CN113310461B - 温度不敏感的光纤二维倾角传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温度不敏感的光纤二维倾角传感器，所述传感器包括一个陶瓷插芯、四个单模光纤和两个光纤光栅；四个单模光纤竖直贯穿插入一个陶瓷插芯中，并且使四个单模光纤的横截面呈正方形分布；四个单模光纤中其中两个相邻的光纤纤芯中分别写入光纤光栅，即两个光纤光栅的位置分别位于四个单模光纤所组成光纤束的两个正交平面上；每个光纤光栅的一部分位于陶瓷插芯内部，另一部分位于陶瓷插芯外部且位于陶瓷插芯内外光纤光栅的长度相等。克服现有技术的不足，解决了现有倾角传感器在传感过程中容易受到温度变化对传感结果引起的误差，并且在仅用两个FBG的前提下，实现了二维倾角传感。

Description

温度不敏感的光纤二维倾角传感器
技术领域
本发明涉及土木工程以及结构安全监测技术领域，具体涉及一种温度不敏感的光纤二维倾角传感器。
背景技术
倾角传感器是土木工程以及结构安全监测的一个重要部分，它被广泛应用于桥梁倾斜监测、边坡监测、大坝滑坡监测等领域。其中光纤倾角传感器凭借着其固有的抗电磁干扰强，灵敏度高，体积小，易于复用等优势广受研究人员的青睐。
R Yang，等人提出一种基于摆锤结构的光纤二维倾角传感器，该传感器通过讲两个FBG粘贴在由两种不同材料组成摆锤臂的交界处，并使得两个FBG处于两个正交平面。当传感器倾斜时，组成摆锤臂的两种材料将会产生不同的应变，导致FBG的反射谱分裂，通过测量FBG反射谱两个分裂峰之间的间距，实现二维温度不敏感的倾角传感。不过该传感器体积较大并且通过粘胶传递摆锤的应变，因此会受到粘胶老化对传感精度造成的误差。(RYang,H Bao,S Zhang,et al.Simultaneous measurement of tilt angle andtemperature with pendulum-based fiber Bragg grating sensor[J].IEEE SensorsJournal,2015,15(11):6381-6384.)。此外，D Zheng等人通过在一个陶瓷插芯中放入一个带有FBG的偏芯光纤，通过对比陶瓷插芯内外部分FBG的波长漂移，实现一维温度不敏感的倾角传感。该传感器只能实现一维倾角传感，并且需要偏芯光纤与普通单模光纤熔接来传递光信号，增加了设备的复杂程度。(D Zheng,Z Cai,I Floris,et al.Temperature-insensitive optical tilt sensor based on a single eccentric-core fiber Bragggrating[J].Optics Letters,2019,44(22):5570-5573.)。
然而现有的倾角传感器仍存在一些不足，例如无法实现消除温度变化对倾角传感误差的影响，无法实现二维倾角同时测量，传感器体积大，结构复杂等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度不敏感的光纤二维倾角传感器，克服现有技术的不足，解决了现有倾角传感器在传感过程中容易受到温度变化对传感结果引起的误差，并且在仅用两个FBG的前提下，实现了二维倾角传感。
本发明所采用的技术方案为：
温度不敏感的光纤二维倾角传感器，其特征在于：
所述传感器包括一个陶瓷插芯、四个单模光纤和两个光纤光栅；
四个单模光纤竖直贯穿插入一个陶瓷插芯中，并且使四个单模光纤的横截面呈正方形分布；
四个单模光纤中其中两个相邻的光纤纤芯中分别写入光纤光栅，即两个光纤光栅的位置分别位于四个单模光纤所组成光纤束的两个正交平面上；每个光纤光栅的一部分位于陶瓷插芯内部，另一部分位于陶瓷插芯外部且位于陶瓷插芯内外光纤光栅的长度相等。
陶瓷插芯底部与单模光纤接触部分采用环氧树脂或焊锡密封。
陶瓷插芯底部至单模光纤尾端均匀涂抹有UV胶，UV胶固化令4个单模光纤形成一束光纤束。
光纤束尾端滴有环氧树脂，环氧树脂固化形成的小球作为底部荷载。
单模光纤的包层直径为125μm，陶瓷插芯的内径为350±10μm。
光纤光栅的反射率为30±5％，长度为2±1cm。
温度不敏感的光纤二维倾角传感器的使用方法，其特征在于：
所述方法为：
当传感器倾斜时，位于陶瓷插芯外部的光纤光栅将受到倾斜时小球荷载引入的轴向应变和温度变化共同的影响使其反射谱的布拉格中心波长产生漂移，而位于陶瓷插芯内部光纤光栅的中心波长将仅受到温度变化的影响；因此，在倾斜时位于陶瓷插芯内外两侧的FBG纤芯折射率和光栅周期将会产生不同的变化，从而两个光纤光栅等效成四个子光纤光栅；由于等效形成的光纤光栅其实是同一个FBG，其制作参数相同，对温度的响应灵敏度也相同，因此可以用陶瓷插芯内部光纤光栅的波长漂移来补偿陶瓷插芯外部光纤光栅由于温度变化引起的波长漂移，则可以通过测量倾斜时光纤光栅反射谱分裂波长的间距，实现温度不敏感的倾角传感。
两个光纤光栅分别写入两个正交排列的单模光纤上，在沿其中一个方向倾斜时，另外一个单模光纤将始终处于光纤束的中性轴上，其反射谱不会受到倾斜时产生的应变影响，该传感器可同时测量两个维度的倾斜角度。
本发明具有以下优点：
本发明利用传感器倾斜时，小球荷载将对光纤引入轴向应变，而位于陶瓷插芯内外两侧的光纤光栅由于受到的轴向应变不同，因此其布拉格反射光谱将产生分裂。通过测量两个FBG反射谱分裂波长的间距，消除了传统倾角传感器解调时因温度变化带来的误差，实现二维温度无关的倾斜角度测量。
此发明在仅仅使用两个FBG的情况下，实现了二维温度不敏感的倾角测量。有效的节约了制造成本，并且体积小重量轻，克服了传统光纤倾角传感器固有的应变、温度串扰所引起的测量误差以及无法实现二维倾斜角度同时测量的不足。
附图说明
图1为本发明一种温度不敏感的二维光纤倾角传感器结构示意图；
图2为本发明一种温度不敏感的二维光纤倾角传感器陶瓷插芯内部截面示意图；
图3为本发明一种温度不敏感的二维光纤倾角传感器的Bragg光栅反射光谱示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系均为基础附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有的特定方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。对任何物件的编号仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，属于“隔离”、“插入”、“固定”、“粘贴”应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解以上术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明涉及一种温度不敏感的光纤二维倾角传感器，四个普通单模光纤竖直插入陶瓷插芯中，并且使四个单模光纤的截面在陶瓷插芯中呈正方形排列；最后使用环氧树脂密封住陶瓷插芯底部与光纤接触部分，以阻隔应变传递，并且利用粘胶自陶瓷插芯底部至荷载方向将四个光纤黏贴成一个光纤束。
两个光纤光栅(光纤布拉格光栅，Fiber Bragg Gratings，FBGs)分别写入两个光纤相同位置高度处，使插入陶瓷插芯后形成的光纤束上的两个FBG在同一位置处；两个FBG都分别位穿过陶瓷插芯，并且确保每个FBG分别位于陶瓷插芯内外两侧；两个FBG分别写入两个正交位置的光纤中，即4个光纤任意两个相邻光纤上；最后用粘胶把四个光纤粘贴成一个光纤束，以确保该光纤束可以同时测量两个维度的倾斜角度。
当传感器倾斜时，位于陶瓷插芯外部的FBG将受到倾斜时小球荷载引入的轴向应变和温度变化共同的影响使其反射谱的布拉格中心波长产生漂移，而位于陶瓷插芯内部FBG的中心波长将仅受到温度变化的影响。因此，在倾斜时位于陶瓷插芯内外两侧的FBG纤芯折射率和光栅周期将会产生不同的变化，从而两个FBG等效成4个子FBG。由于等效形成的FBG其实是同一个FBG，其制作参数相同，对温度的响应灵敏度也相同，因此可以用陶瓷插芯内部FBG的波长漂移来补偿陶瓷插芯外部FBG由于温度变化引起的波长漂移。通过测量每个FBG反射谱的分裂波长间距，从而实现温度不敏感的二维倾角传感。
两个FBG分别写入两个正交排列的光纤是上，在沿其中一个方向倾斜时，另外一个光纤将始终处于光纤束的中性轴上，其反射谱不会受到倾斜时产生的应变影响。这样，该传感器可同时测量两个维度的倾斜角度。
所述的两个FBG的反射率不应过高(在30±5％范围内)，以确保倾斜时反射谱分裂时不至于大部分反射光能量在光栅前端被反射，从而分裂的反射谱中两个反射峰的幅值大致相同清晰可辨，便于观测和测量。
所述的陶瓷插芯内径应选取适当(由于普通单模光纤纤芯直径为125μm，因此陶瓷插芯的内径约为350±10μm)，以便4个光纤插入进去呈正方形排列。
陶瓷插芯底端与光纤接触处应用粘度较高的粘胶或焊锡技术等进行密封处理，以阻断倾斜时位于陶瓷插芯内部与外部FBG的应变传递。
应使用质地较稀的粘胶将4个光纤粘贴成一捆光纤束，推荐使用NOA65紫外胶，以使成型的光纤束形状匀称，应变传递均匀。
所述FBG是采用相位掩膜写入或飞秒激光写入普通单模光纤的纤芯中的；所述FBG的长度应为2±1cm，且位于陶瓷插芯内部与陶瓷插芯外部的长度应大致相等。
该传感器不但可以消除温度变化所产生的误差，还可以达到二维倾角同时测量的目的，此外，本发明优化了传感器的体积大小并进一步降低了传感器的复杂程度并节约了成本。
实施例1：
本实例提供一种温度不敏感的二维倾角传感器，解决了现有倾角传感器在传感过程中容易受到温度变化对穿赶精度的干扰。
具体地，如图1、图2所示，一种温度不敏感的二维倾角传感器，包括：
4个单模光纤(分别编号为：光纤1、光纤2、光纤3、光纤4)；
一个内径为350μm的陶瓷插芯；
两个反射率为35％，长度为2cm的光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)；
一个由环氧树脂所制的小球荷载；
将四个直径为125μm的普通单模光纤贯穿插入一个内径为350μm的陶瓷插芯中；并且使4个光纤的截面呈正方形分布；4个光纤中其中两个相邻的光纤纤芯中分别写入反射率为35％长度为2cm的FBG(即两个FBG的位置分别位于4个光纤所组成光纤束的两个正交平面上)；每个FBG的一部分位于陶瓷插芯内部另一部分位于陶瓷插芯外部且位于陶瓷插芯内外FBG的长度相等；使用环氧树脂(或焊锡)密封住陶瓷插芯底部与光纤接触部分；自陶瓷插芯底部至光纤尾端均匀涂抹UV胶，待UV胶因重力成股流下后使用紫外灯照射，使其固化，此时4个光纤形成一束光纤束；使用环氧树脂滴在光纤束尾端，使其逐渐固化成一个环氧树脂小球作为本发明的荷载；
具体地，在本实例中，当所述传感器倾斜时，由于荷载的重力对光纤束引入轴向应变，进而位于光纤中的FBG由于引入的轴向应变，使光纤纤芯折射率以及FBG调制周期发生了改变，引起FBG的Bragg中心波长漂移。因为使用粘胶或焊锡技术粘贴住了陶瓷插芯底部与光纤连接部分，因此倾斜时的应变传递在陶瓷插芯底部被隔离，从而位于陶瓷插芯内部的FBG不会因倾斜时引入的轴向应变而改变自身的Bragg中心波长。通过这种设计，相当于把一个FBG等效成两个制作参数相同的子FBG(附图1中FBG1、FBG3为同一个FBG；FBG2、FBG4为同一个FBG)。由于每个FBG的两个子FBG相互紧邻并且具有相同的温度传感系数。因此，当温度变化时，两个子FBG的中心波长向同一方向进行漂移，并且漂移距离也相同，通过测量每个FBG的两个子FBG中心波长间距，实现温度不敏感的倾角传感目的。
优选地，所选用的光纤包层直径为125μm，陶瓷插芯内径为350μm，此设计以保证将4个光纤放入陶瓷插芯中是以正方形形状排列；
优选地，所采用的FBG的反射率为30％长度为2cm，确保分裂后的两个反射峰幅值差异不大，清晰可辨；
优选地，使用环氧树脂或焊锡技术密封住陶瓷插芯底部与光纤接触部分，确保可以隔离在倾斜时引入的应变，使倾斜所引入的应变不会对位于陶瓷插芯内部的FBG造成影响。
优选地，使用UV胶将4个光纤粘贴成光纤束，由于UV胶粘稠度小，易在光纤上附着均匀，使得最后成型的光纤束几何形状更加匀称应变传递均匀。
实施例2：
本实例提供一种温度不敏感的二维倾角传感器，可以实现同时对二维倾斜角大小及方向的传感。
具体地，如附图2所示，所述的FBG写在光纤1和光纤2上。当传感器沿θ角正方向倾斜时，光纤1由于偏离倾斜角的中性轴，因此位于陶瓷插芯外部的子FBG受到拉伸应变，Bragg中心波长向长波长方向漂移，与此同时位于光纤2上的FBG始终处于倾斜角θ的中性轴上，则其FBG的Bragg中心波长不会因倾斜发生漂移；当传感器沿θ角负方向倾斜时，光纤1上位于陶瓷插芯外部的子FBG受到压缩应变，Bragg中心波长向短波长方向漂移，光纤2上的FBG中心波长同样不会发生漂移。当传感器沿着β角方向倾斜时，光纤2上位于陶瓷插芯外部的FBG会受到倾斜引入应变的影响导致其Bragg中心波长漂移，同理在光纤1上的FBG始终处于β倾斜角的中性轴上，其Bragg中心波长不会发生漂移。通过对比每个光纤上FBG波长的漂移量可以实现二维倾角传感测量。
实施例3：
基于本实施例1以及实施例2的实现，本实例提供一种温度不敏感的光纤二维倾角传感器的解调方法，具体包括以下步骤：
当传感器倾斜时，获取光纤1和光纤2中FBG的反射光谱图，其中一个如附图3所示另外一个与附图3类同。
此时，位于陶瓷插芯外部的两个子FBG所受的应变与倾斜角关系为：
Figure BDA0003034927280000101
Figure BDA0003034927280000102
其中，θ与β对应两个正交方向的倾斜角，在本实例中对应附图2所示的倾斜方向；ε1与ε2对应位于陶瓷插芯外部两个光栅的子光栅在倾斜时所受的应变，对应附图1中FBG3、FBG4所受的应变；mg为荷载的质量；l为陶瓷插芯底部至荷载的距离；lm为子光栅FBG3、FBG4中心至小球荷载的距离；E为光纤材料的杨氏模量；r为光纤纤芯距陶瓷插芯中心的距离。
FBG的中心波长漂移与其所受的轴向应变的关系为：
Figure BDA0003034927280000103
其中λi和Δλi分别为第i个子光栅的原始中心波长和波长漂移量；pe为光纤的光弹系数(取0.22)；εi为第i个子光栅所受的轴向应变；则每个子光栅的中心波长漂移与倾斜角度的关系为：
Figure BDA0003034927280000111
Figure BDA0003034927280000112
Figure BDA0003034927280000113
Figure BDA0003034927280000114
公式4和公式6分别为FBG3和FBG4的中心波长漂移，由于其处于陶瓷插芯外部，因此其中心波长漂移由两部分引起，公式右边的第一项为传感器倾斜时引入应变引起的中心波长漂移，第二项为温度变化对中心波长变化的影响，其中T和ΔT分别为温度和温度变化量。公式5和公式7分别为FBG1和FBG2的中心波长漂移，由于其处于陶瓷插芯内部，因此其中心波长漂移只与温度变化有关。此处，需要注意的是FBG1、FBG3和FBG2、FBG4为相同FBG的两个子FBG，因此其中心波长等参数是一致的，对温度的响应也是相同的，并且由于每两个子FBG相互紧邻所以可以认为其处于相同的温度环境中，温度对其产生的中心波长漂移量也相同。
通过利用FBG1和FBG2的中心波长漂移量补偿了FBG3和FBG4由温度引起的波长漂移，从而实现了温度不敏感的二维倾角传感。因此，通过测量光谱仪上FBG反射光谱分裂后两个峰值间距即可实现二维温度不敏感的倾角解调：
Figure BDA0003034927280000115
Figure BDA0003034927280000116
其中Δλθ和Δλβ分别为光纤1和光纤2上两个FBG的分裂波长间距，由此公式可看出Δλθ和Δλβ与倾斜角度sinθ以及sinβ呈线性关系。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.温度不敏感的光纤二维倾角传感器，其特征在于：
所述传感器包括一个陶瓷插芯、四个单模光纤和两个光纤光栅；
四个单模光纤竖直贯穿插入一个陶瓷插芯中，并且使四个单模光纤的横截面呈正方形分布；
四个单模光纤中其中两个相邻的光纤纤芯中分别写入光纤光栅，即两个光纤光栅的位置分别位于四个单模光纤所组成光纤束的两个正交平面上；每个光纤光栅的一部分位于陶瓷插芯内部，另一部分位于陶瓷插芯外部且位于陶瓷插芯内外光纤光栅的长度相等；
陶瓷插芯底部与单模光纤接触部分采用环氧树脂或焊锡密封，陶瓷插芯底部至单模光纤尾端均匀涂抹有UV胶，UV胶固化令4个单模光纤形成一束光纤束，光纤束尾端滴有环氧树脂，环氧树脂固化形成的小球作为底部荷载。
2.根据权利要求1所述的温度不敏感的光纤二维倾角传感器，其特征在于：
单模光纤的包层直径为125μm，陶瓷插芯的内径为350±10μm。
3.根据权利要求2所述的温度不敏感的光纤二维倾角传感器，其特征在于：
光纤光栅的反射率为30±5％，长度为2±1cm。
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