CN114034261B - 一种小型化三向光纤光栅应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种小型化三向光纤光栅应变传感器，属于光纤光栅传感和应变测量技术领域。本发明包括传感器基底和一根固定于传感器基底上的光纤；传感器基底上具有三个相同的光栅定位槽、六个相同的光纤定位槽、两个相同的封装辅助槽、第一弧形槽、第二弧形槽和尾纤槽；光纤上具有三个不同中心波长的光纤光栅。将光纤放入光纤定位槽和封装辅助槽内，使用微型压片对光纤进行预固定，保证光纤光栅处于水平且受力的状态，然后通过注胶的方式实现光纤与传感器基底的封装。本发明集成化高、尺寸小、封装一致性好。本发明适用于狭小空间的三向应变测量，能够减少或避免由于光纤光栅倾斜或弯曲带来的应变灵敏系数误差，提高传感器的封装一致性。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型化三向光纤光栅应变传感器，属于光纤光栅传感和应变测量技术领域。
背景技术
光纤光栅应变传感器是一种波长调制传感器，可以实现应变值的绝对测量，具有灵敏度高，抗电磁干扰，体积小的优点，广泛应用于各种工程测量与结构健康监测中，其本质安全，绝缘防爆，抗电磁干扰的特点，更是适用于石油、天然气、煤炭、核能、航空航天等复杂危险环境。
对于飞机的应变测量或监测而言，除了少数情况下是单向应力应变，更多的情况下是平面应力状态，因此，需要利用多个光纤光栅来进行应变测量。三向光纤光栅应变传感器不仅可以确定主应变的大小，还可以确定主应变的方向，从而可以通过使用合适的阵列创建飞机结构的载荷谱。根据飞机的结构限制及测量准确性要求，传感器需要满足尺寸小、集成化高且一致性好等特点。
常见的方法是利用三个光纤光栅进行应变测量，相邻光纤光栅之间的夹角为45°或60°。专利“船用三向光纤布拉格光栅传感器(CN201620253096.7)”提出了一种45°三向金属化封装的光纤布拉格光栅传感器，解决了光纤布拉格光栅的温度和应变线性，扩大了传感器的量程至4000με。但传感器由三组单向传感器分别与固定块连接组成，集成性能差，需要引出三根光纤进行光信号传输，未能实现利用单根光纤进行三向应变的测量，不适用于多通路传感器的测量需求。专利“一种三向应变花传感器(CN202023021781.2)”提出了一种由一根光纤围绕成夹角60°的三向应变传感器结构，设置了弹性片和减强孔结构，使形变片更容易随钢结构发生形变，提高了形变片的灵敏度。该结构在封装过程中无法避免光纤光栅发生倾斜或弯曲，从而容易造成传感器的实际应变灵敏系数发生改变，影响应变测量的准确性。
发明内容
为解决光纤光栅在封装时易发生倾斜或弯曲的问题，本发明的目的是提供一种小型化三向光纤应变传感器，对光纤光栅的封装进行定位及预固定，减少或避免由于光纤光栅倾斜或弯曲带来的应变灵敏系数误差，提升传感器封装一致性及测量准确性；同时，有效地减小传感器的封装尺寸，适用于狭小空间的三向应变测量。
本发明的目的是通过下述技术方案实现：
本发明公开的一种小型化三向光纤光栅应变传感器，包括传感器基底和一根固定于传感器基底上的光纤；传感器基底上具有三个相同的光栅定位槽、六个相同的光纤定位槽、两个相同的封装辅助槽、第一弧形槽、第二弧形槽和尾纤槽；光纤上具有三个不同中心波长的光纤光栅。
光纤光栅位于光栅定位槽的中心，且光纤光栅的轴向与光栅定位槽的两条长边平行。
相邻的光栅定位槽之间夹角为45°，竖直方向和水平方向的光栅定位槽分别平行于传感器基底的竖直边和水平边，三个光栅定位槽的中心处于同一圆心角所对的圆弧上。
光纤定位槽分别与光栅定位槽、第一弧形槽和第二弧形槽的两端相连，用于实现对光纤的预固定和胶粘固定。
封装辅助槽、尾纤槽均位于光纤定位槽的延长线上，光纤通过尾纤槽延伸到传感器基底之外，进行信号的传输。
采用注塑的方式制备具有定位、保护功能的传感器基底。
所述三个光栅定位槽的位置确定方法为：
步骤1，确定第一弧形槽的长度；
对于给定的光纤折射率差、工作波长和截止波长，计算出光纤的临界弯曲半径rc：
λc为截止波长，λ为工作波长，n1和n2为光纤芯层和包层的折射率。根据光纤的临界弯曲半径rc，确定第一弧形槽长度的最小值Lmin：
Lmin＝nπrc/180 (2)
rc为光纤的临界弯曲半径，n为圆心角度数。
步骤2，确定与第一弧形槽相邻的两个光纤定位槽的位置；
第一弧形槽与相邻的两个光纤定位槽分别在水平方向和竖直方向相切，光纤定位槽的长度不小于微型压片的宽度，以便于利用微型压片实现对光纤的预固定。
步骤3，确定第一弧形槽连接的两个光栅定位槽的位置；
以与第一弧形槽相邻的两个光纤定位槽的反向延长线的交点为圆心，以R为半径作圆弧，圆弧与两个光纤定位槽延长线相交，交点即为水平方向和竖直方向的光栅定位槽的中心。
圆弧半径R表示为：
R＝rc+a+m/2 (3)
a为光纤定位槽的长度，m为光栅定位槽的长度。
步骤4，确定第三个光栅定位槽的位置。
以步骤3所述的圆心为顶点作一条直线，与水平方向和竖直方向的夹角分别为45°，直线与圆弧的交点即为第三个光栅定位槽的中心。
封装一种小型化三向光纤光栅应变传感器的方法，包括以下步骤：
步骤1，对第一个光纤光栅两端的光纤施加拉力，将光纤光栅放置于光栅定位槽中心，光纤放置于光纤定位槽和封装辅助槽内；
步骤2，调节光纤光栅的位置，确保光纤光栅处于水平且受力的状态，然后使用微型压片对光纤进行预固定；
步骤3，在光纤定位槽内注入瞬间粘合剂，进行按压固化，固化后，取下微型压片；
步骤4，将封装辅助槽内的一段光纤取出，置于第一弧形槽和光纤定位槽内，在光纤定位槽内注入瞬间粘合剂，对其进行按压固化，固化后，取下微型压片；
步骤5，重复步骤1～步骤4，依次实现其余两个光纤光栅、两段光纤与传感器基底的固定；
步骤6，将最后一段光纤放入尾纤槽，注入瞬间粘合剂，对其进行按压固化，完成传感器的封装。
采用上述技术方案，可以减少或避免由于光纤光栅倾斜或弯曲带来的应变灵敏系数误差，提高传感器的封装一致性。当传感器安装在被测结构表面时，三个光纤光栅的中心波长均会随着被测结构的形变发生漂移，通过对中心波长进行解调，从而实现三向应变的准确测量。
有益效果：
1、本发明公开的一种小型化三向光纤光栅应变传感器，能够减少或避免由于光纤光栅倾斜或弯曲带来的应变灵敏系数误差，提高传感器的封装一致性。当传感器安装在被测结构表面时，三个光纤光栅的中心波长均会随着被测结构的形变发生漂移，通过对中心波长进行解调，从而实现三向应变的准确测量。
2、本发明公开的一种小型化三向光纤光栅应变传感器，利用一根光纤实现三向应变测量，集成化高，尺寸小，可控制在长30mm以内，宽25mm以内。
3、本发明公开的一种小型化三向光纤光栅应变传感器，通过设置光栅定位槽、光纤定位槽和封装辅助槽，使用微型压片和胶粘剂，实现对光纤光栅的预固定和胶粘固定，能够解决封装过程中光纤光栅易发生倾斜或弯曲的问题。
4、本发明公开的一种小型化三向光纤光栅应变传感器，应变灵敏系数对其平均值的分散控制至1％以内，有效保证传感器封装的一致性。
附图说明
图1为本发明的传感器结构示意图。
其中，1—传感器基底、2—光纤、3—光栅定位槽、4—光纤定位槽、5—封装辅助槽、6—第一弧形槽、7—第二弧形槽、8—尾纤槽、9—光纤光栅。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种小型化三向光纤光栅应变传感器，包括传感器基底1和一根固定于传感器基底1上的光纤2。
传感器基底1表面加工有三个相同的光栅定位槽3，六个相同的光纤定位槽4、两个相同的封装辅助槽5、第一弧形槽6、第二弧形槽7和尾纤槽8。使用248nm的紫外激光在具有光敏性且弯曲不敏感的光纤2上刻制三个长度为5mm的不同中心波长的光纤光栅9，其中心波长由相位掩模板周期决定。三个光纤光栅9以串联的方式实现三向应变的测量，集成化高，尺寸小。
光纤光栅9位于光栅定位槽3的中心，且光纤光栅9的轴向与光栅定位槽3的两条长边平行。光栅定位槽3的长度为8mm，用于对光纤光栅9的准确定位。相邻的光栅定位槽3之间夹角为45°，竖直方向和水平方向的光栅定位槽3分别平行于传感器基底的竖直边和水平边，三个光栅定位槽3的中心处于同一圆心角所对的圆弧上。
光纤定位槽4分别与光栅定位槽3、第一弧形槽6和第二弧形槽7的两端相连，用于实现对光纤2的预固定和胶粘固定。
封装辅助槽5和尾纤槽8均位于光纤定位槽4的延长线上，光纤2通过尾纤槽8延伸到传感器基底1之外，进行信号的传输。
使用注塑的方式制备具有定位、保护功能的传感器基底1，材料为聚丙烯。
所述三个光栅定位槽的位置确定方法为：
步骤1，确定第一弧形槽6的长度；
对于给定的光纤折射率差、工作波长和截止波长，计算出光纤的临界弯曲半径rc：
λc为截止波长，λ为工作波长，n1和n2为光纤芯层和包层的折射率。当实际的弯曲半径减小到临界值以下时，光纤的弯曲损耗增加，将影响信号的正常传输。因此，根据光纤的临界弯曲半径rc，确定第一弧形槽6长度的最小值Lmin：
Lmin＝nπrc/180 (2)
rc为光纤的临界弯曲半径，n为圆心角度数。
根据选用的弯曲不敏感光纤类型，第一弧形槽6的长度设置为8mm，以避免产生较大的弯曲损耗。
步骤2，确定与第一弧形槽6相邻的两个光纤定位槽4的位置；
第一弧形槽6与相邻的两个光纤定位槽4分别在水平方向和竖直方向相切，光纤定位槽4的长度不小于微型压片的宽度。根据加工及封装经验，为保证光纤光栅9在光栅定位槽3内不发生倾斜或弯曲，光纤定位槽4的长度设置为2mm。
步骤3，确定第一弧形槽6连接的两个光栅定位槽3的位置；
以与第一弧形槽6相邻的两个光纤定位槽4的反向延长线的交点为圆心，以R为半径作圆弧，圆弧与两个光纤定位槽延长线相交，交点即为水平方向和竖直方向上光栅定位槽的中心。
圆弧半径R表示为：
R＝rc+a+m/2 (3)
a为光纤定位槽的长度，m为光栅定位槽的长度。
经公式(3)计算，圆弧半径R设置为11mm。
步骤4，确定第三个光栅定位槽3的位置。
以步骤3所述的圆心为顶点作一条直线，与水平方向和竖直方向的夹角分别为45°，直线与圆弧的交点即为第三个光栅定位槽(3)的中心，该交点到圆心的距离为11mm。
封装一种小型化三向光纤光栅应变传感器的方法，包括以下步骤：
步骤1，对第一个光纤光栅9两端的光纤2施加0.5N的拉力，将光纤光栅9放置于第一个光栅定位槽3中心，光纤2放置于光纤定位槽4和封装辅助槽5内；
步骤2，调节光纤光栅9的位置，确保光纤光栅9处于水平且受力的状态，然后使用微型压片对光纤2进行预固定，；
步骤3，在光纤定位槽4内注入0.1μL的瞬间粘合剂，进行按压固化，固化后，取下微型压片；
步骤4，将封装辅助槽5内的一段光纤2取出，置于第一弧形槽6和光纤定位槽4内，在光纤定位槽4内注入0.1μL的丙烯酸酯瞬间粘合剂，对其进行按压固化60s，固化后，取下微型压片；
步骤5，重复步骤1～步骤4，依次实现其余两个光纤光栅9、两段光纤2与传感器基底1的固定；
步骤6，将最后一段光纤2放入尾纤槽8，注入0.1μL的丙烯酸酯瞬间粘合剂，对其进行按压固化60s，完成传感器的封装。
对封装后的传感器进行应变灵敏系数测试，结果如表1所示。表2是传感器应变灵敏系数分散性计算结果，应变灵敏系数对其平均值的分散约为1％，表明传感器的封装一致性很好。
表1传感器应变灵敏系数测试结果
表2传感器应变灵敏系数分散性计算结果
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种小型化三向光纤光栅应变传感器，包括传感器基底(1)和一根固定于传感器基底(1)上的光纤(2)；其特征在于：传感器基底(1)上具有三个相同的光栅定位槽(3)、六个相同的光纤定位槽(4)、两个相同的封装辅助槽(5)、第一弧形槽(6)、第二弧形槽(7)和尾纤槽(8)；光纤(2)上具有三个不同中心波长的光纤光栅(9)；
所述光栅定位槽(3)的位置确定方法为，
步骤1，确定第一弧形槽(6)的长度；
对于给定的光纤折射率差、工作波长和截止波长，计算出光纤的临界弯曲半径rc：
λc为截止波长，λ为工作波长，n1和n2为光纤芯层和包层的折射率；根据光纤的临界弯曲半径rc，确定第一弧形槽(6)长度的最小值Lmin：
Lmin＝nπrc/180 (2)
rc为光纤的临界弯曲半径，n为圆心角度数；
步骤2，确定与第一弧形槽(6)相邻的两个光纤定位槽(4)的位置；
第一弧形槽(6)与相邻的两个光纤定位槽(4)分别在水平方向和竖直方向相切，光纤定位槽(4)的长度不小于微型压片的宽度；
步骤3，确定第一弧形槽(6)连接的两个光栅定位槽(3)的位置；
以与第一弧形槽(6)相邻的两个光纤定位槽(4)的反向延长线的交点为圆心，以R为半径作圆弧，圆弧与两个光纤定位槽(4)延长线相交，交点即为水平方向和竖直方向的光栅定位槽(3)的中心；
圆弧半径R表示为：
R＝rc+a+m/2 (3)
a为光纤定位槽的长度，m为光栅定位槽的长度；
步骤4，确定第三个光栅定位槽(3)的位置；
以步骤3所述的圆心为顶点作一条直线，与水平方向和竖直方向的夹角分别为45°，直线与圆弧的交点即为第三个光栅定位槽(3)的中心。
2.根据权利要求1所述的一种小型化三向光纤光栅应变传感器，其特征在于：光纤光栅(9)位于光栅定位槽(3)的中心，且光纤光栅(9)的轴向与光栅定位槽(3)的两条长边平行。
3.根据权利要求1所述的一种小型化三向光纤光栅应变传感器，其特征在于：相邻的光栅定位槽(3)之间夹角为45°，竖直方向和水平方向的光栅定位槽(3)分别平行于传感器基底(1)的竖直边和水平边，三个光栅定位槽(3)的中心处于同一圆心角所对的圆弧上。
4.根据权利要求1所述的一种小型化三向光纤光栅应变传感器，其特征在于：光纤定位槽(4)分别与光栅定位槽(3)、第一弧形槽(6)和第二弧形槽(7)的两端相连，用于实现对光纤(2)的预固定和胶粘固定。
5.根据权利要求1所述的一种小型化三向光纤光栅应变传感器，其特征在于：封装辅助槽(5)、尾纤槽(8)均位于光纤定位槽(4)的延长线上。
6.根据权利要求1所述的一种小型化三向光纤光栅应变传感器，其特征在于：采用注塑的方式制备具有定位、保护功能的传感器基底(1)。
7.根据权利要求1所述的一种小型化三向光纤光栅应变传感器，其特征在于，封装方法包括以下步骤，
步骤1，对第一个光纤光栅(9)两端的光纤(2)施加拉力，将光纤光栅(9)放置于光栅定位槽(3)中心，光纤(2)放置于光纤定位槽(4)和封装辅助槽(5)内；
步骤2，调节光纤光栅(9)的位置，确保光纤光栅(9)处于水平且受力的状态，然后使用微型压片对光纤(2)进行预固定；
步骤3，在光纤定位槽(4)内注入瞬间粘合剂，进行按压固化，固化后，取下微型压片；
步骤4，将封装辅助槽(5)内的一段光纤(2)取出，置于第一弧形槽(6)和光纤定位槽(4)内，在光纤定位槽(4)内注入瞬间粘合剂，对其进行按压固化，固化后，取下微型压片；
步骤5，重复步骤1～步骤4，依次实现其余两个光纤光栅(9)、两段光纤(2)与传感器基底(1)的固定；
步骤6，将最后一段光纤(2)放入尾纤槽(8)，注入瞬间粘合剂，对其进行按压固化，完成传感器的封装。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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