CN2729645Y - 温度补偿型光纤光栅带宽传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光纤光栅传感器，具有温度自动补偿特性，能对拉力、压力、应力、应变、位移、曲率、压强等进行高灵敏度感测的光纤光栅带宽传感器。该传感器采用新颖的开口环机构设计，单根光纤布喇格光栅粘贴在开口环的直梁中间，在光栅轴向与直梁的中性面线成一定角度的方向上。半圆拱在与直梁中性面平行方向力的作用下，直梁表面产生线性应变，使粘贴其上的光纤布喇格光栅的栅格周期发生线性变化，从而使光栅反射谱带宽随之展宽，而环境温度对光栅带宽基本没有影响。利用光探测器测量该光栅在不同外力作用下的带宽，通过优化机构设计及参量变换，该传感器能获得温度自动补偿的高灵敏度感测。

Description

温度补偿型光纤光栅带宽传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤光栅带宽传感器，具有温度自动补偿特性，能对应力、应变、压力、位移、曲率、压强等进行高灵敏度感测，属于光纤传感技术领域。

背景技术

光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中形成的一种空间周期性折射率分布，这种结构可以改变和控制光波在光纤中的传播行为。光纤光栅传感器是通过把光纤光栅埋入衬底材料和结构内部或粘贴在其表面，使其对待测参量敏感，并通过光纤光栅波长及带宽的变化来感测待测参量的大小及方向。将光纤光栅传感器阵列化并与波分复用和时分复用系统相结合，可对材料的特性(如温度、应力、应变、压力、位移、曲率、压强、速度、加速度等)实现多点监测。光纤光栅传感器已被广泛应用于建筑结构、航天航空、海洋探测及科学研究等诸多领域，属于一种新颖的无损检测技术。

本实用新型是一种利用自行设计的开口环结构，将光纤布喇格光栅以一定的角度粘贴在开口环直梁表面中间，研制的具有温度自动补偿特性，能对应力、应变、压力、位移、曲率、压强等进行高灵敏度感测的光纤光栅带宽传感器。最新检索结果表明，目前尚没有采用开口环结构封装光纤布喇格光栅，能对应力、应变、压力、位移、曲率、压强等进行高灵敏度感测，并且具有温度自动补偿特性的光纤光栅带宽传感器的专利报道。

发明内容

本实用新型的目的旨在设计出一种新型具有温度自动补偿特性，能对应力、应变、压力、位移、曲率、压强等进行高灵敏度感测的光纤光栅带宽传感器，能解决应力/应变与温度交叉敏感问题。

这种温度补偿型光纤光栅带宽传感器，包括传感部分及测量部分，传感部分由光纤布喇格光栅、直粱、半圆拱、支柱构成；测量部分由光纤耦合器、光纤、匹配液、光源、光探测器构成；特征点是：

传感部分是一个由横截面为矩形的直粱、半圆拱构成的开口环式结构一开口环直梁，连接方式是将光纤光栅斜粘在开口环直梁表面中间，光栅轴向与直粱中性面成一定角度，将开口环置于支柱上；

测量部分的构成与连接方式是：光纤耦合器一侧的两根光纤，一根连接光纤光栅，另一根置入匹配液；而光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源，另一根接光探测器。

首先设计产生线性应变的开口环机构；然后，将光纤布喇格光栅以一定的角度粘贴在开口环直梁表面中间。

感测原理是：半圆拱在与直梁中性面平行方向力的作用下，开口环直梁表面产生线性应变场，该应变场使粘贴其上的光纤布喇格光栅的栅格周期发生线性变化，从而使光栅的带宽展宽。由于开口环是用同一材料制作，故其直梁上各点的热学性质是一致的。于是，当环境温度变化时，由于光栅各点的热膨胀系数相同，因此由温度变化引起的光栅栅格周期变化是相同的，于是温度效应仅使光栅的带宽整体漂移而不会导致其展宽或压窄。通过光探测器(多波长计或光谱仪)测量该光栅的带宽，利用相应的转换公式，实现高灵敏度的应力、应变、压力、位移、曲率、压强等参量的高灵敏度感测。

开口环选用横截面为矩形的均质、等厚、杨氏模量为1000MPa～4000MPa的有机聚合物、金属或合金材料制作。光纤光栅为玻璃或塑料的布喇格光栅。光栅粘贴在与开口环中性面成30°～45°度的方向上。光纤是单模光纤，光纤耦合器是2×2光纤耦合器；光源是宽带光源或可调谐光纤激光器；光探测器是多波长计或光纤光谱仪。传感器的工作环境温度是-20℃～70℃之间。

对于等厚开口环结构，当开口环半圆拱受到拉力时，在小挠度条件下，根据材料力学知识，在开口环上以中性面为基准的等厚度层面上的应变处处相同，且与直梁所处的位置无关。因此，在小挠度条件下，开口环直梁可作为等应变梁处理。

将长度为l₀、中心波长为λ₀的光纤布喇格光栅斜向粘贴在开口环直梁表面中间，光栅轴向与开口环中性面的夹角为β。在外力F的作用下，光纤布喇格光栅上的轴向应变为

$\mathrm{\ϵ}\left(l\right)=\frac{6\mathrm{\μ}d\sin \left(2\mathrm{\β}\right)(l+l^{\′})}{E{a}^{3}b}F---\left(1\right)$

其中μ为应变传递因子，d为力的作用线与直梁中性面间的距离，a为直梁的宽度，b为直梁的厚度，l′为光栅中点与开口环中性面之间的位移，l为光栅任一点与光栅中点的位移，且有l∈[-l₀/2，l₀/2]。

研究表明，开口环半圆拱在外力F的作用下，光纤布喇格光栅各部分栅格周期都会发生改变，使得进入光栅中的光发生反射，形成一定的宽带反射谱。而总体反射带宽效应是由各光栅微元对反射谱的总贡献。根据耦合模理论并结合(1)式，整个光纤布喇格光栅反射谱的带宽为

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{chirp}}=\frac{6\mathrm{\μ}{\mathrm{\λ}}_0{l}_{0}d(1-p_e)\sin \left(2\mathrm{\β}\right)}{E{a}^{3}b}F=K_{F}F---\left(2\right)$

其中，p_e为光纤的有效弹光系数，约为0.22；K_F为带宽传感系数。由(2)式可知，光纤布喇格光栅的带宽Δλ_chirp与外力F成正比，且与光栅中点与开口环中性面之间的位移l′无关，K_F仅与开口环材料及光栅的力学性质有关而与温度无关。因此，本实用新型可用于温度自动补偿的高灵敏度力的感测。如果光栅的中点不与直梁的中性面相交，则温度变化会导致光纤光栅的中心波长发生漂移，但不会引起带宽的展宽或压窄。

当开口环受到压力时，在小挠度情况下的受力分析与上述拉力情况相似，其结果与(1)式和(2)式是完全相同的，其分析与推导过程从略。

根据材料力学知识，利用相应公式，能把应变、位移(挠度)、曲率、压强等参量转换成外力。因此，本实用新型也能用于应变、位移(挠度)、曲率、压强等参量的高灵敏度感测。

本实用新型的有益效果是：传感基质为单根光纤布喇格光栅，结构简洁，易于系统集成，且具有温度自动补偿特性，可解决应力/应变与温度的交叉敏感问题。基于光纤光栅本身的优点，这种传感器具有测量精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、适合在恶劣环境下工作等特点。

附图说明

图1是光纤光栅带宽传感器传感部分结构图。

图2是本实用新型的测量装置图。

图3是本实用新型在一定载荷下的典型测量值。

其中：1.光纤光栅，2.直梁，3.支柱，4.半圆拱，5.光纤耦合器，6.光纤，7.匹配液，8.光源，9.光探测器，10.载荷。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步作具体说明：这种温度补偿型光纤光栅带宽传感器，包括传感部分及测量部分，传感部分由光纤布喇格光栅1、直粱2、支柱3、半圆拱4构成；测量部分由光纤耦合器5、光纤6、匹配液7、光源8、光探测器9构成；其特点是：

传感部分是一个由横截面为矩形的直粱、半圆拱构成的开口环式结构—开口环直梁，连接方式是将光纤光栅1斜粘在开口环直梁表面中间，光栅轴向与直粱中性面成一定角度，将开口环置于支柱3上；

测量部分的构成与连接方式是光纤耦合器5一侧的两根光纤，一根6连接光纤光栅1，另一根置入匹配液7；而光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源8，另一根接光探测器9。

光纤为单模光纤。

光纤耦合器是2×2光纤耦合器。

光源是宽带光源或可调谐光纤激光器光探测器是多波长计或光纤光谱仪。

工作环境温度是-20℃～70℃之间。

测量方法是：光源8发出的光经光纤耦合器5进入光纤光栅1发生反射，反射光再次经光纤光栅耦合器5进入到光探测器9进行检测，从光探测器9中提取传感信号，经相关公式转换实现待测参量的感测。

作用于半圆拱的外力由载荷10施加，其方向与直梁中性面方向平行。

开口环选用杨氏模量约为2500MPa的有机玻璃制作。光纤光栅为石英光纤布喇格光栅。

粘贴方式：光纤光栅粘贴在开口环中间与中性轴线成37°方向上，且光栅的中点与中性面基本重合，这时l′≈0。

实施例

在图2中，所用的光纤光栅为石英玻璃光纤布喇格光栅，其长度约为12mm，布喇格自由波长为1563.5nm，峰值反射率约为95％，初始带宽为0.153nm。开口环由杨氏模量约为2500MPa的有机玻璃制作，其结构主要由直梁(2)、两半圆拱(4)组成。直梁长度L＝40mm，宽度a＝9mm，厚度b＝3mm；两半圆拱的半径均为r＝40mm。

在-20℃～70℃之间，对该传感器所施加的外力进行传感测试，测得外力的灵敏度为0.3389nm/N，线性度R²达到0.9982。而且，在上述环境温度范围内，光纤光栅的带宽几乎没有发生变化，实现了温度自动补偿的高灵敏度外力感测。

如前面所述，根据材料力学相应公式，能把应力、应变、位移(挠度)、曲率、压强等参量转换成外力。因此，通过适当优化传感机构，本实用新型能用于应力、应变、位移(挠度)、曲率、压强等参量的高灵敏度感测。在实际应用中，通过光电转换器将光信号转换为电信号，再用计算机进行数据处理，则对外力感测灵敏度的提高大有益处。

Claims (5)

1、一种温度补偿型光纤光栅带宽传感器，包括传感部分及测量部分，传感部分由光纤布喇格光栅(1)、直粱(2)、支柱(3)、半圆拱(4)构成；测量部分由光纤耦合器(5)、光纤(6)、匹配液(7)、光源(8)、光探测器(9)构成；其特征在于：

传感部分是一个由直粱、半圆拱构成的开口环式结构一开口环直梁，连接方式是将光纤光栅(1)斜粘在开口环直梁表面中间，光栅轴向与直粱中性面成一定角度，将开口环置于支柱(3)上；

测量部分的构成与连接方式是光纤耦合器(5)一侧的两根光纤，一根(6)连接光纤光栅(1)，另一根置入匹配液(7)；而光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源(8)，另一根接光探测器(9)。

2.根据权利要求1所述的温度补偿型光纤光栅带宽传感器，其特征在于：所述的光纤为单模光纤。

3.根据权利要求1所述的温度补偿型光纤光栅带宽传感器，其特征在于：所述的光纤耦合器是2×2光纤耦合器。

4.根据权利要求1所述的温度补偿型光纤光栅带宽传感器，其特征在于：所述的开口环横截面是矩形的。

5.根据权利要求1所述的温度补偿型光纤光栅带宽传感器，其特征在于：所述的光源是宽带光源或可调谐光纤激光器；所述的光探测器是多波长计或光纤光谱仪。