專利名稱：光纖布拉格光柵護層分離探測的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及靈巧結(jié)構(gòu)，更具體說涉及光學腐蝕的探測。
背景技術：
眾所周知，在溫度和應變的光測技術中，將傳感器布置在結(jié)構(gòu)的表面上或表面內(nèi)。這種傳感器能提供有關結(jié)構(gòu)上不同點處應力的信息，從而提供結(jié)構(gòu)的疲勞、使用期限、和檢修周期的信息。這種傳感器集成結(jié)構(gòu)及使之適用的光學和電子學便叫做“靈巧結(jié)構(gòu)”。這樣的一個系統(tǒng)在共有未決的美國專利申請系列號NO.08/207,993，題為“能測量應變和溫度的插入式光傳感器”的申請中作以說明。
除了測量結(jié)構(gòu)中各點的應力和溫度外，還希望能弄清關于結(jié)構(gòu)元件的腐蝕情況的信息以求得何時該結(jié)構(gòu)就不能勝任其正常應用。例如，如果飛機機身和機翼在臨界應力點有腐蝕，就可能引起結(jié)構(gòu)失效。
因此，希望獲得一種能檢測結(jié)構(gòu)材料中的腐蝕的傳感器。
發(fā)明的公開本發(fā)明的目的是提供一種能探測腐蝕的傳感器。
根據(jù)本發(fā)明，光學傳感器包括光學纖維、光纖光柵和某種材料的護層。上述的光纖光柵插在光學纖維中，它的入射光反射率曲線有一反射波長帶寬；護層材料有一個預定的厚度，且沾光纖光柵的長度和周邊分布；護層沿光柵的長度和周邊施以向里的徑向力，從而使光柵的反射率曲線的波長帶寬比沒有護層時寬；當護層至少有一個部分分離時光柵上的作用力就減小，結(jié)果光柵的反射率曲線的波長帶寬變窄。
根據(jù)本發(fā)明，護層的作用力也使光柵的峰值反射波長比沒有護層時偏移一個量，而此波長漂移在護層至少有一部分分離時便縮小。
根據(jù)本發(fā)明，護層包括鋁。
本發(fā)明代表靈巧結(jié)構(gòu)的一項技術進步，使得可通過發(fā)現(xiàn)以某種材料(如鋁)作護層的光柵引起光柵反射率曲線變寬及漂移來探測結(jié)構(gòu)的腐蝕。發(fā)生的加寬和漂移的量可由護層鍍敷工藝和護層材料進行調(diào)整。本發(fā)明重量輕、價格便宜、容易安裝且對腐蝕的靈敏度高。此外，本傳感器容易與其他同樣使用光纖布拉格光柵的靈巧傳感器結(jié)合起來，如溫度傳感器和/或應變傳感器。
本發(fā)明以上的和其他的目的、特點和優(yōu)點從對附圖所示實施例的詳細說明而清楚起來。
附圖概述

圖1是按照本發(fā)明的光纖中的有鋁涂覆層的布拉格光柵示意圖。
圖2是按照本發(fā)明的光纖布拉光柵的橫截面圖，圖上示出芯線、鍍層和鋁護層。
圖3是布拉格光柵按照本發(fā)明涂護層之前和之后的反射光譜的曲線圖。
實施本發(fā)明的最佳方式參看圖1，光源10將光信號12提供給分光鏡14，預定量的光16通過它進入光纖18。光信號16入射到附加在光纖18芯線上的布拉格光柵20。眾所周知，光纖布拉格光柵的反射率變化是周期性的，它反射一段窄的波長光帶而讓其它波長通過，因此展現(xiàn)一窄波長反射率曲線，如格倫等人在美國專利NO.4,715,110中的說明。
光16的一部分22被光柵20反射，其余被波長穿過光柵20成為輸出光24。輸出光24從光纖18中出來并入射到探測器26上，探測器26向?qū)Ь€28提供一表明入射光24的強度的電信號。同樣，反射光22也從光纖18中出來并入射到分光鏡14，分光鏡14將光22的預定部分(如線30所指出的)反射到探測器32上。探測器32給導線34提供一指示入射光30強度的電信號。此外，光纖光柵20由例如鋁質(zhì)的護層40(鍍層的方法在下文討論)包覆。
現(xiàn)在來參看圖2，光纖光柵20的橫截面上包括一光纖芯線42，它由滲雜鋅基的二氧化硅制成，直徑約6-9微米。包圍芯線42的是純二氧化硅制成的鍍層44，其外徑約為125微米。包圍鍍層44的是鋁的外護層40，其外徑約196微米。如果希望，也可給芯線、鍍層和護層采用其他的材料和采用不同的直徑。
再看圖3，我們發(fā)現(xiàn)，當光纖光柵用鋁那樣的材料套上并處于受壓狀態(tài)時，未加護層的典型光柵，其一般的狹窄反射(反射率)曲經(jīng)線100(或濾光性)會發(fā)生二種效應。第一，光柵反射率曲線的波長帶寬加大，即變寬，由未加護層時的狹光柵曲線100變成加護層后的寬光柵曲線102。第二，反射率曲線的中央反射波長從未加護層時的曲線100的λ1漂移到加護層時的曲線102的較短波長λ2，總波長漂移為Δλs。
波長加寬效應是由于鋁護層40給鍍層44和芯線42(如線46所示)施加壓力或作用力(也叫“微彎曲”)，而使光纖反射率發(fā)生微小的不均勻變化所造成的。當鋁在玻璃纖維表面冷卻下來，晶界上自然會出現(xiàn)這種微小的不均勻性。而且，這種不均勻性還由下列事實所造成，即護層40(圖2)套在鍍層44的周界(即圓周)上并非完全均勻，因此由護層40施加的壓力46也不均勻。此外，由于護層40的厚度沿縱軸或光柵20(圖1)的長度方向不完全均勻，所以作用到光柵20上的壓力46(圖2)沿光柵20長度發(fā)生隨機變化，因而也造成這種不均勻性。所以，護層沿光柵20的縱軸(也繞光柵圓周)引起隨機的壓力梯度，它能使反射率有相應的隨機變化。特別是，微彎曲破壞了反射率光滑的正弦周期性反射率變化，這產(chǎn)生典型的狹帶布拉格光柵的狹反射率曲線。
這種壓力梯度及相應的反射率的變化也降低了光柵20的反射效率(即最高反射率)，由于波長反射率曲線的加寬，從未加護層光柵的反射率R1降到加護層光柵的較低反射率R2。
此外，波長漂移Δλs偏離未加護層時的值，是由于光柵上施加的合力的變化引起的。因此，護層作用到光柵的合力越大，波長漂移Δλs越大。
當光柵20周圍的護層40被腐蝕時，由護層40所施加的壓力減小，因此光柵上的微彎曲程度及合力減小。照這樣，當護層完全分離時，光柵回復到其正常的狹反射率曲線，如圖3中的曲線100所示，其中央反射波長為λ1。如果護層只有部分分離，即護層僅僅變薄或只在某些地方分離而別處不分離，則相對于未加護層的反射率曲線作相應的變動。有多少分離量才使光柵反射率曲線產(chǎn)生變化，這取決于護層加給光柵的初始力、護層材料的剛性及護層剩余部分的厚度，并且很容易由技術人員確定出來。
如前所述，我們發(fā)現(xiàn)波長漂移Δλs是由護層對光柵施加的平均合力引起的，帶寬增量是由上述的微彎曲(即作用在光柵上的不均勻力)引起的。因此我們發(fā)現(xiàn)，光柵涂敷所用的工藝和護層材料決定了波長漂移量Δλs及反射率曲線變狹量。
因此，如果將光纖浸漬到650℃左右的熔化鋁液中然后提取出來，促使它冷卻并和光纖表面粘結(jié)，從而得到鍍鋁的光纖時，則光纖和鋁的熱膨脹系數(shù)間的很大差異會使冷卻時光纖上作用的合力很大。這種方法叫做“凝固涂敷”。這種情況下由于冷卻后光纖圓周及長度上有壓縮應變效應，其平均的波長漂移Δλs可以是-4.9nm量級。還有，該方法的光柵反射帶寬(例如半峰值寬度值)約增加了3倍或3倍以下，例如有效增量從0.17nm到0.55nm以下。
但是，如果光纖在涂敷過程中處于環(huán)境溫度下(如噴濺或氣相沉積)，則光纖的冷卻溫度梯度沒有像上述浸漬法那么大，因而光纖上作用的平均合力也沒有那樣大。因而波長漂移Δλs較小。同樣，采用該方法時，得到的涂層光滑而均勻。照這樣，不均勻力或微彎曲均較小，于是反射帶寬變化比上述浸漬法要小。
因此，我們發(fā)現(xiàn)，光柵上的平均合力直接與光纖涂敷過程中的溫度及涂覆材料的熱膨脹系數(shù)有關，因此通過調(diào)整光柵上的平均合力來控制反射波長漂移量是可能的。而且我們還發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整光柵上鍍層的光潔度和均勻度來控制反射帶寬加寬量也是可能的。
應當明白，光源10可以是寬帶光源，探測器32可以是光學分光計，它能提供代表波長反射率曲線，即反射波長及相關光強度的電信號34?；蛘撸庠?0可以是一在有源波長掃描/查詢技術中使用的可變光源，共有未決的美國專利申請系列號NO.08/129,217，題為“光纖光柵傳感器的診斷系統(tǒng)”中所描述的光源。
任何其他分析光輸出信號30或24的方法(取決于該裝置究竟是在反射還是在傳輸中操作)都可用于探測因腐蝕而引起的光輸出信號的變化。但是，傳感技術對本發(fā)明不是關鍵。例如，在探測器32和分光鏡14之間的光路30上可以放置一光纖光柵60，它與光柵20的反射率曲線匹配，且用上述討論的使波長漂移最小的技術給光柵20加護層。這時，如果光柵20有護層(且反射率曲線是寬帶的)，則反射光22及30也是寬帶的。而且，由于光柵60的反射率曲線比入射光30的窄，所以光30的一部分穿過光柵60在探測器32上可以看到。相反，如果光柵20上的護層分離了，則兩個光柵20、60的反射率曲線就相匹配，于是無光(或極少)可通到探測器32。
或者，光柵20和60相匹配且有涂層，但只有光柵20可能受到腐蝕，這種情況下，如果無腐蝕則見到最少的光；如果光柵20上的護層腐蝕了，則探測器看到的光最強，這是因為未加護層的光纖反射率更高。
同樣應當明白，光柵上的護層分離的一種效應或兩種效應，即反射率曲線寬度的改變及中央波長漂移均可用于檢測腐蝕情況。
此外，其它材料(非鋁)也可用于包圍光柵的護層，只要它們會腐蝕、汽化、變薄或以其他方式而使護層局部或完全分離從而降低作用在光柵上的作用力。因此，本發(fā)明可用于探測光柵周圍護層被局部或全部去除的情況，只要如上討論地滿足光柵上的平均合力和力的不均勻性的預定變化準則。
而且，可以不將鍍層涂在全長上，只將光柵部分長度鍍上也可。
權(quán)利要求
1.一種光傳感器，它包括光纖；插在該光纖內(nèi)的光纖光柵，它反射入射光的反射率曲線有一反射波長帶寬；某種材料的護層，其厚度是預定的且沿光纖光柵的長度和周邊進行包圍；該護層沿光柵四周向里施加徑向力，使該光柵的反射率曲線的波長帶寬比無此護層時寬；以及當護層至少發(fā)生局部分離時，它對光柵的作用力減弱，從而使光柵反射率曲線的波長帶寬變窄。
2.權(quán)利要求1的傳感器中，所說的光纖包括光纖芯線和包圍該芯線的鍍層。
3.權(quán)利要求1的傳感器中，護層的作用力不均勻地分布在光柵長度和圓周上，破壞了光柵反射率的周期性變化，使反射率曲線的波長帶寬變寬。
4.權(quán)利要求1的傳感器中，護層的作用力還使光柵的峰值反射波長偏離無此護層時的峰值反射波長值，且該波長漂移在護層至少有一部分分離時減少。
5.權(quán)利要求4的傳感器中，護層沿光柵四周施以平均合力從而引起波長漂移。
6.權(quán)利要求1的傳感器中，護層材料包括鋁。
7.權(quán)利要求1的傳感器中，護層的分離包括護層的腐蝕。
8.一種制造光傳感器的方法包括獲得一種有光纖光柵插在其中的光學纖維；沿光柵長度和四周將護層涂敷到光纖光柵上；護層涂到光柵上，結(jié)果給光柵四周加上不均勻的作用力；該作用力使光柵反射率曲線的波長帶寬比無此護層時寬；以及光柵上的作用力在護層至少有一部分分離時便降低，使光柵反射率曲線的波長帶寬變窄。
9.權(quán)利要求8所說的方法中護層施加平均合力于光柵四周，使光柵的峰值反射波長偏離無此護層時的峰值反射波長一個值，而該波長漂移在護層至少有一部分分離時會減少。
10.權(quán)利要求8的方法中，所述護層材料包括鋁。
11.權(quán)利要求8的方法中，所述護層涂敷方法包括氣相沉淀。
12.權(quán)利要求8的方法中，所述護層涂敷方法包括凝固熔敷。
13.權(quán)利要求8的方法中，所述護層的分離包括護層的腐蝕。
全文摘要
一種光學腐蝕傳感器使用了插入光纖(18)中的光纖布拉格光柵(20)。該光柵(20)具有一由諸如鋁制成的護層(40)，護層受到腐蝕就會分離。護層(40)沾光柵(20)的四周向里施以徑向作用力，從而使光柵反射率曲線的波長帶寬變寬并相對于未加護層時有漂移。而且，當護層受腐時光柵(20)上的作用力便減小，從而使光柵反射率曲線的波長帶寬和漂移變小而又回復到其未加護層的情況。
文檔編號B29C35/02GK1166872SQ95196458
公開日1997年12月3日 申請日期1995年11月21日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月29日
發(fā)明者詹姆斯·R·鄧菲, 詹姆斯·J·瑞安 申請人:聯(lián)合技術公司