感器的步骤54期间和之后继续。
图6示出了根据本发明的用于在支撑件上安装布拉格光栅光纤传感器的方法。光纤传感器60包括光纤61，其中集成有通过散射结构62可分别识别的十二个布拉格光栅。光束被注入到光纤61中，并被每个散射结构62部分地散射。发光目标被投射到支撑件64上，以形成十二个发光点65，从而指示布拉格光栅的期望位置。通过使散射结构62与发光点65匹配，光纤61被定位成通过缠绕在支撑件64上延伸。

Claims (11)

1.一种在支撑件上定位布拉格光栅光纤传感器的方法，所述传感器(10、20、30)包括光纤(11、21、31)，在所述光纤中刻入有至少一组微结构(12、22、32)，每个微结构能够散射在预定散射波长范围内的光束的一部分，所述方法(40)包括将光束注入到所述光纤中的步骤(41)，其中，光谱包括所述预定散射波长范围，使得每个微结构(12、22、32)散射光束的一部分，所述微结构(12、22、32)和所述光束的光谱根据所述支撑件(64)的材料的吸收波长范围来确定。
2.一种在支撑件上安装布拉格光栅光纤传感器的方法，该方法(50)包括根据权利要求1所述的定位布拉格光栅光纤传感器以及根据光束的散射部分将光纤(11、21、31)安置在支撑件(64)上的步骤(53)。
3.根据权利要求2所述的安装方法，还包括将发光目标投射到所述支撑件上的步骤(52)，所述发光目标(65)指示布拉格光栅将被安置在所述支撑件(64)上的每个位置。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的定位方法或安装方法，其中，确定微结构(12、22、32)和光束的光谱，使得所述微结构散射在可见光谱的一部分中的光束。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的定位方法或安装方法，还包括获取所述支撑件在红外光谱中的图像的步骤(42)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的定位方法或安装方法，其中，每组微结构(12、22、32)被布置成在所述光纤(11、21、31)中形成布拉格光栅。
7.根据权利要求6所述的定位方法或安装方法，其中，每个微结构(12、22、32)具有球体或椭球体形状。
8.根据权利要求1至5中的任一项所述的定位方法或安装方法，其中，在所述光纤(21、31)中刻有至少一组图案(23、33)，每组图案被布置为形成布拉格光栅，所述微结构(22、32)独立于所述布拉格光栅的图案(23、33)。
9.根据权利要求8所述的定位方法或安装方法，其中，每组微结构(22，32)被定位在布拉格光栅的附近。
10.一种布拉格光栅光纤传感器，其包括光纤，在所述光纤中刻有形成布拉格光栅的至少一组图案(23、33)，所述光纤(21、31)进一步包括芯部(211、311)、光学包层(212、312)和在每个布拉格光栅附近的一组微结构(22、32)，所述微结构独立于形成所述布拉格光栅的图案，并被设置在所述芯部(211)中、在光学包层(312)中或在所述芯部与光学包层之间的界面处，每个微结构(22、32)能够散射在预定散射波长范围内的光束的一部分。
11.根据权利要求6至9中的任一项所述的定位方法或安装方法，或者根据权利要求10所述的传感器，其中，每个布拉格光栅被布置为反射与预定散射波长范围不同的预定布拉格波长范围内的光束。
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