CN1412527A - 光纤光栅二维传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种光纤光栅二维传感器，涉及应力、压力、位移等参量的二维实时检测，属于传感技术领域。本发明的传感基元是一根双光栅串，双光栅串中的两个光纤光栅分别用粘结剂沿矩形弹性梁的中性面与表面的交线粘贴在相邻的两个侧面，其连接方式有两种：反射式连接或透射式连接。当矩形弹性梁受到二维应力作用时，光纤光栅受到轴向应力作用，栅距发生变化，导致相邻两个侧面上的光纤光栅的反射(或透射)中心波长漂移量不同。根据波长漂移量的增加或减小，经波长测试仪检测后，由O/E电路将光信号转变为电信号，再经数据处理器处理，由显示器输出，从而实现高精度实时感测被测物的二维受力状态与形变状态(应力、压力、位移的大小和方向)。

Description

光纤光栅二维传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感器的制造，特别是一种光纤光栅二维传感器。利用光纤光栅二维传感器，能够进行应力、位移等参量的二维高精度实时监控与测量，属于传感技术领域。

背景技术

光纤光栅是一种新型的光无源器件，作为传感基元，具有将外界传感量直接转化为光波长变化信息的优良特性。公知的光纤光栅传感器(例如：CN 1334920A)，其设计方法与实现技术往往侧重于对应变、应力、压力、位移等物理量的一维感测。检索结果表明：在公知的光纤传感器中，还未出现采用矩形梁结构、利用双光纤光栅串进行应力、位移二维实时感测的光纤光栅二维传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种应力、位移二维实时感测的光纤光栅二维传感器，它是利用两个不同波长的光纤光栅进行应力、位移二维实时感测的光纤光栅二维传感器。本发明的传感基元仅为一根双光栅串，它是将两个不同波长的布拉格光栅写入同一根光纤的两个不同位置制成的，以此双光栅串为传感基元研制的二维传感器，既可实时感测应力、位移的大小，亦可实时感测其方向，结构简洁，易于系统集成。

本发明所说的光纤光栅二维传感器，包括：光纤光栅、光纤、矩形弹性梁(悬臂梁或简支梁)、固定端、光纤接插器、光纤耦合器、匹配液、光源、波长测试仪、O/E电路、数据处理器、显示器等；双光栅串中的两个光纤光栅分别用粘结剂(如强力胶102、504、502等)，沿矩形弹性梁的中性面与表面的交线平整地粘贴在相邻的两个侧面。若矩形弹性梁作为悬臂梁使用，光纤光栅粘贴在梁的末端位置；若矩形弹性梁作为简支梁使用，则光纤光栅粘贴在梁的中心位置。

本传感器的连接有两种方式：

其一为反射式连接，即光纤耦合器(2×2或1×2光纤耦合器)或光环行器(三端口或四端口光环行器)一侧的两个端口，一端连接已粘贴的双光栅串，另一端置入匹配液；而光纤耦合器另外一侧的两个端口，一端接光源，另一端与波长测试仪、O/E电路、数据处理器、显示器依次连接。

其二为透射式连接，即不用光纤耦合器(或光环行器)，将光纤光栅的一端与光源直接连接，另一端与波长测试仪、O/E电路、数据处理器、显示器依次连接。

矩形弹性梁是一个均质、对称、各向同性的实心弹性体，横截面为矩形或方形，材质可为有机玻璃、金属、合金、塑料、橡胶或尼龙等弹性材料。

所述的数据处理器根据应力矩阵、位移矩阵、合应力与合位移及方位角关系，可将光纤光栅传感器感测的应力、位移等信号输入显示器分别输出。

双光栅串中的光纤光栅均为光纤布拉格光栅，且波长不同，用粘结剂分别沿矩形弹性梁的中性面与表面的交线平整地粘贴在相邻的两个侧面，通过检测传感光纤光栅的反射(或透射)的中心波长差来高精度地感测应力、位移的大小和方向。在小挠度条件下，该传感器是准线性的；在大挠度条件下，该传感器则是非线性的。

当矩形弹性梁受到外力作用时，粘贴在梁上的光纤光栅受到轴向应力作用，其栅距发生变化，导致相邻两个侧面上的光纤光栅的反射(或透射)中心波长漂移量不同。该漂移量经波长测试仪测量后，由O/E转换电路将光信号转化为电信号，再经数据处理器进行数据处理，最后由显示器输出，从而实现对应力、位移的高精度感测。

本发明的二维传感器，在小挠度条件下，作用于矩形弹性梁上的外力有两种形式：一种是外力垂直作用于矩形梁的一个面上，这时双光栅串中仅有一个光纤光栅的反射(或透射)中心波长产生漂移，而另一个光纤光栅的波长则不漂移；另一种是外力成一定角度θ(0°＜θ＜9°)斜向作用于矩形梁的一个面上，这时双光栅串中的两个光纤光栅的反射(或透射)中心波长都产生漂移。根据各自波长漂移量的大小，可以感测应力、位移的大小和方向。

本发明传感二维应力、位移的方法是：

当矩形弹性梁受到与XOY平面平行的二维力作用时，粘贴于其上的光纤光栅受到轴向应力作用，其栅距发生变化，导致相邻两个侧面上的光纤光栅的反射(或透射)中心波长漂移量不同。根据波长漂移量的增加或减小，利用应力矩阵、位移矩阵、合应力与合位移及方位角关系，即可高精度实时感测被测物的受力状态与形变状态(应力或位移的大小和方向)。

本发明的应力矩阵、位移矩阵、合应力与合位移、方位角关系分别为： $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_x\left(F\right)\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_y\left(F\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_x\left(F\right)\\ K_y\left(F\right)\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\end{array}\right].......\left(1\right)$ $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_x\left(\mathrm{\ω}\right)\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_y\left(\mathrm{\ω}\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_x\left(\mathrm{\ω}\right)\\ K_y\left(\mathrm{\ω}\right)\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\end{array}\right]......\left(2\right)$ $F=\sqrt{F_x^2+F_y^2},\mathrm{\Ω}=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_x^2+{\mathrm{\ω}}_y^2}........\left(3\right)$

                  α＝arctan(F_y/F_x)，β＝arctan(ω_y/ω_x)       (4)式中Δλ_x(F)、Δλ_y(F)分别是受应力作用时，两个光纤光栅波长λ_x(F)、λ_y(F)的漂移量；Δλ_x(ω)、Δλ_y(ω)分别是矩形弹性梁位移变化时，两个光纤光栅波长λ_x(ω)、λ_y(ω)的变化。K_x(F)、K_y(F)分别是两个垂直方向(即x、y方向)上的应力传感系数，K_x(ω)、K_y(ω)分别是x方向和y方向上的位移传感系数，F_i、ω_i(i＝x，y)分别是传感参量应力、位移在x方向和y方向上的分量。在小挠度条件下，(1)式和(2)式中的K_x(F)、K_y(F)、K_x(ω)和K_y(ω)均可视为常数。如：矩形弹性梁作为悬臂梁使用，双光栅串靠近梁的末端(即固定端)位置粘贴时，则各传感系数的大小可分别表示为K(F)＝[6λ_i(l-P_e)(L-δ_i)]/(Ebh²)、K(ω)＝[3λ_ih(1-p_e)(L-δ_i)]/(2L³)。其中，P_e是光纤的有效弹光系数，L、b、h、E分别是矩形弹性梁的长度、宽度、厚度、杨氏模量，λ_i(i＝x，y)分别表示粘贴在矩形梁上的双光栅串的中心波长，δ_i(δ_i＜＜L，i＝x，y)是两个传感光纤光栅各自的中心位置与梁固定端的距离，F、Ω分别是合应力、合位移，α、β分别是应力和位移在两个垂直方向上的方位角，其关系为tanβ＝{[K_y(F)·K_x(x)]/K_x(F)·K_y(x)}·tanα。当矩形弹性梁的横截面为正方形时，则α＝β，这时合应力F与合位移Ω的方向是一致的。

本发明的有益效果是传感器的传感基元仅为一根双光栅串，以此双光栅串为传感基元研制的二维传感器，既可实时感测应力、位移的大小，亦可实时感测其方向，结构简洁，易于系统集成。应用广泛。

附图说明

图1是双光栅串矩形悬臂梁感测结构示意图

图2是双光栅串矩形简支梁感测结构示意图

图3是本发明的反射式感测结构示意图

图4是数据处理器流程图

具体实施方式

本发明基本结构如附图所示：

光纤光栅1，光纤2，矩形弹性梁3，固定端4，梁长度5，梁宽度6，梁厚度7，应力8，光纤接插器9、光纤耦合器10，匹配液11，光源12，波长测试仪13，O/E电路14，数据处理器15，显示器16，传感信号17，信号数字化18，数据甄别19，逻辑判断20，传感矩阵计算21，数据存贮22，数据输出23。

在本发明的具体实施例子图3中，传感器包括光纤布拉格光栅1，单模光纤2，有机玻璃矩形梁3，铁金属固定端4，热缩套管9、2×2光纤耦合器10，匹配液11，宽带光源12，F-P波长测试仪13、O/E电路14、数据处理器15、显示器16等。双光栅串中的两个光纤光栅分别用102强力胶，沿矩形弹性梁的中性面与表面的交线平整地粘贴在靠近固定端相邻的两个侧面。矩形弹性梁作为悬臂梁使用，并以反射式方式进行连接：即2×2光纤耦合器一侧的两个端口，一端连接已粘贴的光纤布拉格光栅1，另一端置入匹配液11；而2×2光纤耦合器另外一侧的两个端口，一端接宽带光源12，另一端与波长测试仪13、O/E电路14、数据处理器15、显示器16依次连接。对于透射式结构，只需在图1中将2×2光纤耦合器10、匹配液11去掉，然后将双光栅串1的两端分别与宽带光源12和F-P波长测试仪13连接起来即可。

其中，悬臂梁3是一个均质、对称、各向同性的矩形有机玻璃体，其长度L＝120.0mm，宽度b＝5.0mm，厚度h＝3.0mm，杨氏模量E＝2.744×10³N/mm²；用于传感的光纤布拉格光栅串是用高掺锗光敏光纤以相位掩膜法研制的，其长度分别为l₁＝7mm和l₂＝10mm，测得反射率分别为96.5％和97.4％，中心波长反射的3dB带宽分别约为0.27nm和0.23nm；在室温20℃时，测得两个传感光纤光栅的中心波长分别为λ₁＝1547.20nm与λ₁＝1555.40nm，它们各自的中心位置与梁固定端的距离δ_x＝δ_y＝7.0mm；光纤的有效光弹系数p_e＝0.22。根据上述参数得到(1)式和(2)式传感系数矩阵的理论计算值分别为 $\left[\begin{array}{c}{K}_x\left(F\right)\\ K_y\left(F\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}6.62\mathrm{nm}/N\\ 3.98\mathrm{nm}/N\end{array}\right]......\left(5\right)$ $\left[\begin{array}{c}{K}_x\left(\mathrm{\ω}\right)\\ K_y\left(\mathrm{\ω}\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0.36\mathrm{nm}/N\\ 0.59\mathrm{nm}/N\end{array}\right].....\left(6\right)$

数据处理器15由硬件与软件构成，它根据应力矩阵、位移矩阵及方位角关系，将光纤光栅二维传感器感测的应力信号和位移信号输入显示器16分别输出。

应力F、位移Ω在x、y方向上的分量F_x、F_y和ω_x、ω_y，可用(1)式和(2)式计算得到；F、Ω的大小用(3)式求出，F、Ω的方位角α、β用(4)式求出。利用光纤光栅波长绝对编码的特性，通过监测传感光栅串中心波长漂移的大小及指向，即可实现应力、位移的二维实时感测。表1给出了Δλ_x、Δλ_y变化与F、Ω方位角α、β之间的关系。

表一传感光栅串的波长漂移与方位角关系

传感光栅串反射波长漂移量	应力F方位角α与位移Ω方位角β
		Δλx＞0，Δλy＞0	第一象限
Δλx＜0，Δλy＞0	第二象限
		Δλx＜0，Δλy＜0	第三象限
Δλx＞0，Δλy＜0	第四象限

在室温T＝20℃的条件下，应力F变化范围为-1.5～+1.5N或位移Ω的变化范围为与-20.0～+20.0mm时，经对该二维传感器多次实测，(1)式和(2)式传感系数矩阵的实测拟合值分别为 $\left[\begin{array}{c}{K}_x\left(F\right)\\ K_y\left(F\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}6.09\mathrm{nm}/N\\ 3.66\mathrm{nm}/N\end{array}\right]......\left(7\right)$ $\left[\begin{array}{c}{K}_x\left(\mathrm{\ω}\right)\\ K_y\left(\mathrm{\ω}\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0.33\mathrm{nm}/N\\ 0.54\mathrm{nm}/N\end{array}\right].....\left(8\right)$

对比(5)式～(8)式可知，传感系数矩阵的实验拟合值与理论计算值符合得很好，二者之比达到92％以上。

在本发明的具体实施例子图3中，F的方位角α＝45°，Ω的方位角β＝21.5°。于是，两个传感光纤光栅中心波长漂移量Δλ_x、Δλ_y，分别与应力F、位移Ω的实测拟合方程分别为

                          Δλ_x＝4.31F                         (9)

                          Δλ_y＝2.59F                         (10)

                          Δλ_x＝0.31Ω                        (11)

                          Δλ_y＝0.19Ω                        (12)

从实测拟合方程可见，Δλ_x、Δλ_y分别与F、Ω成良好的线性关系，它们的直线拟合度分别达到0.998、0.997、0.997和0.996。

对应力、位移实施具体感测时，首先根据(1)式和(2)式、(7)式和(8)式，由Δλ_x、Δλ_y得到应力F、位移Ω在x和y方向上分量的感测值F_x和F_y、x和y；然后，再根据(3)式分别求出合应力F、合位移Ω的大小，进而根据(4)式求出方位角α、β，确定F、Ω的方向。

实测中，该二维传感器的工作环境温度需保持恒温。经过多次实测，其在T＝-20℃～+60℃范围内，只要保持该二维传感器在某一恒温，即可高精度实时感测二维应力、位移)。

在二维压力或应变感测中，可将上述(1)式中的应力参量用压力参量或应变参量替换即可。

此外，在双光栅串中再串接一个温度补偿光纤光栅，该光栅的中心波长不同于双光栅串的中心波长，且不粘贴在矩形弹性梁上，因此，它不受外应力的作用而仅受环境温度的影响。于是，在双光栅串实时感测二维应力、位移的中心波长漂移量中，减去温度补偿光纤光栅中心波长的漂移量，即可实现温度补偿的应力、位移二维实时感测。

Claims (10)

1、一种光纤光栅二维传感器，其特征在于：它包括光纤光栅、光纤、矩形弹性梁、固定端、光纤接插器、光纤耦合器(或光环行器)、匹配液、光源、波长测试仪、O/E电路、数据处理器、显示器；双光栅串中的两个光纤光栅分别用粘结剂，沿矩形弹性梁的中性面与表面的交线平整地粘贴在相邻的两个侧面；若矩形弹性梁作为悬臂梁使用，光纤光栅粘贴在梁的末端位置；若矩形弹性梁作为简支梁使用，则光纤光栅粘贴在梁的中心位置。本二维传感器的连接有两种方式：

反射式连接，即光纤耦合器(2×2或1×2光纤耦合器)或光环行器(三端口或四端口光环行器)一侧的两个端口，一端连接已粘贴的双光栅串，另一端置入匹配液；而光纤耦合器另外一侧的两个端口，一端接光源，另一端与波长测试仪、O/E电路、数据处理器、显示器依次连接；或

透射式连接，即不用光纤耦合器(或光环行器)，将双光栅串的一端与光源直接连接，另一端与波长测试仪、O/E电路、数据处理器、显示器依次连接。

所述的数据处理器根据应力矩阵、位移矩阵、合应力与合位移及方位角关系，可将光纤光栅传感器感测的应力、位移信号输入显示器分别输出。

2、根据权利要求1所述的光纤光栅二维传感器，其特征在于：所述的应力矩阵、位移矩阵、合应力与合位移、方位角关系分别为： $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_x\left(F\right)\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_y\left(F\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_x\left(F\right)\\ K_y\left(F\right)\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\end{array}\right]$ $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_x\left(\mathrm{\ω}\right)\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_y\left(\mathrm{\ω}\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_x\left(\mathrm{\ω}\right)\\ K_y\left(\mathrm{\ω}\right)\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\end{array}\right]$ $F=\sqrt{F_x^2+F_y^2},\mathrm{\Ω}=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_x^2+{\mathrm{\ω}}_y^2}$

                  α＝arctan(F_y/F_x)，β＝arctan(ω_y/ω_x)式中Δλ_x(F)、Δλ_y(F)分别是受应力作用时，两个光纤光栅波长λ_x(F)、λ_y(F)的漂移量；Δλ_x(ω)、Δλ_y(ω)分别是矩形弹性梁位移变化时，两个光纤光栅波长λ_x(ω)、λ_y(ω)的变化。K_x(F)、K_y(F)分别是两个垂直方向(即x、y方向)上的应力传感系数，K_x(ω)、K_y(ω)分别是x方向和y方向上的位移传感系数，F_i、ω_i(i＝x，y)分别是传感参量应力、位移在x方向和y方向上的分量。在小挠度条件下，上式中的K_x(F)、K_y(F)、K_x(ω)和K_y(ω)均可视为常数。

3、根据权利要求1所述的光纤光栅二维传感器，其特征在于：所述的矩形弹性梁是一个均质、对称、各向同性的实心弹性体，横截面为矩形或方形，材质可为有机玻璃、金属、合金、塑料、橡胶或尼龙。

4、根据权利要求1所述的光纤光栅二维传感器，其特征在于：所述的传感基元仅为一根双光栅串，它是将两个不同波长的布拉格光栅写入同一根光纤的两个不同位置制成的。

5、根据权利要求1所述的光纤光栅二维传感器，其特征在于：所述的光纤光栅为玻璃或塑料的光纤布拉格光栅。

6、权利要求1所述的光纤光栅二维传感器传感应力、位移的方法，其特征在于：

1)将双光栅串中的两个光纤布拉格光栅，粘结剂沿矩形弹性梁的中性面与表面的交线平整地粘贴在相邻的两个侧面上；

2)当矩形弹性梁受到与XOY平面平行的二维力作用时，粘贴于其上的光纤光栅受到轴向应力作用，其栅距发生变化，导致相邻两个侧面上的光纤光栅的反射(或透射)中心波长漂移量不同；

3)根据波长漂移量的增加或减小，利用应力矩阵、位移矩阵、合应力与合位移及方位角关系，即可高精度实时感测被测物的受力状态与形变状态(应力、位移的大小和方向)；应力矩阵、位移矩阵、合应力与合位移、方位角关系分别为： $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_x\left(F\right)\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_y\left(F\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_x\left(F\right)\\ K_y\left(F\right)\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\end{array}\right]$ $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_x\left(\mathrm{\ω}\right)\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_y\left(\mathrm{\ω}\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_x\left(\mathrm{\ω}\right)\\ K_y\left(\mathrm{\ω}\right)\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\end{array}\right]$ $F=\sqrt{F_x^2+F_y^2},\mathrm{\Ω}=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_x^2+{\mathrm{\ω}}_y^2}$

                 α＝arctan(F_y/F_x)，β＝arctan(ω_y/ω_x)式中Δλ_x(F)、Δλ_y(F)分别是受应力作用时，两个光纤光栅波长λ_x(F)、λ_y(F)的漂移量；Δλ_x(ω)、Δλ_y(ω)分别是矩形弹性梁位移变化时，两个光纤光栅波长λ_x(ω)、λ_y(ω)的漂移量；K_x(F)、K_y(F)分别是两个垂直方向(即x、y方向)上的应力传感系数，K_x(ω)、K_y(ω)分别是x方向和y方向上的位移传感系数，F_i、ω_i(i＝x，y)分别是传感参量应力、位移在x方向和y方向上的分量。

7、根据权利要求1所述的光纤光栅二维传感器，其特征在于：所述的光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器；所述的光环行器是三端口或四端口光环行器。

8、根据权利要求1所述的光纤光栅二维传感器，其特征在于：所述的工作环境温度是-20℃～+60℃之间的某一恒温。

9、根据权利要求1所述的光纤光栅二维传感器，其特征在于：在双光栅串中再串接一个温度补偿光纤光栅，该光栅的中心波长不同于双光栅串的中心波长，且不粘贴在矩形弹性梁上，于是，在双光栅串实时感测二维应力、位移的中心波长漂移量中，减去温度补偿光纤光栅中心波长的漂移量，即可实现温度补偿的应力、位移二维感测。

10、根据权利要求1所述的二维传感器和6所述的二维感测方法，其特征在于：该传感器可用于压力、应变的二维实时感测。

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