專利名稱：基于傾斜光纖光柵的新型橫向壓力傳感器及其解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種基于傾斜光纖光柵的新型光纖 橫向壓力傳感器及解調(diào)方法。
背景技術(shù)：
光纖布拉格光柵由于其高靈敏度，遠(yuǎn)距離傳感和多傳感器復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被 廣泛用于大型建筑物，橋梁等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。最初需要檢測(cè)的物理量為沿光纖方向的縱 向應(yīng)變，而近年來(lái)許多應(yīng)用場(chǎng)合需要檢測(cè)沿光纖軸向的壓力信號(hào)，如檢測(cè)一個(gè)彈性體受 壓時(shí)的內(nèi)部應(yīng)力分布或者一個(gè)平面所受的垂直壓力大小，這些統(tǒng)稱為橫向壓力?，F(xiàn)有 的基于光纖光柵的橫向壓力傳感器的原理是，光柵受壓時(shí)由于光纖材料的光彈效應(yīng)會(huì)產(chǎn) 生雙折射，使光柵的布拉格波長(zhǎng)分裂成兩個(gè)對(duì)應(yīng)各自偏振態(tài)的波長(zhǎng)，通過(guò)測(cè)兩分裂布拉 格波長(zhǎng)的間隔即可獲知所受橫向壓力的大小。但是由于光纖材料的楊氏模量很大(約 70GPa),傳統(tǒng)光纖光柵的橫向壓力靈敏度都不高。因此有報(bào)道提出通過(guò)在高雙折射光纖 或者帶空氣孔的光子晶體光纖上刻寫(xiě)光柵的方法，來(lái)提高傳感器的靈敏度，但其材料始 終都是玻璃，所以增敏效果有限。另一方面，傳統(tǒng)的壓力傳感器只能用于線接觸，而一些應(yīng)用場(chǎng)合需要研究面接 觸的壓力分布。如在醫(yī)療器械中，需要研究輪椅的受壓分布對(duì)病人的舒適程度的影響； 在工業(yè)應(yīng)用中，需要研究大門(mén)的把手被手握的壓力分布情況來(lái)設(shè)計(jì)把手的形狀。這些應(yīng) 用場(chǎng)合都需要處理面接觸壓力，其特點(diǎn)是接觸的兩個(gè)對(duì)象的楊氏模量大不相同，一個(gè)為 剛體，另一個(gè)為彈性體。目前極少有報(bào)道能應(yīng)用于該類面接觸的光纖壓力傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于傾斜光纖光柵特別涉及了一種基于 傾斜光纖光柵的新型光纖橫向壓力傳感器及解調(diào)方法。該傳感器能大大提高橫向壓力測(cè) 量的靈敏度，而相應(yīng)的解調(diào)方法不需要精確的波長(zhǎng)檢測(cè)，可以大大縮短測(cè)試時(shí)間，同時(shí) 方便制作，降低系統(tǒng)成本。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下基于傾斜光纖光柵的新型光纖橫向壓力傳感器及解調(diào)方法，其壓力傳感結(jié)構(gòu)是 將傾斜光纖光柵置于兩片具有高折射率的超彈性體之間，兩片彈性體再放置于兩片玻璃 片之間，橫向壓力施加在上層玻璃片上，然后被均勻的傳遞到光纖光柵上。傾斜光纖光 柵受壓時(shí)，彈性體與光纖的接觸角(或面積)增加，相應(yīng)的其投射譜的包層模耦合減弱。解調(diào)裝置包括可調(diào)激光器，光電探測(cè)器，數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理單元等。選用 波長(zhǎng)范圍能覆蓋傾斜光柵大部分包層模損耗峰的可調(diào)激光器，其光信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器 轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡與可調(diào)激光器同步，從而得到傾斜光柵的透射譜信息。最后 數(shù)據(jù)處理單元對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，得到的強(qiáng)度譜峰值即代表相應(yīng)的 橫向壓力大小。


圖1是本發(fā)明的工作示意圖；圖2是本發(fā)明中傾斜光纖光柵傳感器橫向壓力裝置示意圖；圖3是本發(fā)明中傳感器受壓時(shí)光纖與超彈性體接觸的幾何圖；圖4是本發(fā)明中傾斜光柵傳感器輸出的透射光譜圖實(shí)例；圖5是本發(fā)明中傾斜光柵傳感器輸出的透射光譜經(jīng)過(guò)傅立葉變換后的強(qiáng)度譜圖 實(shí)例。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，可調(diào)激光器(1)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)傾斜光纖光柵壓力傳感器(2)，由光電 探測(cè)器(3)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡(4)送入數(shù)據(jù)處理單元(5)進(jìn)行處理。圖2所示為傾斜光纖光柵傳感器橫向壓力裝置示意圖，是將傾斜光纖光柵(8)和 另一具有相同直徑和材料的光纖(9)平行的置于兩片具有高折射率的超彈性體(6，7)之 間，兩片彈性體再放置于兩片玻璃片(10，11)之間，橫向壓力施加在上層玻璃片(10) 上，然后被均勻的傳遞到傳感光纖光柵(8)上。光纖(9)的作用是用于保證壓力裝置受 壓時(shí)的平衡，使壓力均勻分布在傳感光柵(8)上。圖3為傳感器受壓時(shí)光纖與超彈性體 接觸的幾何示意圖。光纖與超彈性體的接觸面隨壓力增大而變大，同時(shí)傾斜光柵包層模 透射譜隨之減弱。圖4是傾斜光柵傳感器輸出的透射光譜圖實(shí)例，圖5是相應(yīng)的光譜在波長(zhǎng)為 1520nm 1580nm范圍內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理單元(5)進(jìn)行傅立葉變換后得到的強(qiáng)度譜圖 實(shí)例。實(shí)例中傾斜光柵傾斜角為10度，長(zhǎng)度Icm;所用超彈性體為硅膠，其折射率為 1.4，楊氏模量為20MPa ；玻璃片和硅膠片的尺寸都為2cmX 2cm。圖5中主峰(頻率為 O.SmtT1)的幅值即代表相應(yīng)的橫向壓力大小。由于溫度引起的波長(zhǎng)變化進(jìn)行傅立葉變換 后對(duì)其幅值影響微小，該傳感器對(duì)環(huán)境溫度變化不敏感，無(wú)需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
權(quán)利要求
1.基于傾斜光纖光柵的新型橫向壓力傳感器及其解調(diào)方法，其特征在于可調(diào)激光 器(1)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)傾斜光纖光柵壓力傳感器(2)，由光電探測(cè)器(3)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然 后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡(4)送入數(shù)據(jù)處理單元(5)進(jìn)行處理，可以獲得傾斜光纖光柵傳感器上所 受的橫向壓力大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傾斜光纖光柵橫向壓力傳感器，其特征在于，所述壓力傳感 裝置通過(guò)具有高折射率的超彈性體對(duì)傾斜光纖光柵進(jìn)行施壓。超彈性體的折射率范圍為 1.4士0.05，其楊氏模量(MPa)遠(yuǎn)小于光纖的楊氏模量(70GPa)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型橫向壓力傳感器及其解調(diào)方法，其特征在于，所述可調(diào) 激光器具有較大光譜可調(diào)范圍，帶寬約50nm-70mn，能覆蓋傾斜光纖光柵的大部分包層 模光譜范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型橫向壓力傳感器及其解調(diào)方法，其特征在于，其具體解 調(diào)方法為使數(shù)據(jù)采集卡與可調(diào)激光器同步來(lái)獲得傾斜光纖光柵的投射譜信息，然后數(shù)據(jù) 處理單元對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，其強(qiáng)度譜的峰值即對(duì)應(yīng)著待測(cè)橫向壓 力的大小。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于傾斜光纖光柵的新型橫向壓力傳感器及其解調(diào)方法。本設(shè)計(jì)通過(guò)具有高折射率的超彈性體對(duì)傾斜光纖光柵進(jìn)行施壓。超彈性體與光纖的接觸面積和所承受的壓力成比例，進(jìn)而改變傾斜光纖光柵透射譜的峰峰值，只要選取一部分波長(zhǎng)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換即可獲得相應(yīng)的壓力。解調(diào)裝置由可調(diào)激光器，光電探測(cè)器，數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理單元組成。本發(fā)明具有成本低廉，響應(yīng)時(shí)間快，制作容易的優(yōu)點(diǎn)，適合集成化和儀器化，尤其適合面接觸壓力分布測(cè)試的應(yīng)用場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G01L1/24GK102012290SQ20101050131
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月9日
發(fā)明者董新永, 邵理陽(yáng), 金尚忠 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院