CN1412530A - 应变和温变同时测量的单光纤光栅封装方法及其传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种应变和温变同时测量的单光纤光栅封装方法及其传感器，是光纤传感领域里的一种发明设计，特别是一种应变和温变同时测量的单光纤光栅传感器，属于传感技术领域。将一根分成两段，用两种不同的化学聚合物分别对光纤光栅进行封装，使用光纤光栅、宽带光源，波长测试仪，2×2光纤耦合器，匹配液，压力罐，压力表组装成传感器，封装后的光纤光栅受到外界作用时，光纤光栅的反射谱中将出现两个反射峰，只要测得两个反射峰之间的波长差，即可实现应变和温变的同时测量。

Description

应变和温变同时测量的单光纤光栅封装方法及其传感器

技术领域

本发明是光纤传感领域里的一种发明设计，特别是一种应变和温度同时测量的单光纤光栅传感器，属于传感技术领域。

技术背景

光纤光栅是以输出光波长为信息的一种新型光子器件。将光纤光栅用于传感的技术即光纤光栅传感器用于应力、应变和温度、温变测量，具有方便、灵敏、精度高、耐酸碱、抗电磁干扰等诸多优良特性，现已被广泛应用于工业、建筑业、国防和科学研究等各个领域。但现行方案都是单一测量结构，即利用一只光纤光栅只能测量单一参数-温变、应变或应力。检索结果表明，目前没有一种基于上述两种不同化学聚合物封装的、可同时测量应变和温变的单一光纤光栅传感器。

发明内容

本发明的目的旨在设计出一种利用一只光纤光栅同时测量应变和温度的传感器。该传感器可用于需要同时测量应变和温度的各种场合和场地。其技术方案是：首先用标记线将一光纤光栅标出两段。先用一种对弹性和温度均较为敏感的化学聚合物甲封装其中的一段，待固化后再将整个光纤光栅封装于另一种只起保护作用而不改变光纤光栅其应力和温度灵敏度的化学聚合物乙中。经这样封装后的光纤光栅在接入宽带光源经波长测试仪测试后，由于甲、乙两种聚合物具有不同的力学和温度特性，封装后的光纤光栅受到外界的作用后，光纤布拉格光栅的反射谱中将出现两个反射峰，即在原中心波长附近出现另外一个反射峰。使用中，只要测得两个反射峰之间的波长差，由下列应变-温变关系式，即可求得待测体的应变和温变值。 $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}/{\mathrm{\λ}}_{B1}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}/{\mathrm{\λ}}_{B2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\η}}_{11}\left(\mathrm{\ϵ}\right)& {\mathrm{\η}}_{12}\left(T\right)\\ {\mathrm{\η}}_{21}\left(\mathrm{\ϵ}\right)& {\mathrm{\η}}_{22}\left(T\right)\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right].......\left(1\right)$

式中的λ_B1、λ_B2、Δλ_B1、Δλ_B2分别为封装后光纤布拉格光栅测试前后两个反射峰的中心波长及其位移量，η(ε)、η(T)分别是应变和温变系数，ε、ΔT分别是应变和温变。

由于传感头上的应变可以由压力、应力等力学量施加产生，因此，应变传感可以通过压力传感(包括应力传感、位移传感等)来实现。于是，压力-温变关系式为 $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}/{\mathrm{\λ}}_{B1}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}/{\mathrm{\λ}}_{B2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\η}}_{11}\left(P\right)& {\mathrm{\η}}_{12}\left(T\right)\\ {\mathrm{\η}}_{21}\left(P\right)& {\mathrm{\η}}_{22}\left(T\right)\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}P\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right].....\left(2\right)$ 式中P是压力，η(P)是压力系数。η(P)与η(ε)的关系为 $\mathrm{\η}\left(P\right)=-\frac{(1-2\mathrm{\μ})}{E}\mathrm{\η}\left(\mathrm{\ϵ}\right).......\left(3\right)$

式中μ、E分别是化学聚合物的泊松比、杨氏模量。

也可将一只光纤光栅分成几段，依次进行封装，同时测量几个参数。

本发明的有益效果是利用一只光纤光栅设计的传感器，在各种场合和场地可同时测量应变和温度。

附图说明

图1是聚合物封装的光纤光栅传感头结构图。其中，光纤布拉格光栅1，带包层的光纤2，化学聚合物甲3，化学聚合物乙4。

图2是应变和温变同时测量的单光纤光栅传感器结构示意图。其中，宽带光源5，波长测试仪6，光纤耦合器7，匹配液8，压力罐9，压力表10。

具体实施方式

将光纤布拉格光栅1用标记线标出两段，先将其中的一段用模具封装成3×3×20mm柱体，使光纤光栅1位于柱体的中心，封装成聚胺脂甲3；然后，待聚胺脂甲3固化后，再将整个光纤光栅封装于4×4×40mm的聚酰胺乙4中，光纤光栅也必须位于聚酰胺乙4的中心。

在具体实施例子图2中，传感器包括光纤布拉格光栅1，带包层的光纤2，化学聚合物甲3，化学聚合物乙4，宽带光源5，波长测试仪6，2×2光纤耦合器7，匹配液8，压力罐9，压力表10。连接方式：2×2光纤耦合器7一侧的两根光纤，一根插入匹配液8，另一根连接已封装的光纤布拉格光栅1，并将其放入压力罐9中，压力表10与压力罐9相连；2×2光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接宽带光源5，另一根接波长测试仪6。

传感器所用的光纤布拉格光栅是利用相位掩膜法制作的，其长度10mm，中心反射波长为1550.39nm，峰值反射率为80％，谱宽为0.33nm。图3是聚合物封装前后光纤光栅的反射谱图。其中，(a)是封装前光纤光栅的反射谱图，(b)是封装后光纤光栅的反射谱图。由图3可知，封装后的光纤光栅在1540.50nm和1550.30nm处出现两个反射峰(分别称之为峰1和峰2)。

根据实际测量数据，得到的(2)式测量拟合值为

由(4)式可知，反射峰1的压力系数是-5.24×10^-5/MPa，温变系数是5.69×10^-5/℃；反射峰2的压力系数是-1.98×10^-6/MPa，温变系数是6.58×10^-6/℃。

实用中，测量压力和温变时，系统首先测量传感光纤光栅的两个反射峰之间的波长差，然后由相关的软件根据(4)式即可得到压力P和温变ΔT的具体数值。

Claims (8)

1、一种应变和温变同时测量的单光纤光栅的封装方法，用化学聚合物封装光纤，其特征在于：将一只光纤光栅分成甲乙两段，甲段封装于化学聚合物甲中，然后将光纤光栅整体封装于化学聚合物乙中。

2、根据权利要求1所述的应变和温变同时测量的单光纤光栅的封装方法，其特征在于：所述的化学聚合物甲是聚酰胺类树脂，化学聚合物乙是聚胺脂类树脂；或聚合物乙是聚酰胺类树脂，化学聚合物甲是聚胺脂类树脂。

3、根据权利要求1所述的应变和温变同时测量的单光纤光栅的封装方法，其特征在于：所述的光纤光栅聚合物封装形状是长方体或圆柱体。

4、根据权利要求1所述的应变和温变同时测量的单光纤光栅的封装方法，其特征在于：所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅。

5、根据权利要求1所述的应变和温变同时测量的单光纤光栅的封装方法，其特征在于：甲乙两段长度的比是1∶(1～3)，或(1～3)∶1，最佳比例是1∶1。

6、根据权利要求1所述的应变和温变同时测量的单光纤光栅的封装方法，其特征在于：可将一只光纤光栅分成几段，依次进行封装，可以同时测量几个参数。

7、根据权利要求1所述的方法设计的传感器，其特征在于：传感器包括光纤布拉格光栅(1)，带包层的光纤(2)，化学聚合物甲(3)，化学聚合物乙(4)，宽带光源(5)，波长测试(6)，2×2光纤耦合器(7)，匹配液(8)，压力罐(9)，压力表(10)，其连接方式：2×2光纤耦合器(7)一侧的两根光纤，一根插入匹配液(8)，另一根连接已封装的光纤布拉格光栅(1)，并将其放入压力罐(9)中，压力表(10)与压力罐(9)相连；2×2光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接宽带光源(5)，另一根接波长测试仪(6)。

8、根据权利要求7所述的传感器，其特征在于：所述的光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器。

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