CN1995924A - 光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤光栅传感器。它包括一个光学传感元件，金属圆筒和封装用聚合物材料。光学传感元件包括光纤光栅，光纤光栅用聚合物材料封装起来。金属圆筒一端有底，底上有一个小孔，一端开口，如杯子状。将光纤光栅用聚合物材料封装起来，并且封装成一定的形状，然后将封装后的光纤光栅密封在金属圆筒内，金属圆筒内的封装好的光纤光栅不接触金属圆筒的内壁。该压力传感器结构简单，灵敏度高，制作工艺简单，成本较低，而且金属圆筒和封装用聚合物材料可以根据传感器的工作环境进行灵活多样的选择。

Description

光纤光栅传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，更具体地它是一种光纤光栅传感器。

背景技术

光纤布拉格光栅是一种性能优异的窄带反射滤波器件。它具有抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀以及体积小、重量轻等诸多优点。自从光纤光栅用于传感技术以来，光纤光栅传感器理论和技术受到了人们的广泛关注，已经被广泛应用于应变、压力、温度、流量等多种物理量的传感测量。光纤光栅传感器的工作原理是借助某种装置将被测参量的变化转化为作用于光纤光栅上的应变或温度的变化，从而引起光纤光栅布拉格波长的变化。通过建立并标定光纤光栅的应变或温度响应于被测参量变化关系，就可以有光纤光栅布拉格波长的变化，测量出被测量的变化。

尽管裸光纤布拉格光栅有诸多的优点，但是，因其机械性能差、传感灵敏度不高，特别是压力灵敏度较低，从而限制了它在许多方面的应用。M.G.Xu等人在电子学信件(1993，29(4)，398～399)上报道了对裸露的光纤光栅的压力传感特性进行了研究，结果发现：在70Mp的高压下，光纤光栅中心反射波长仅移动了0.22nm，其压力灵敏系数为-1.98×10^-6/Mpa。因此，压力传感器增敏的理论和技术研究就成了光纤光栅压力传感测量乃至其他可以转换为压力参量传感测量的一个核心问题。

1996年，M.G.Xu等人在电子学信件(1996，32(2)，128～129)上报道，将光纤布拉格光栅固定于空心的玻璃球结构中，利用玻璃球的放大作用提高光纤布拉格光栅对压力的灵敏度。实验中M.G.Xu等人玻璃球的直径为5.5mm，壁厚为500μm，测得的压强传感的灵敏度为-21.2×10^-6/MPa，其灵敏度提高了4倍，很明显这种方法的增敏效果差，而且玻璃球在压力下容易损坏。

另外，张颖在其博士论文(P56)中介绍说国外还有报道将光纤光栅埋置于金属中，或粘贴在尼龙衬底上等方法来提高光纤光栅的压力灵敏度，但是，这些方法或结构复杂或压力灵敏度改进不大，尤其是未能避免封装过程中的啁啾。

2000年liu等人在电子学信件(2000，26(6)，564～566)上报道应用聚合物封装的办法将光纤布拉格光栅的压力灵敏系数提高到-62.8×10^-6/MPa，其灵敏度提高了31.7倍。此外用聚合物对光纤光栅进行封装处理，聚合物一方面起增敏作用，另一方面对光纤光栅有保护作用，从而增加了光纤光栅对环境的适应性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提供一种光纤光栅传感器，该传感器不仅具有高的灵敏度，而且结构简单、成本低，可以在满足多种工作环境的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：光纤光栅传感器，其特征在于它由金属圆筒、聚合物材料和光学传感元件组成，所述光学传感元件为光纤光栅，光纤光栅外封装有聚合物材料，被封装的光纤光栅密封在金属圆筒内。金属圆筒可以屏蔽外界的轴向以外的压力，同时起保护作用。

在上述技术方案中，所述聚合物材料为聚氨酯弹性体。聚合物可以提高光纤光栅的压力灵敏度，同时起保护光纤的作用。

在上述技术方案中，所述封装在光纤光栅外的聚氨酯弹性体为形，其横向边的长度大于纵向边的长度。

在上述技术方案中，所述位于金属圆筒外端和位于聚氨酯弹性体外端的光纤为有涂覆层的光纤。

在上述技术方案中，所述金属圆筒为一端开口，一端有底，并且底上有小孔；所述光纤光栅被密封在聚氨酯弹性体内，聚氨酯弹性体被密封在金属圆筒内，在靠近金属圆筒开口端，聚氨酯弹性体与金属圆筒的直径相同，且被胶粘剂连接。

在上述技术方案中，密封光纤光栅的聚氨酯弹性体另一部分的直径d与金属圆筒的直径D的关系为0.1＜d/D＜1。

封装过程在模具中进行，封装后的光纤的直径小于金属圆筒的直径，在其一端有一个和金属圆筒内径相当的圆形底，底和封装光纤的聚合物材料是一体的。将封装后的光纤放入金属圆筒后，再用胶粘剂将聚合物材料和金属圆筒壁粘接好，将封装的光纤密封在金属圆筒中。当外界压力变化时，压力作用在聚合物材料上，聚合物材料产生形变，并带动光纤光栅一起发生形变，引起布拉格波长发生变化，以此测量外界压力的变化。由于聚合物材料的杨氏模量较低，同样的压力作用下，可以发生更大的形变，起到提高灵敏度的作用。由于金属圆筒的屏蔽作用，封装的光纤光栅只能发生轴向形变，可以更好地测量外界压强的变化。

本发明在使用性能上的最大特点是具有高的压力灵敏度，而且可以在多种工作环境下使用。

本发明在结构上的特点是将光纤光栅封装在聚合物中，并且在外面加一个金属圆筒，封装的光纤光栅不和金属圆筒的壁接触，金属圆筒一端用聚合物材料密封，另一端则为金属圆筒本身的金属底。整个结构简单，制作工艺简单易行，体积小，质量轻。

本发明的有益效果是：可以准确的测量外界压力的变化，灵敏度高，可以适应多种工作环境的要求，结构简单，成本低。

附图说明

图1是本发明光纤光栅传感器的外观图。

图2为本发明光纤光栅传感器的剖面结构图。

图3是本发明的金属圆筒部分结构图。

图4为封装后光纤光栅的剖面图。

图5为本发明光纤光栅传感器的金属外圆筒封装结构。

图6为本发明光纤光栅传感器的Bragg波长与压力的关系曲线。

图7为聚合物的泊松比对灵敏度K_p的影响。

图8为聚合物的杨氏模量对灵敏度K_p的影响。

图9为封装结构尺寸d/D对灵敏度K_p的影响。

图中1.金属圆筒，2.聚合物材料，3.有涂覆的光纤，4.光纤光栅，5.空气，6.孔。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，同时通过说明本以明的优点将变得更加清楚和容易理解。

将光纤光栅4用聚合物材料2封装，封装后的形状如图4所示，有涂覆的光纤3从聚合物材料2中传出。将封装好的光纤光栅小心放入金属圆筒1中，不接触金属圆筒1的壁，两者之间充满空气5，并且使有涂覆分光纤3穿过孔6，然后将金属圆筒1的开口端和封装的聚合物材料2用胶粘剂粘接起来。

相关分析及验证实验：

金属外圆筒封装结构及光纤光栅的传感特性：

金属外圆筒封装结构(如图5所示)：用长为60.40mm、外径为18.30mm、内径为16.31mm的金属管封装，设计 $f=\frac{d^2}{D^2}=1,$ d、D分别为图5所示的金属外圆筒封装结构中的圆柱体的直径。使用中心反射波长为1556.815nm的光纤光栅，所用聚氨酯聚合物的弹性模量为3.5×10⁷N/m²，泊松比为0.475，得到的光纤光栅传感器。在室温、0.1～0.6MPa的压力范围内，对光纤光栅传感器的压力传感特性进行测试，得到不同压力下的光谱图，该传感器的压力响应曲线如图6所示。

从图6可看出，随着压力的增加，该传感器的中心波长向短波方向漂移，根据图6的数据得该传感器的压力灵敏度为-5.0 229×10^-3/MPa。相当于每改变1兆帕的压力，该传感器的中心波长移动5.588nm，其压力灵敏度比裸光纤光栅的压力灵敏度(-2.78×10⁶/MPa)提高了1807倍。该实验数据比理论计算值小，其原因与在封装工艺中采取了加热固化成型以及该结构的压力传递不灵敏有关。

金属外圆筒封装结构及其增敏效果分析

金属外圆筒封装结构及压力增敏的数学建模：

如图5所示，在该封装结构中，外圆筒为金属如铝、铜等，其杨氏模量为E_al。内层为封装聚合物材料，封装聚合物材料杨氏模量为E_p，封装聚合物材料泊松比为υ_p。

由于E_al＞＞E_p，近似认为铝金属外筒为刚体，在静压力p作用下，聚合物的应力为：

${\mathrm{\σ}}_z=-\frac{p\frac{1}{4}{\mathrm{\πD}}^2}{\frac{1}{4}{\mathrm{\πd}}^2}=-\frac{1}{f}p---\left(1\right)$

其中 $f=\frac{d^2}{D^2},$ d、D分别为图2.14所示的金属外圆筒封装结构(二)中的圆柱体的直径。聚合物的应变为：

${\mathrm{\ϵ}}_z=-\frac{1}{f}\frac{p}{E_p}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_r={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{D_p}{f}\frac{p}{E_p}---\left(3\right)$

按图2.14结构进行封装得到的传感器的压力灵敏度K_p：

$K_p=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{B}p}{\mathrm{\Δ\λ}}_B=\frac{1}{p}\{{\mathrm{\ϵ}}_z-\frac{n_e^2}{2}[(P_{11}+P_{12})]{\mathrm{\ϵ}}_r+P_{12}{\mathrm{\ϵ}}_z]\}$

$=\frac{1}{p}\{\left(1-\frac{n_e^2}{2}{p}_{12}\right){\mathrm{\ϵ}}_z-\frac{n_e^2}{2}\left[(P_{11}+P_{12}){\mathrm{\ϵ}}_r\right]\}---\left(4\right)$

$=-\frac{1}{{\mathrm{fE}}_p}\{(1-\frac{n_e^2}{2}{p}_{12})+\frac{n_e^2}{2}\left[(P_{11}+P_{12}){\mathrm{\υ}}_p\right]\}$

按图5结构进行封装得到的传感器的压力灵敏度K_p不仅与封装聚合物材料杨氏模量E_p、泊松比υ_p有关，还与两圆柱体的直径之比的平方 $f=\frac{d^2}{D^2}$ 有关。

对所选用光纤，P₁₁＝0.121，P₁₂＝0.270，n_c＝1.46。将P₁₁＝0.121，P₁₂＝0.270，n_e＝1.46代入(2.50)得：

$K_p=-\frac{1}{{\mathrm{fE}}_p}(0.417{\mathrm{\υ}}_p+0.712)---\left(5\right)$

金属外圆筒封装结构的增敏效果及聚合物的参数对光纤光栅压力灵敏度的影响：

为预测金属外圆筒封装结构的增敏效果及进行封装聚合物材料的优化设计，我们对封装聚合物材料的参数对封装后的光纤光栅的压力灵敏度K_p的影响规律进行了研究。

图7为聚合物的泊松比对灵敏度K_p的影响，▲E_p＝10⁸Nm²，●E_p＝5×10⁷Nm^-2，■E_p＝10⁷Nm^-2(f＝1)。

图8为聚合物的杨氏模量对灵敏度K_p的影响，▲υ_p＝0.48，●υ_p＝0.45，■υ_p＝0.40(f＝1)。

图9为封装结构尺寸d/D(d、D均为图5所示的封装结构的直径)对灵敏度K_p的影响，

▲E_p＝10⁷Nm^-2，●E_r＝5×10⁷Nm²，■E_p＝10⁸Nm(υ_p＝0.45)

从图7可看出，聚合物的泊松比对灵敏度K_p的影响较小。从图8可看出，杨氏模量对灵敏度K_p的影响为：当聚合物的杨氏模量小于10⁸Nm²，随着杨氏模量降低，灵敏度K_p迅速增加，当聚合物的杨氏模量大于10⁸Nm^-2，杨氏模量对灵敏度K_p的影响较小。

因此对图5的封装结构，合成制备出杨氏模量小的聚合物用于封装，可大大提高封装后光纤光栅的灵敏度。

从图9可看出，对图5的封装结构，结构尺寸d/D对灵敏度K_p有一定的影响，随着d/D减小，灵敏度K_p增加。实际设计时要考虑在增加灵敏度K_p的同时保持结构小尺寸的优势，进行优化设计。

将不同封装聚合物材料特性参数泊松比和杨氏模量代入式，计算该单层封装结构的压力敏感系数K_p，其计算结果见图7和图8，取封装聚合物的泊松比υ_p＝0.48、杨氏模量E_p＝10⁸N/m²，d/D＝0.5，计算K_p得：K_p＝5.2×10^-2/MPa，其灵敏度可提高18571倍。

需要说明的是：对于所属领域的技术人员来说，在不改变本发明原理的前提下还可以对本发明做出若干的改变或变形，这同样属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.光纤光栅传感器，其特征在于它由金属圆筒、聚合物材料和光学传感元件组成，所述光学传感元件为光纤光栅，光纤光栅外封装有聚合物材料，被封装的光纤光栅密封在金属圆筒内。

2.根据权利要求1所述光纤光栅传感器，其特征在于所述聚合物材料为聚氨酯弹性体。

3.根据权利要求1或2所述光纤光栅传感器，其特征在于所述封装在光纤光栅外的聚氨酯弹性体为形，其横向边的长度大于纵向边的长度。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅传感器，其特征在于所述位于金属圆筒外端和位于聚氨酯弹性体外端的光纤上有涂覆层。

5、根据权利要求4所述的光纤光栅传感器，其特征在于所述金属圆筒为一端开口，一端有底，底上有小孔；所述光纤光栅被密封在聚氨酯弹性体内，聚氨酯弹性体被密封在金属圆筒内，在靠近金属圆筒开口端，聚氨酯弹性体与金属圆筒的直径相同，且被胶粘剂连接。

6、根据权利要求5所述的光纤光栅传感器，其特征在于所述密封光纤光栅的聚氨酯弹性体另一部分的直径d与金属圆筒的直径D的关系为0.1＜d/D＜1。

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