CN113983945B - 控制光纤光栅中心波长的传感器制作装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制光纤光栅中心波长的传感器制作装置，包括工装单元和测试单元。工装单元包括：传感器基底、传感器制作平台、三维微位移光纤调整架，其中：传感器基底和三维微位移光纤调整架呈直线排列，并固定于传感器制作平台上；含光纤光栅的单模光纤放置于传感器基底的轴线中心，在距光纤光栅左边1cm的光纤涂覆层处，点胶并加热固化，单模光纤的另一端固定于三维微位移光纤调整架上；测试单元包括：宽带光源、3dB耦合器、光纤光栅解调仪和上位机。在传感器制作过程中，采用工装单元及测试单元，可以在制作过程中控制及调整传感器的中心波长，同时对传感器的尾纤及其端面进行特殊处理，由此保证传感器制作工艺的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及光线传感器制作领域，具体是一种控制光纤光栅中心波长的传感器制作装置。
背景技术
目前光纤光栅应变传感器被广泛应用于一些工业领域，但仍然存在一些尚未解决的问题：；一是光栅中心波长预拉伸量较小，测量负应变时容易受到温度影响，测量值存在较大误差；二是光栅中心波长预拉伸量过大，进行大范围的正应变测量时，光栅容易断裂，降低了传感器的生存应变和可靠性；三是在解调范围受限的环境中，光栅中心波长预拉伸量不一致，预拉伸量的精度没有控制在一定范围内，会导致部分传感器在使用中超出可解调的波长范围，无法满足全应变范围的测量需求。
光纤传感技术具有小型化，低重量，便于植入，无电磁干扰，抗腐蚀和防湿防潮等特点，同时其动态响应快、灵敏度高、耐久性强以及具有远距离低损耗传输等优点，被广泛应用于航天航空，风力水利发电和井下勘探等领域。光纤光栅传感器是众多光纤传感类型中使用最为广泛的一种，目前已成为一种值得信赖的传感监测技术，特别是在一些应用于温度和应变监测的传感领域中。光纤光栅传感器的封装技术是其走向工程化的关键，有必要保证传感器封装技术的可靠性。
光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，会反射满足λB=2neff•Λ条件，其中λB是光栅的中心波长，neff是纤芯折射率，Λ是光栅周期。纤芯折射率和光栅周期的变化都会引起光纤光栅中心波长的变化。根据应变产生变化时，会引起光纤光栅栅区的拉伸或收缩，改变光栅的中心波长。
如图1所示，在传感器封装时未对光纤光栅8进行预拉伸，栅区保持松弛状态。传感器受力向内挤压，光纤光栅8不受力，外部力无法从传感器封装传递至光纤光栅8，传感器无法监测负应变。同样，若是在需求大量程的负应变检测环境中，若光纤光栅8预拉伸量过小，仍会在达到一定测量范围后，光纤光栅8不受力变为松弛状态，无法进行更大的负应变监测。为了满足测量负应变的需求，有必要在制作光纤光栅应变传感器时对内部光纤光栅进行一定量的预拉伸。
光纤光栅本身质地较脆，向外拉力较大时容易使其断裂，失去监测的功能。在封装时，对光纤光栅提前施加较大预拉伸量，则在收到较大向外拉伸力时，容易导致光纤光栅超出本身承受能力，最终断裂。同时，为了满足批量生产的需求或是在一些可解调波长范围有限的条件下，需要将光纤光栅预拉伸量控制在0.2nm的精度范围内。控制光纤光栅预拉伸量，保证预拉伸的一致性，是光纤光栅应变传感器封装的关键。
常用的光纤光栅预拉伸的方法有三种：一、采用手动拉伸的方式，这种方法成本低廉、波长可调的特点，但是无法保证光栅中心波长拉伸的一致性，加大了后续点胶加热固化的难度，降低了传感器的制作效率，成品率不高；二、采用高精度电动位移平台，该方法操作简单，波长拉伸可调且拉伸一致性好，但是零部件多为国外进口，成本高昂；三、采用固定拉伸工装如图2所示，传感器基底3、不锈钢凸台9、不锈钢夹具10、螺丝11构成传感器制作平台4，其中：不锈钢凸台9放置于传感器基底3上面，不锈钢夹具10通过螺丝11固定于传感器基底3的一端。这种方法操作简单，但是无法控制波长拉伸量的大小，拉伸量控制精度低，对于不同的波长拉伸量需求需要不同的工装设计，这限制了该方法在制作传感器时的应用。
现有技术中，采用固定拉伸工装对传感器进行预拉伸，封装时将传感器基片放置于金属基底上，光纤光栅放于传感器基片中央，栅区中心部分放置于不锈钢凸台上。通过转动螺钉使不锈钢夹具不断向内收缩，直至完全夹紧传感器基片。通过加热的方式使光纤和传感器基片粘合在一起，并完全固化。在加热过程中，不锈钢夹具会受热膨胀，向内挤压传感器基片。受到挤压的传感器基片会在冷却后，慢慢恢复到原来的状态。在传感器基片冷却并恢复的过程中，会顺带拉伸已经粘合在基片上的光纤，从而起到一个光纤光栅预拉伸的作用。这种固定工装的方法虽然操作简单，但是仍存在一些缺点：一是无法控制光纤光栅波长拉伸量的大小，光纤光栅的拉伸量是随机的，不可控的；二是对于光纤光栅拉伸量的控制精度低，达到预拉伸量精度±0.2nm的需求；三是传感器制作过程中，无法实时监测并调整光纤光栅中心波长预拉伸量，降低了传感器生产的成品率。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，采用特定工装及封装方法，实时监测且可调整光纤光栅的中心波长，有效控制光纤光栅的预拉伸量，将预拉伸量控制在需求的精度范围内，提高了光纤光栅应变传感器封装的一致性和传感器的成品率。
技术方案：
本发明公开了一种控制光纤光栅中心波长的传感器制作装置，它包括工装单元和测试单元，
所述工装单元包括：传感器基底、传感器制作平台、三维微位移光纤调整架，其中：传感器基底和三维微位移光纤调整架呈直线排列，并固定于传感器制作平台上；含光纤光栅的单模光纤放置于传感器基底的轴线中心，在距光纤光栅左边1cm的光纤涂覆层处，点胶并加热固化，单模光纤的另一端固定于三维微位移光纤调整架上；
所述测试单元包括：宽带光源、3dB耦合器、光纤光栅解调仪和上位机，其中：单模光纤的一端和宽带光源分别连接3dB耦合器的输入端，3dB耦合器的输出端通过光纤光栅解调仪连接上位机。
优选的，工装单元还包括可旋转圆形支柱，可旋转圆形支柱上固定热吹风机，热吹风机枪口对准光纤专用胶涂胶位置，通过吹风完成加热固化操作。
优选的，工装单元还包括磁力夹具，磁力夹具中间设有245µm光纤放置槽，通过磁铁将单模光纤的另一端固定于三维微位移光纤调整架上。
优选的，工装单元还包括Z轴位移平台，传感器基底设置在Z轴位移平台上，Z轴位移平台在高度上可调，确保单模光纤和传感器基底的完美贴合。
优选的，三维微位移光纤调整架型号为7SAM301，用于实现单模光纤的定量拉伸。
优选的，测试单元对单模光纤中光纤光栅的中心波长进行实时监测，当监测发现中心波长的拉伸量异常，控制高精度微位移移动平台动作，定量改变光纤光栅的预拉伸量=温补后的光纤光栅的中心波长变化量Δλ B '。
优选的，温补后的光纤光栅的中心波长变化量Δλ B '通过下式获得：
Δλ
B
'=（1-P
e
）·ɛ·（λ
B
－Δλ
BT
）
其中，Δλ B是光纤光栅的中心波长变化量，ɛ是传感器的应变量，P e 是光纤光栅的有效弹光系数，λ B是光纤光栅的中心波长，Δλ BT是温度影响下光纤光栅的中心波长的变化量。
优选的，计算光纤光栅的预拉伸量时，通过下式计算温度影响下光纤光栅的中心波长的变化量Δλ BT：
Δλ BT=（2·n eff·Λ）·Δd/d
其中，n eff为光纤光栅的折射率，Λ为光纤光栅的周期，d为光纤光栅栅区的长度，Δd为栅区长度的变化量。
优选的，栅区长度的变化量Δd通过下式获得：
Δd/d=a·ΔT
其中，ΔT表示单模光纤（1）的实时温度与标准温度的差值，a表示热膨胀系数。
优选的，标准温度设为20℃或由温度计测得。
本发明的有益效果
1、在传感器制作过程中，采用微位移制作平台（工装单元）及波长实时监测系统（测试单元），可以在制作过程中控制及调整传感器的中心波长，同时对传感器的尾纤及其端面进行特殊处理，由此保证传感器制作工艺的一致性；
2、微位移传感器平台通过特殊工装设计，成本较低，并降低了个人制作传感器的难度，提高了传感器制作效率；通过拉力可调节的方法，保证了传感器中心波长预拉伸的一致性，提高了传感器制作的一致性。
附图说明
图1为背景技术中的光栅未进行预拉伸受力图。
图2为背景技术中的固定拉伸工装。
图3为本发明提出的工装单元（微位移制作平台）。
图4为本发明提出的测试单元（波长实时监测系统）。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
本发明提出了一种控制光纤光栅中心波长的传感器制作装置，它包括工装单元和测试单元，
结合图3所示一种工装单元，包括：传感器基底3、传感器制作平台4、三维微位移光纤调整架5，其中：传感器基底3和三维微位移光纤调整架5呈直线排列，并固定于传感器制作平台4上；含光纤光栅的单模光纤1放置于传感器基底3的轴线中心，在距光纤光栅左边1cm的光纤涂覆层处，点胶并加热固化，单模光纤1的另一端固定于三维微位移光纤调整架5上。将三维微位移光纤调整架5水平轴线对准传感器基底3放置，将磁力夹具6固定于三维微位移光纤调整架5上。磁力夹具6中间设有245µm光纤放置槽，并通过上下两块磁铁将光纤固定，以便于后续光纤光栅8的拉伸。将单模光纤1尾纤部分放置于磁力夹具6中间的槽上，并对光纤进行固定。通过调节三维微位移光纤调整架5的xyz轴方向的位置，加大或减小作用在单模光纤1上的拉力。单模光纤1上的拉力会传递到光纤光栅8上，导致中心波长的增大或减小。通过拉伸或压缩得到想要的中心波长漂移量后，对光纤光栅8进行点胶固化。
结合图4所示一种测试单元，包括：宽带光源、3dB耦合器、光纤光栅解调仪和上位机，其中：单模光纤1的一端和宽带光源分别连接3dB耦合器的输入端，3dB耦合器的输出端通过光纤光栅解调仪连接上位机。宽带光源发出自发辐射光，经过3dB耦合器后传输至无热化应变传感器，传感器中的光纤光栅会反射满足Bragg条件的光，反射光经过3dB耦合器会进入光纤光栅解调仪，解调仪由此解调出反射光的中心波长，通过上位机程序对中心波长进行实时监测。在制作应变传感器过程中，若监测得到传感器中心波长拉伸量异常，可及时通过高精度微位移移动平台控制光纤光栅的预拉伸量，保证应变传感器制作的一致性。
优选的实施例中，工装单元还包括可旋转圆形支柱7，可旋转圆形支柱7上固定热吹风机，热吹风机枪口对准光纤专用胶涂胶位置，通过吹风完成加热固化操作。在点胶固化时，需要用到热风枪加热，起到加速固化及增加粘胶强度的作用。使用353ND光纤专用胶涂覆于光纤光栅8左边1cm里的光纤处，调整可旋转圆形支柱7，将热风枪枪口对准涂胶位置，加热固化。
优选的实施例中，工装单元还包括Z轴位移平台2，传感器基底3设置在Z轴位移平台2上，Z轴位移平台2在高度上可调，确保单模光纤1和传感器基底3的完美贴合。
优选的实施例中，三维微位移光纤调整架5型号为7SAM301，用于实现单模光纤1的定量拉伸。
优选的实施例中，测试单元对单模光纤中光纤光栅的中心波长进行实时监测，当监测发现中心波长的拉伸量异常，控制高精度微位移移动平台动作，定量改变光纤光栅的预拉伸量=温补后的光纤光栅的中心波长变化量Δλ B '。
本申请所提出的方案中，温补后的光纤光栅的中心波长变化量Δλ B '包含了对温度影响的修正，优选的实施例中，温补后的光纤光栅的中心波长变化量Δλ B '通过下式获得：
Δλ
B
'=（1-P
e
）·ɛ·（λ
B
－Δλ
BT
）
其中，Δλ B是光纤光栅的中心波长变化量，ɛ是传感器的应变量，P e 是光纤光栅的有效弹光系数，λ B是光纤光栅的中心波长，Δλ BT是温度影响下光纤光栅的中心波长的变化量。
计算光纤光栅的预拉伸量时，通过下式计算温度影响下光纤光栅的中心波长的变化量Δλ BT：
Δλ BT=（2·n eff·Λ）·Δd/d
其中，n eff为光纤光栅的折射率，Λ为光纤光栅的周期，d为光纤光栅栅区的长度，Δd为栅区长度的变化量。
优选的实施例中，栅区长度的变化量Δd通过下式获得：
Δd/d=a·ΔT
其中，ΔT表示单模光纤（1）的实时温度与标准温度的差值，a表示热膨胀系数。
标准温度设为20℃或由温度计测得。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.一种控制光纤光栅中心波长的传感器制作装置，其特征在于它包括工装单元和测试单元，
所述工装单元包括：传感器基底（3）、传感器制作平台（4）、三维微位移光纤调整架（5），其中：传感器基底（3）和三维微位移光纤调整架（5）呈直线排列，并固定于传感器制作平台（4）上；含光纤光栅的单模光纤（1）放置于传感器基底（3）的轴线中心，在距光纤光栅左边1cm的光纤涂覆层处，点胶并加热固化，单模光纤（1）的另一端固定于三维微位移光纤调整架（5）上；
所述测试单元包括：宽带光源、3dB耦合器、光纤光栅解调仪和上位机，其中：单模光纤（1）的一端和宽带光源分别连接3dB耦合器的输入端，3dB耦合器的输出端通过光纤光栅解调仪连接上位机；
测试单元对单模光纤（1）中光纤光栅的中心波长进行实时监测，当监测发现中心波长的拉伸量异常，控制高精度微位移移动平台动作，定量改变光纤光栅的预拉伸量=温补后的光纤光栅的中心波长变化量Δλ B '；温补后的光纤光栅的中心波长变化量Δλ B '通过下式获得：
Δλ
B
'=（1-P
e
）·ɛ·（λ
B
－Δλ
BT
）
其中，Δλ B是光纤光栅的中心波长变化量，ɛ是传感器的应变量，P e 是光纤光栅的有效弹光系数，λ B是光纤光栅的中心波长，Δλ BT是温度影响下光纤光栅的中心波长的变化量；通过下式计算温度影响下光纤光栅的中心波长的变化量Δλ BT：
Δλ BT=（2·n eff·Λ）·Δd/d
其中，n eff为光纤光栅的折射率，Λ为光纤光栅的周期，d为光纤光栅栅区的长度，Δd为栅区长度的变化量；栅区长度的变化量Δd通过下式获得：
Δd/d=a·ΔT
其中，ΔT表示单模光纤（1）的实时温度与标准温度的差值，a表示热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于工装单元还包括可旋转圆形支柱（7），可旋转圆形支柱（7）上固定热吹风机，热吹风机枪口对准光纤专用胶涂胶位置，通过吹风完成加热固化操作。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于工装单元还包括磁力夹具（6），磁力夹具（6）中间设有245µm光纤放置槽，通过磁铁将单模光纤（1）的另一端固定于三维微位移光纤调整架（5）上。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于工装单元还包括Z轴位移平台（2），传感器基底（3）设置在Z轴位移平台（2）上，Z轴位移平台（2）在高度上可调，确保单模光纤（1）和传感器基底（3）的完美贴合。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于三维微位移光纤调整架（5）型号为7SAM301，用于实现单模光纤（1）的定量拉伸。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于标准温度设为20℃或由温度计测得。
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