專利名稱：評(píng)估地震破壞的有效應(yīng)變計(jì)的制作方法
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及光波導(dǎo)傳感器，尤其涉及能監(jiān)視超過2000με應(yīng)變的溫度不敏感的光波導(dǎo)傳感器。
2.相關(guān)技術(shù)的描述在一些國家的有些地區(qū)，必須在正常負(fù)符條件和發(fā)生地震、洪水等災(zāi)害后評(píng)估重要基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境(即道路、橋梁與建筑物)的狀況，比如州交通部與建筑公司可運(yùn)用這類信息將修理費(fèi)用減至最少，減少管道破裂，避免或探知災(zāi)害性事故。這類數(shù)據(jù)還可用來向應(yīng)急隊(duì)員告知結(jié)構(gòu)內(nèi)的危險(xiǎn)狀態(tài)，提供危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)故障警告，并且或者給出供結(jié)構(gòu)修理使用的詳盡損壞信息。自動(dòng)化診斷監(jiān)視系統(tǒng)可通過實(shí)時(shí)處理該信息，監(jiān)視結(jié)構(gòu)的完整性并評(píng)估損傷情況，極少人工干預(yù)。
電氣應(yīng)變計(jì)包括電阻型應(yīng)變計(jì)及其諸如壓電、半導(dǎo)體與電容型應(yīng)變計(jì)等同類產(chǎn)品，它們都是相當(dāng)小巧的高度精密的應(yīng)變測(cè)量裝置，但缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍很小，有一定滯后。傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)變系數(shù)小于4。潮氣與溫度等環(huán)境條件明顯影響了電阻應(yīng)變計(jì)的性能，因而這類應(yīng)變要經(jīng)常校正。如果原始電阻因環(huán)境效應(yīng)而發(fā)生明顯變化，應(yīng)變計(jì)就顯現(xiàn)不出其申明的校正系數(shù)，將會(huì)引入測(cè)量誤差。對(duì)于傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量方法，若觀察時(shí)間保持很短，則可減輕溫度變化造成的應(yīng)變計(jì)穩(wěn)定性問題，否則除了應(yīng)變以外，還要把該響應(yīng)看作是溫度(因而也是時(shí)間)的函數(shù)。與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變計(jì)相比，光學(xué)方法因其應(yīng)變系數(shù)大而顯得有經(jīng)濟(jì)效果，而且還與光纖通信系統(tǒng)相容，能以可靠的方法從遠(yuǎn)地訪問。
基于光纖的傳感器已應(yīng)用于許多場(chǎng)合，包括位移(位置)、溫度、壓力，聲音與應(yīng)變。應(yīng)用中，通?？砂压鈱W(xué)傳感器的數(shù)據(jù)采集分成基本的兩大類相位調(diào)制與光強(qiáng)調(diào)制。光強(qiáng)調(diào)制傳感器一般與位移或其它一些同該傳感器互作用的物理擾動(dòng)有關(guān)聯(lián)。擾動(dòng)造成接收光強(qiáng)的變化，而光強(qiáng)與監(jiān)視的參數(shù)相關(guān)。相位調(diào)制傳感器將光在檢測(cè)路徑上的相位與基準(zhǔn)相位作比較，相位差能以極高的靈敏度測(cè)得，但信號(hào)處理往往要求復(fù)雜的電子線路。而且，相位調(diào)制傳感器一直用于測(cè)量溫度，因此當(dāng)應(yīng)用于應(yīng)變場(chǎng)合時(shí)，要求作溫度校正。這類光學(xué)傳感器的應(yīng)用包括在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視薄膜淀積厚度。相位調(diào)制傳感器通常比光強(qiáng)調(diào)制傳感器更精密，但往往更昂貴，而且對(duì)溫度等環(huán)境效應(yīng)極為敏感。
本發(fā)明的光波導(dǎo)傳感器克服了上述現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)變計(jì)的種種缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
廣義地講，本發(fā)明包括一種光波導(dǎo)傳感器，其機(jī)殼具有內(nèi)外表面。機(jī)殼外表面施加至少兩層，第1層包含低折射率材料，第二層包含高反射性材料。第一與第二光纖與機(jī)殼連通，一條已知光強(qiáng)的光束經(jīng)機(jī)殼通過第一光纖而被第二光纖接收。該光束根據(jù)其通過機(jī)殼所經(jīng)歷的“反跳”或反射次數(shù)(由機(jī)殼的構(gòu)造決定)而衰減，機(jī)殼構(gòu)造則與其經(jīng)歷的彎曲應(yīng)變直接相關(guān)。檢測(cè)光束光強(qiáng)度變化的裝置與第二光纖連通，后者的監(jiān)視能力高達(dá)至少2000με。
在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，光波導(dǎo)傳感器包括一根柔性的空心玻璃管，在其外側(cè)淀積了一聚酰亞胺吸收層，再淀積一層鋁等高反光層。被監(jiān)視的參數(shù)是光束通過傳感器管后出射光的光強(qiáng)。該光束根據(jù)其經(jīng)歷的“反跳”或反射次數(shù)(也是空心管傳感器曲率半徑的函數(shù))而衰弱。管的曲率半徑與管經(jīng)歷的彎曲應(yīng)變直接相關(guān)，通過監(jiān)視出射光束的光強(qiáng)，可以推算施加的應(yīng)變。本發(fā)明的穩(wěn)定性、堅(jiān)固性與簡(jiǎn)便性有利于其應(yīng)用于遙感場(chǎng)合。由于光纖技術(shù)能用來發(fā)送和接收光信號(hào)，所以能監(jiān)視瞬時(shí)應(yīng)變，并經(jīng)傳輸鏈路立即將它中繼或存貯下來供以后檢索。
在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施例中，本發(fā)明的光波導(dǎo)對(duì)超過2000με的應(yīng)變具有約500的應(yīng)變系數(shù)。機(jī)殼包括一空心玻璃波導(dǎo)，尺寸約0.5mm(內(nèi)徑)×0.8mm(外徑)×100mm(長)。
該光波導(dǎo)傳感器的機(jī)殼形狀與普通電信設(shè)備相容，因而有利于將機(jī)殼配入智能系統(tǒng)陣列，在大樓、道路與橋梁等結(jié)構(gòu)內(nèi)作損傷評(píng)估。光纖把激發(fā)光信號(hào)送入機(jī)殼并從機(jī)殼里引出響應(yīng)信號(hào)。在一較佳實(shí)施例中，機(jī)殼是一根小直徑的玻璃管，它作為多個(gè)薄膜層的基片，薄膜層可優(yōu)化成對(duì)預(yù)定的應(yīng)變漂移提供最大動(dòng)態(tài)范圍。本發(fā)明包括涂有薄膜層玻璃管的光波導(dǎo)傳感器，通過衰減激發(fā)信號(hào)的光強(qiáng)對(duì)彎曲應(yīng)變作出響應(yīng)，且很少或無滯后。
本發(fā)明的光波導(dǎo)傳感器具有約500的大應(yīng)變系數(shù)，對(duì)溫度不敏感，即傳感器在正常室外溫度范圍內(nèi)(-20～50℃)對(duì)溫度變化不作響應(yīng)，造價(jià)低，不受電磁場(chǎng)影響，在化學(xué)上對(duì)潮氣與酸雨等環(huán)境狀況無反應(yīng)，因而能將傳感器埋在混凝土結(jié)構(gòu)里而不用擔(dān)心與混凝土起化學(xué)反應(yīng)，并且易同光纖通信設(shè)備接口，即光纖與檢測(cè)區(qū)之間的連接可以氣密密封在光纖與毛細(xì)管之間。
附圖簡(jiǎn)介

圖1是本發(fā)明光波導(dǎo)傳感器一實(shí)施例示意圖。
圖2是用于測(cè)試光波導(dǎo)傳感器一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是光波導(dǎo)傳感器應(yīng)變響應(yīng)曲線圖，傳感器包括的毛細(xì)管分別不涂覆、涂鋁、涂聚酰亞胺和涂聚酰亞胺加鋁。
圖4是包括涂ITO和鋁毛細(xì)管的光波導(dǎo)傳感器的應(yīng)變響應(yīng)曲線圖。
圖5是對(duì)圖3和4所示各類傳感器列出應(yīng)變系數(shù)的表格。
較佳實(shí)施例的描述參照?qǐng)D1，圖示為本發(fā)明的光波導(dǎo)傳感器10。機(jī)殼12有內(nèi)表面14與外表面16。外表面16包括至少一層低折射率材料24和至少一層高反射性材料26。機(jī)殼12和層28與30的膨脹系數(shù)極小，如9×10-6in/in℃。在通常遇到的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，傳感器10沿應(yīng)變方向的基本尺寸不變。機(jī)殼12同第一與第二光纖28與30連通。當(dāng)光通過機(jī)殼12、在機(jī)殼12內(nèi)反射與折射并被第二光纖30接收時(shí)，用檢測(cè)光強(qiáng)變化的裝置(未示出)與第二光纖30相連通。
在本發(fā)明的該較佳實(shí)施例中，第一層24的低折射率材料是聚酰亞胺，第二層26的高反射性材料是鋁。
實(shí)驗(yàn)本發(fā)明包括一種堅(jiān)固的波導(dǎo)應(yīng)變傳感器，能監(jiān)視高達(dá)至少2000με的應(yīng)變。該傳感器的有效應(yīng)變?cè)ㄆ渖铣练e了光學(xué)活性材料薄膜的空心玻璃管。
10cm長的空心玻璃波導(dǎo)購自商家。評(píng)估的管型尺寸是防護(hù)白玻璃管，5mm內(nèi)直徑，0.20mm壁厚(Fisher Scientific，Pittsburgh PA)；以及涂了16～35μm聚酰亞胺的玻璃管，壁厚0.09mm，0.175mm，0.1075mm，管內(nèi)直徑分別為0.32mm、0.45mm與0.53mm(Alltech公司，Deerfield NY)。管子先用商業(yè)氨基玻璃清潔劑清洗，再用丙酮、甲醇與去離子水沖洗，接著在濾清的氮?dú)庵写蹈?。清洗后將它們置于臭氧等離子體室中2小時(shí)，去除任何剩余的有機(jī)表面污物。對(duì)光敏層評(píng)估了三種不同的薄膜涂層厚度為0.1～40μm的聚酰亞胺、氧化銦錫和氧化鋅。認(rèn)為適用于本發(fā)明目的的其它涂層包括硅與鍺。
聚酰亞胺涂層是“普通”膜，由氣相色譜供應(yīng)室為柱毛細(xì)管提供。后兩種材料由RF反應(yīng)濺射法淀積。提供了活性涂層后，同樣用反應(yīng)濺射淀淀積鋁質(zhì)反射性外層(～0.5μm)。認(rèn)為適合的其它反射層包括銀、鉑與鈀。然后將源與檢測(cè)器光纖用環(huán)氧樹脂粘合劑管子的任一端。應(yīng)用普通工業(yè)技術(shù)分別制備源和檢測(cè)器光纖28與30的端部，形成與光纖和傳感器軸線垂直的平面。
參照?qǐng)D2，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的主要元件有1)在632～633nm范圍內(nèi)發(fā)射光能的氦氖激光源40，2)微操縱架42中將激光聚焦到源光纖28上的顯微鏡物鏡，3)基準(zhǔn)光電二極管束檢測(cè)器44，4)檢測(cè)束光電二極管檢測(cè)器46，5)內(nèi)置有位置檢測(cè)50與比較器52的四點(diǎn)彎曲設(shè)備48。應(yīng)用光束斬波與頻率敏感放大法系統(tǒng)相對(duì)線路電源和激光器擾動(dòng)而穩(wěn)定。約4％的激光經(jīng)光路中的分束器52導(dǎo)向基準(zhǔn)二極管檢測(cè)器44。以電子技術(shù)將基準(zhǔn)信號(hào)分成傳感器輸出信號(hào)，以進(jìn)一步減少隨機(jī)噪聲。用商業(yè)多模光纖把光源引到傳感器輸入端，并將傳感器出射的光送到輸出檢測(cè)器。運(yùn)用帶可編程步進(jìn)電機(jī)的四點(diǎn)彎曲設(shè)備ASTM C-1341-97制造應(yīng)變，步進(jìn)尺寸一般為0.25mm。
對(duì)于四點(diǎn)彎曲的棒或管而言，應(yīng)變與偏轉(zhuǎn)的關(guān)系為ϵ=δδ2+a2d-----(1)]]>式中δ是偏離管中心平衡的偏轉(zhuǎn)，d是管外徑，a是四點(diǎn)彎曲設(shè)備兩可動(dòng)(內(nèi)部)柱之間距離的一半(本例中2a＝2.92cm)。
公式(1)給出了基于四點(diǎn)彎曲設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)量值。量δ可直接測(cè)出，或通過建立一條δ與內(nèi)部柱位移的校正曲線而精密地確定。在彎曲必須達(dá)到2000με的范圍內(nèi)，δ與位移成線性關(guān)系，故通過內(nèi)部柱的直線位移能直接推算出δ。
結(jié)果該智能光學(xué)應(yīng)變傳感器應(yīng)用的空心玻璃波導(dǎo)支架，在玻璃外部與反射(鋁)外涂層之間設(shè)置了活性敏感材料。應(yīng)變系數(shù)或應(yīng)變響應(yīng)計(jì)算如下G=ΔII0·1Δϵ---(2)]]>式中ΔI是光檢測(cè)器二極管在兩個(gè)應(yīng)變級(jí)測(cè)得的光強(qiáng)變化，Δε為應(yīng)變變化，I0為不應(yīng)變狀態(tài)的光強(qiáng)。由于光強(qiáng)與應(yīng)變響應(yīng)特性在測(cè)試應(yīng)變范圍內(nèi)基本上是線性的，因而通過把I與ε曲線的斜率除以數(shù)據(jù)最佳擬合直線的I軸交點(diǎn)，可算出應(yīng)變系數(shù)。實(shí)踐中，被測(cè)參數(shù)是放大器的輸出電壓，而該放大器用來測(cè)量對(duì)傳感器輸出檢測(cè)器二極管的光強(qiáng)變化的響應(yīng)。將該電壓除以基準(zhǔn)二極管放大器的輸出，再把這兩個(gè)電壓比給制成應(yīng)變的函數(shù)。
當(dāng)對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)添加ITO層時(shí)，雖然減小了應(yīng)變系數(shù)，但是明顯擴(kuò)大了量程。用于圖4響應(yīng)曲線的具體結(jié)構(gòu)，是通過在涂覆聚酰亞胺的0.53mm內(nèi)徑管上先濺射0.9μm ITO再濺射0.5μm鋁而形成的。該傳感器結(jié)構(gòu)的應(yīng)變系數(shù)為410，信號(hào)在從不應(yīng)變到2000με的變化外推于90％(減小)。與之相反地，對(duì)于無ITO活性層的各種試樣(圖3)，在同樣應(yīng)變范圍內(nèi)觀察到的信號(hào)減小一般為50％。圖5在表中歸納于圖3和4結(jié)構(gòu)的有關(guān)應(yīng)變系數(shù)。
對(duì)傳感器作循環(huán)應(yīng)變，試驗(yàn)該光學(xué)傳感器的再現(xiàn)能力。對(duì)于同樣內(nèi)徑的管上制作的同樣薄膜結(jié)構(gòu)，從零到最大應(yīng)變循環(huán)四次，應(yīng)變計(jì)的再現(xiàn)性優(yōu)于1％。
討論光學(xué)應(yīng)變波導(dǎo)傳感器基于光損耗，這在激光束撞擊波導(dǎo)內(nèi)壁、橫移過該壁(和其上的任何涂層)、從鏡面外層(鋁)反射并再次橫移過波導(dǎo)涂層與壁時(shí)發(fā)生。當(dāng)光撞擊毛細(xì)管內(nèi)表面時(shí)，有些被反射，有些被散射(非鏡面反射)，而有些透射(折射)入管壁。這些過程也出現(xiàn)了后繼的界面，根據(jù)菲涅耳與斯涅耳定律，其反射/透射比取決于堆層中每種材料的折射率。此外，根據(jù)吸收度，每種材料都吸收一定的光。因此，一次互作用以后，初始光強(qiáng)I0就減小為I1＝(1-f)I0，其中f是一次互作用的百分?jǐn)?shù)損失。若有N次互作用，則最后光強(qiáng)為IN＝(1-f)NI0。若在外側(cè)設(shè)置高度反射性涂層，實(shí)際上只有吸收與散射減小不束的光強(qiáng)，因?yàn)楣獠ǖ竭_(dá)空間某一點(diǎn)時(shí)，反射與折射僅影響其相位。
當(dāng)對(duì)傳感器施加彎曲應(yīng)變時(shí)，曲率增大，使光束與波導(dǎo)間的“反跳”或互作用次數(shù)增多，而每次反跳都有損失。公式(3)給出了反跳次數(shù)N作為曲率半徑R的函數(shù)的方程N(yùn)=12+ϵL2dcos-1(11+c)-----(3)]]>其中d為管子外徑，ε為應(yīng)變，L是應(yīng)變計(jì)長度。
當(dāng)對(duì)該結(jié)構(gòu)把鋁反射層用作外涂層時(shí)，逃逸的光很少，因而應(yīng)變系數(shù)減小。這種情況得到了這樣一種事實(shí)的支持，即涂有鋁反射器的防護(hù)白玻璃毛細(xì)管呈現(xiàn)出最小的應(yīng)變系數(shù)。射入管內(nèi)的幾乎所有光都到達(dá)出射端的檢測(cè)器光纖。另一方面，完全不涂覆的防護(hù)白玻璃，每次反跳會(huì)損失大部分光強(qiáng)，因?yàn)楣鈺?huì)全部逃離管子。因此，完全不涂覆的結(jié)構(gòu)具有最大的應(yīng)變系數(shù)。對(duì)有和設(shè)有反射外涂層的涂聚酰亞胺毛細(xì)管，情況也如此。因此，有人可能得出這樣的結(jié)論，即“最佳的”傳感器便是不涂覆的防護(hù)白玻璃，這對(duì)于最大應(yīng)變小于1000με的應(yīng)用可能如此(例如，在公路上用埋在道路中的光學(xué)傳感器統(tǒng)計(jì)交通通道，可能要求傳感器的響應(yīng)對(duì)400με作優(yōu)化)。然而，還有其它要考慮的因素。首先，防護(hù)白玻璃管的堅(jiān)固性還不是以可靠地記錄2000με而無故障。若壁部更薄，雖能承受更大的彎曲，但變得過脆弱而難以處置。對(duì)于氣相色譜行業(yè)而言，增強(qiáng)措施是加裝聚酰亞胺層。聚酰亞胺層提高了毛細(xì)管的柔性，允許減小壁厚度和更小的彎曲半徑而無故障。作為評(píng)估的一部分，試驗(yàn)了三種尺寸涂聚酰亞胺的管子。
相信內(nèi)徑為0.53±0.012mm、壁厚為0.085±0.012mm、聚酰亞胺層為24±4μm厚的傳感器，能與現(xiàn)在使用的多模光纖相配。應(yīng)用這種特定的毛細(xì)管，應(yīng)變很容易超過5000με。若要求作甚至更高應(yīng)變的測(cè)量，可用更小更薄涂聚酰亞胺的壁的毛細(xì)管。
對(duì)于設(shè)計(jì)和最終應(yīng)用于特定動(dòng)態(tài)范圍的光學(xué)傳感器，可通過添加吸收層并修改其厚度而擴(kuò)展它的動(dòng)態(tài)范圍。理想的是，最大應(yīng)變將是導(dǎo)致光強(qiáng)減小為初始值的百分之幾。
本發(fā)明的波導(dǎo)傳感器是一種堅(jiān)固、化學(xué)與熱學(xué)穩(wěn)定的波導(dǎo)，該傳感器能監(jiān)視超過2000με的應(yīng)變，容易配入光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。傳感器上活性涂層的光學(xué)特性可對(duì)穩(wěn)定的最大應(yīng)變指優(yōu)化成最大動(dòng)態(tài)范圍。涂聚酰亞胺的毛細(xì)管的應(yīng)變至少達(dá)5000με，且具有更佳的容限控制。
上述說明限于本發(fā)明的一特定實(shí)施例，然后顯然可對(duì)本發(fā)明作出變化與更改，并實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的某些或全部優(yōu)點(diǎn)。因此，所附權(quán)利要求書的目的在于包羅所有這類符合本發(fā)明的精神和范圍的變化與更改。
權(quán)利要求
1.一種光波導(dǎo)傳感器，其特征在于包括機(jī)殼，所述機(jī)殼有內(nèi)表面和外表面，外表面至少有兩層，第一層包括低折射率材料，而第二層包括高反射性材料；與機(jī)殼連通的第一光纖；與機(jī)殼連通的第二光纖；和在光通過機(jī)殼、在機(jī)殼內(nèi)反射與折射且被第二光纖接收時(shí)檢測(cè)其光強(qiáng)變化的裝置，當(dāng)機(jī)殼受應(yīng)力時(shí)，所述光波導(dǎo)傳感器能測(cè)量至少2000με。
2.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，機(jī)殼具有相對(duì)的第一與第二端，第一光纖與第一端連通，第二光纖與第二端連通。
3.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，第一層包括聚酰亞胺。
4.如權(quán)利要求1或3所述的光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，第二層包括鋁。
5.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，第一層選自由聚酰亞胺、硅和鍺組成的組。
6.如權(quán)利要求1或5所述的光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，第二層選自由鋁、銀、鉑和鈀組成的組。
7.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，傳感器在-20～50℃范圍內(nèi)對(duì)溫度不敏感。
8.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，光纖是多模光纖。
9.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，機(jī)殼包括玻璃。
10.如權(quán)利要求9所述的光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，機(jī)殼為圓柱形。
11.如權(quán)利要求10所述的光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，機(jī)殼尺寸為內(nèi)徑0.5mm×外徑1mm×長100mm。
12.如權(quán)利要求11所述的光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，光波導(dǎo)傳感器的應(yīng)變系數(shù)為490。
全文摘要
一種光波導(dǎo)傳感器(10),其機(jī)殼(12)具有外表面(16)和內(nèi)表面(14),外表面(16)至少涂覆了兩層,第一層是低折射率材料(24),第二層是高反射性材料(26)。機(jī)殼與第一光纖(28)、第二光纖(30)連通。
文檔編號(hào)G01L1/24GK1345412SQ00805470
公開日2002年4月17日 申請(qǐng)日期2000年1月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月26日
發(fā)明者O·J·格雷戈里, W·B·于勒 申請(qǐng)人:羅得島及普羅維登斯屬地高等教育管理委員會(huì)