CN201555675U - 基于研磨保偏光纤光栅的应力传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于研磨保偏光纤光栅的应力传感器，该传感器的宽带光源(10)与耦合器的第一端(1)连，耦合器的第二端(2)与保偏光纤(41)的一端连，耦合器的第三端(3)与光谱仪(60)输入端连；在保偏光纤写入光栅形成保偏光纤光栅(40)，保偏光纤光栅粘贴于放置光纤用的微晶玻璃(50)的V型刻槽中；定位基准块(51)固定在底板(52)上；研磨块(36)置保偏光纤光栅的正上方。检测应力时，启动研磨机对保偏光纤光栅进行研磨，当研磨块接触到定位基准块时，研磨停止；利用光谱仪(60)对保偏光纤光栅双反射光谱的中心波长差进行记录；用计算机处理并显示结果。最终的位移测量精度为0.01μm，保证了应力测量精度。

Description

基于研磨保偏光纤光栅的应力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤光栅应力传感器，适用于高精度的应力检测。

背景技术

光纤光栅传感器属于波长绝对编码测量，不怕电磁干扰，适用于恶劣危险环境，在波分或时分多参数传感器应用中，只需一台仪器即可实现寻址，易于构建灵巧结构的光纤传感网络，光纤光栅传感器还具有灵敏度高、动态范围大的优点，因此有着非常广阔的发展前景。

传统的利用光纤光栅检测应力的方法是将应力直接作用在光纤光栅的轴向，由于应力的作用，导致光纤光栅有效折射率和光栅栅距的变化，从而使光栅中心反射波长产生漂移，波长变化与应力成线性关系，光纤光栅的应力调谐范围直接取决于光纤的弹性和强度，这就必然决定了此方法对于应力测量的局限性，即无法对较大的应力进行检测。

光纤光栅如果要实现对较大应力的测量，就需要先将待测应力量转化为位移量，将位移量的测量结果代入物体自身的应力-位移关系式，便可实现大应力测量。光纤布拉格光栅用作微位移检测时，一般使用利用悬臂梁和简支梁结构的位移应变传感器，二者原理相似：都是先利用粘贴在悬臂梁或简支梁上的光栅对梁上的不同点进行应变测量，再经过换算得到实际的应变和位移结果。这种方法结构简单，线性好，但是难以消除温度和应变的交叉敏感问题，如果要消除环境温度对位移传感的干扰，就要在梁的两侧分别粘贴光纤光栅，这样就增加了结构的复杂度。这两种情况还存在共同的问题：由于梁结构自身误差难以消除以及光纤光栅的粘贴质量无法保证，导致悬臂梁或简支梁自由端的应变在转化为光纤光栅的应变时有一定的损失，从而导致位移测量精度较低，当在位移量转化为应力量时，误差将进一步放大。

实用新型内容

本实用新型所要解决其技术问题是，提供一种基于研磨保偏光纤光栅的应力传感器，克服了传统的光纤光栅应力传感器测量精度低，温度因素干扰大的问题。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于研磨保偏光纤光栅的应力传感器，该装置包括，宽带光源、耦合器、光纤研磨机、保偏光纤光栅、保偏光纤、放置光纤用的微晶玻璃、定位基准块、底板、光谱仪。

所述宽带光源与耦合器的第一端连接，耦合器的第二端与保偏光纤的一端连接，耦合器的第三端与光谱仪的输入端连接；在保偏光纤写入光栅形成保偏光纤光栅。

保偏光纤光栅置于放置光纤用的微晶玻璃的V型刻槽中，并粘贴在V型刻槽壁上。

将定位基准块放置在放置光纤用的微晶玻璃的前侧或后侧，固定在底板上。

光纤研磨机的研磨块置于保偏光纤光栅的正上方，研磨块与保偏光纤光栅不接触。

该传感器实现应力检测的原理：本传感器使用保偏光纤，光纤中两个正交的偏振模的相位传播常数差别很大，导致快慢轴有效折射率不同，因而对应的光栅反射波长也不同，形成两个反射波峰，被测物在应力作用下发生形变，形变所产生的被测物向上位移量与放置光纤用的微晶玻璃向上的位移量相等，保偏光纤高出定位基准块部分的高度即为此位移量，启动光纤研磨机，研磨块开始对保偏光纤光栅段进行研磨，接触到定位基准块时，研磨停止，这时，被研磨掉光纤部分的厚度即为被测物的形变位移量。由于在慢轴方向进行光纤研磨，此方向对应的折射率会发生改变，导致反射光谱发生漂移，通过对双反射谱波长差的检测，得到被测物的形变位移量，根据被测物形变位移量与应力的对应关系，得到最终的应力量。

本实用新型的有益效果：本实用新型利用保偏光纤光栅具有双反射光谱的性质，所以测量量为波长间隔，对测量的绝对精度不作要求，这将给其应用带来非常大的便利；使用光谱仪进行波长差的解调，提高了测量精度；两峰的中心波长间隔受温度影响极小，为保证测量精度创造了有利条件；使用高精度光纤研磨机，保证了研磨精度，此传感器可以分辨0.01μm的形变位移量，保证了应力测量精度

附图说明

图1基于研磨保偏光纤光栅的应力传感器示意图

图2基准块定位下的光纤研磨部分放大图

图中，宽带光源10、耦合器20、光纤研磨机30、保偏光纤光栅40、放置光纤用的微晶玻璃50、定位基准块51、底板52、光谱仪60、计算机61，其中光纤研磨机30包括传送带31、定位传感器接触点32、定位传感器33、注入研磨泥浆34、研磨块支撑架35、研磨块36。

具体实施方式

结合附图对本实用新型作进一步说明。

一种基于研磨保偏光纤光栅的应力传感器，见图1、2。该传感器包括，宽带光源10、耦合器20、光纤研磨机30、保偏光纤光栅40、保偏光纤41、放置光纤用的微晶玻璃50、定位基准块51、底板52、光谱仪60。

所述宽带光源10与耦合器的第一端1连接，耦合器的第二端2与保偏光纤41的一端连接，耦合器的第三端3与光谱仪60的输入端连接；在保偏光纤41写入光栅形成保偏光纤光栅40。

保偏光纤光栅40置于放置光纤用的微晶玻璃50的V型刻槽中，并粘贴在V型刻槽壁上。

将定位基准块51放置在放置光纤用的微晶玻璃50的前侧或后侧，固定在底板52上。

光纤研磨机的研磨块36置于保偏光纤光栅40的正上方，研磨块36与保偏光纤光栅40不接触。

放置光纤用的微晶玻璃50上的V型刻槽，V型刻槽的V型夹角为直角，V型刻槽的槽宽等于保偏光纤41外径的

倍。如使用直径为125μm的保偏光纤，V型刻槽的槽宽等于176.75μm。

定位基准块51的高度为放置光纤用的微晶玻璃50高度与光纤半径之和。

放置在V形刻槽内的保偏光纤41慢轴方向垂直于水平面。

保偏光纤光栅40采用均匀光纤光栅或啁啾光纤光栅。

一种基于研磨保偏光纤光栅的应力传感器使用时，将放置光纤用的微晶玻璃50的凸出部分放在受F力作用的被测物上，打开光源，并启动光纤研磨机30，传送带31带动研磨块支撑架35和定位传感器33运动，研磨块36对保偏光纤光栅40进行研磨，并注入研磨泥浆34，当定位传感器接触点33到达定位传感器32时，研磨块36反向移动。研磨块36固定在研磨块支撑架35上。

当研磨块36接触到定位基准块51时，研磨停止，利用光谱仪60对保偏光纤光栅40双反射光谱的中心波长差进行记录；

将记录的波长差数据导入计算机61，计算机61内存储有之前在相同实验基础上得到的波长差-位移拟合曲线，将得到的中心波长差代入曲线中，即得到位移结果。

本实用新型使用的研磨机为授权公告号CN 100455410C，发明名称：光纤轴向磨抛厚度精确控制方法及装置的研磨机。其他器件为选购。

Claims (3)

1.一种基于研磨保偏光纤光栅的应力传感器，其特征是：该装置包括，宽带光源(10)、耦合器(20)、光纤研磨机(30)、保偏光纤光栅(40)、保偏光纤(41)、放置光纤用的微晶玻璃(50)、定位基准块(51)、底板(52)、光谱仪(60)；

所述宽带光源(10)与耦合器的第一端(1)连接，耦合器的第二端(2)与保偏光纤(41)的一端连接，耦合器的第三端(3)与光谱仪(60)的输入端连接；在保偏光纤(41)写入光栅形成保偏光纤光栅(40)；

保偏光纤光栅(40)置于放置光纤用的微晶玻璃(50)的V型刻槽中，并粘贴在V型刻槽壁上；

将定位基准块(51)放置在放置光纤用的微晶玻璃(50)的前侧或后侧，固定在底板(52)上；

光纤研磨机的研磨块(36)置于保偏光纤光栅(40)的正上方，研磨块(36)与保偏光纤光栅(40)不接触。

2.根据权利要求1所述的一种基于研磨保偏光纤光栅的应力传感器，其特征是：放置光纤用的微晶玻璃(50)上的V型刻槽，V型刻槽的V型夹角为直角，V型刻槽的槽宽等于保偏光纤(41)外径的

倍；

定位基准块(51)的高度为放置光纤用的微晶玻璃(50)的高度与光纤半径之和。

3.根据权利要求1所述的一种基于研磨保偏光纤光栅的应力传感器，其特征是：放置在V形刻槽内的保偏光纤(41)慢轴方向垂直于水平面。

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