專利名稱：光纖光柵二維傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器的制造，特別是一種光纖光柵二維傳感器。利用光纖光柵二維傳感器，能夠進(jìn)行應(yīng)力、位移等參量的二維高精度實(shí)時(shí)監(jiān)控與測(cè)量，屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明所說的光纖光柵二維傳感器，包括光纖光柵、光纖、矩形彈性梁(懸臂梁或簡(jiǎn)支梁)、固定端、光纖接插器、光纖耦合器、匹配液、光源、波長(zhǎng)測(cè)試儀、O/E電路、數(shù)據(jù)處理器、顯示器等；雙光柵串中的兩個(gè)光纖光柵分別用粘結(jié)劑(如強(qiáng)力膠102、504、502等)，沿矩形彈性梁的中性面與表面的交線平整地粘貼在相鄰的兩個(gè)側(cè)面。若矩形彈性梁作為懸臂梁使用，光纖光柵粘貼在梁的末端位置；若矩形彈性梁作為簡(jiǎn)支梁使用，則光纖光柵粘貼在梁的中心位置。
本傳感器的連接有兩種方式其一為反射式連接，即光纖耦合器(2×2或1×2光纖耦合器)或光環(huán)行器(三端口或四端口光環(huán)行器)一側(cè)的兩個(gè)端口，一端連接已粘貼的雙光柵串，另一端置入匹配液；而光纖耦合器另外一側(cè)的兩個(gè)端口，一端接光源，另一端與波長(zhǎng)測(cè)試儀、O/E電路、數(shù)據(jù)處理器、顯示器依次連接。
其二為透射式連接，即不用光纖耦合器(或光環(huán)行器)，將光纖光柵的一端與光源直接連接，另一端與波長(zhǎng)測(cè)試儀、O/E電路、數(shù)據(jù)處理器、顯示器依次連接。
矩形彈性梁是一個(gè)均質(zhì)、對(duì)稱、各向同性的實(shí)心彈性體，橫截面為矩形或方形，材質(zhì)可為有機(jī)玻璃、金屬、合金、塑料、橡膠或尼龍等彈性材料。
所述的數(shù)據(jù)處理器根據(jù)應(yīng)力矩陣、位移矩陣、合應(yīng)力與合位移及方位角關(guān)系，可將光纖光柵傳感器感測(cè)的應(yīng)力、位移等信號(hào)輸入顯示器分別輸出。
雙光柵串中的光纖光柵均為光纖布拉格光柵，且波長(zhǎng)不同，用粘結(jié)劑分別沿矩形彈性梁的中性面與表面的交線平整地粘貼在相鄰的兩個(gè)側(cè)面，通過檢測(cè)傳感光纖光柵的反射(或透射)的中心波長(zhǎng)差來高精度地感測(cè)應(yīng)力、位移的大小和方向。在小撓度條件下，該傳感器是準(zhǔn)線性的；在大撓度條件下，該傳感器則是非線性的。
當(dāng)矩形彈性梁受到外力作用時(shí)，粘貼在梁上的光纖光柵受到軸向應(yīng)力作用，其柵距發(fā)生變化，導(dǎo)致相鄰兩個(gè)側(cè)面上的光纖光柵的反射(或透射)中心波長(zhǎng)漂移量不同。該漂移量經(jīng)波長(zhǎng)測(cè)試儀測(cè)量后，由O/E轉(zhuǎn)換電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后由顯示器輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力、位移的高精度感測(cè)。
本發(fā)明的二維傳感器，在小撓度條件下，作用于矩形彈性梁上的外力有兩種形式一種是外力垂直作用于矩形梁的一個(gè)面上，這時(shí)雙光柵串中僅有一個(gè)光纖光柵的反射(或透射)中心波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移，而另一個(gè)光纖光柵的波長(zhǎng)則不漂移；另一種是外力成一定角度θ(0°＜θ＜9°)斜向作用于矩形梁的一個(gè)面上，這時(shí)雙光柵串中的兩個(gè)光纖光柵的反射(或透射)中心波長(zhǎng)都產(chǎn)生漂移。根據(jù)各自波長(zhǎng)漂移量的大小，可以感測(cè)應(yīng)力、位移的大小和方向。
本發(fā)明傳感二維應(yīng)力、位移的方法是當(dāng)矩形彈性梁受到與XOY平面平行的二維力作用時(shí)，粘貼于其上的光纖光柵受到軸向應(yīng)力作用，其柵距發(fā)生變化，導(dǎo)致相鄰兩個(gè)側(cè)面上的光纖光柵的反射(或透射)中心波長(zhǎng)漂移量不同。根據(jù)波長(zhǎng)漂移量的增加或減小，利用應(yīng)力矩陣、位移矩陣、合應(yīng)力與合位移及方位角關(guān)系，即可高精度實(shí)時(shí)感測(cè)被測(cè)物的受力狀態(tài)與形變狀態(tài)(應(yīng)力或位移的大小和方向)。
本發(fā)明的應(yīng)力矩陣、位移矩陣、合應(yīng)力與合位移、方位角關(guān)系分別為Δλx(F)Δλy(F)=Kx(F)Ky(F)×FxFy.......(1)]]>Δλx(ω)Δλy(ω)=Kx(ω)Ky(ω)×ωxωy......(2)]]>F=Fx2+Fy2,Ω=ωx2+ωy2........(3)]]>α＝arctan(Fy/Fx)，β＝arctan(ωy/ωx) (4)式中Δλx(F)、Δλy(F)分別是受應(yīng)力作用時(shí)，兩個(gè)光纖光柵波長(zhǎng)λx(F)、λy(F)的漂移量；Δλx(ω)、Δλy(ω)分別是矩形彈性梁位移變化時(shí)，兩個(gè)光纖光柵波長(zhǎng)λx(ω)、λy(ω)的變化。Kx(F)、Ky(F)分別是兩個(gè)垂直方向(即x、y方向)上的應(yīng)力傳感系數(shù)，Kx(ω)、Ky(ω)分別是x方向和y方向上的位移傳感系數(shù)，F(xiàn)i、ωi(i＝x，y)分別是傳感參量應(yīng)力、位移在x方向和y方向上的分量。在小撓度條件下，(1)式和(2)式中的Kx(F)、Ky(F)、Kx(ω)和Ky(ω)均可視為常數(shù)。如矩形彈性梁作為懸臂梁使用，雙光柵串靠近梁的末端(即固定端)位置粘貼時(shí)，則各傳感系數(shù)的大小可分別表示為K(F)＝[6λi(l-Pe)(L-δi)]/(Ebh2)、K(ω)＝[3λih(1-pe)(L-δi)]/(2L3)。其中，Pe是光纖的有效彈光系數(shù)，L、b、h、E分別是矩形彈性梁的長(zhǎng)度、寬度、厚度、楊氏模量，λi(i＝x，y)分別表示粘貼在矩形梁上的雙光柵串的中心波長(zhǎng)，δi(δi＜＜L，i＝x，y)是兩個(gè)傳感光纖光柵各自的中心位置與梁固定端的距離，F(xiàn)、Ω分別是合應(yīng)力、合位移，α、β分別是應(yīng)力和位移在兩個(gè)垂直方向上的方位角，其關(guān)系為tanβ＝{[Ky(F)·Kx(x)]/Kx(F)·Ky(x)}·tanα。當(dāng)矩形彈性梁的橫截面為正方形時(shí)，則α＝β，這時(shí)合應(yīng)力F與合位移Ω的方向是一致的。
本發(fā)明的有益效果是傳感器的傳感基元僅為一根雙光柵串，以此雙光柵串為傳感基元研制的二維傳感器，既可實(shí)時(shí)感測(cè)應(yīng)力、位移的大小，亦可實(shí)時(shí)感測(cè)其方向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易于系統(tǒng)集成。應(yīng)用廣泛。
在本發(fā)明的具體實(shí)施例子圖3中，傳感器包括光纖布拉格光柵1，單模光纖2，有機(jī)玻璃矩形梁3，鐵金屬固定端4，熱縮套管9、2×2光纖耦合器10，匹配液11，寬帶光源12，F(xiàn)-P波長(zhǎng)測(cè)試儀13、O/E電路14、數(shù)據(jù)處理器15、顯示器16等。雙光柵串中的兩個(gè)光纖光柵分別用102強(qiáng)力膠，沿矩形彈性梁的中性面與表面的交線平整地粘貼在靠近固定端相鄰的兩個(gè)側(cè)面。矩形彈性梁作為懸臂梁使用，并以反射式方式進(jìn)行連接即2×2光纖耦合器一側(cè)的兩個(gè)端口，一端連接已粘貼的光纖布拉格光柵1，另一端置入匹配液11；而2×2光纖耦合器另外一側(cè)的兩個(gè)端口，一端接寬帶光源12，另一端與波長(zhǎng)測(cè)試儀13、O/E電路14、數(shù)據(jù)處理器15、顯示器16依次連接。對(duì)于透射式結(jié)構(gòu)，只需在

圖1中將2×2光纖耦合器10、匹配液11去掉，然后將雙光柵串1的兩端分別與寬帶光源12和F-P波長(zhǎng)測(cè)試儀13連接起來即可。
其中，懸臂梁3是一個(gè)均質(zhì)、對(duì)稱、各向同性的矩形有機(jī)玻璃體，其長(zhǎng)度L＝120.0mm，寬度b＝5.0mm，厚度h＝3.0mm，楊氏模量E＝2.744×103N/mm2；用于傳感的光纖布拉格光柵串是用高摻鍺光敏光纖以相位掩膜法研制的，其長(zhǎng)度分別為l1＝7mm和l2＝10mm，測(cè)得反射率分別為96.5％和97.4％，中心波長(zhǎng)反射的3dB帶寬分別約為0.27nm和0.23nm；在室溫20℃時(shí)，測(cè)得兩個(gè)傳感光纖光柵的中心波長(zhǎng)分別為λ1＝1547.20nm與λ1＝1555.40nm，它們各自的中心位置與梁固定端的距離δx＝δy＝7.0mm；光纖的有效光彈系數(shù)pe＝0.22。根據(jù)上述參數(shù)得到(1)式和(2)式傳感系數(shù)矩陣的理論計(jì)算值分別為Kx(F)Ky(F)=6.62nm/N3.98nm/N......(5)]]>Kx(ω)Ky(ω)=0.36nm/N0.59nm/N.....(6)]]>數(shù)據(jù)處理器15由硬件與軟件構(gòu)成，它根據(jù)應(yīng)力矩陣、位移矩陣及方位角關(guān)系，將光纖光柵二維傳感器感測(cè)的應(yīng)力信號(hào)和位移信號(hào)輸入顯示器16分別輸出。
應(yīng)力F、位移Ω在x、y方向上的分量Fx、Fy和ωx、ωy，可用(1)式和(2)式計(jì)算得到；F、Ω的大小用(3)式求出，F(xiàn)、Ω的方位角α、β用(4)式求出。利用光纖光柵波長(zhǎng)絕對(duì)編碼的特性，通過監(jiān)測(cè)傳感光柵串中心波長(zhǎng)漂移的大小及指向，即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、位移的二維實(shí)時(shí)感測(cè)。表1給出了Δλx、Δλy變化與F、Ω方位角α、β之間的關(guān)系。
表一傳感光柵串的波長(zhǎng)漂移與方位角關(guān)系

在室溫T＝20℃的條件下，應(yīng)力F變化范圍為-1.5～+1.5N或位移Ω的變化范圍為與-20.0～+20.0mm時(shí)，經(jīng)對(duì)該二維傳感器多次實(shí)測(cè)，(1)式和(2)式傳感系數(shù)矩陣的實(shí)測(cè)擬合值分別為Kx(F)Ky(F)=6.09nm/N3.66nm/N......(7)]]>Kx(ω)Ky(ω)=0.33nm/N0.54nm/N.....(8)]]>對(duì)比(5)式～(8)式可知，傳感系數(shù)矩陣的實(shí)驗(yàn)擬合值與理論計(jì)算值符合得很好，二者之比達(dá)到92％以上。
在本發(fā)明的具體實(shí)施例子圖3中，F(xiàn)的方位角α＝45°，Ω的方位角β＝21.5°。于是，兩個(gè)傳感光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移量Δλx、Δλy，分別與應(yīng)力F、位移Ω的實(shí)測(cè)擬合方程分別為Δλx＝4.31F (9)Δλy＝2.59F (10)Δλx＝0.31Ω(11)Δλy＝0.19Ω(12)從實(shí)測(cè)擬合方程可見，Δλx、Δλy分別與F、Ω成良好的線性關(guān)系，它們的直線擬合度分別達(dá)到0.998、0.997、0.997和0.996。
對(duì)應(yīng)力、位移實(shí)施具體感測(cè)時(shí)，首先根據(jù)(1)式和(2)式、(7)式和(8)式，由Δλx、Δλy得到應(yīng)力F、位移Ω在x和y方向上分量的感測(cè)值Fx和Fy、x和y；然后，再根據(jù)(3)式分別求出合應(yīng)力F、合位移Ω的大小，進(jìn)而根據(jù)(4)式求出方位角α、β，確定F、Ω的方向。
實(shí)測(cè)中，該二維傳感器的工作環(huán)境溫度需保持恒溫。經(jīng)過多次實(shí)測(cè)，其在T＝-20℃～+60℃范圍內(nèi)，只要保持該二維傳感器在某一恒溫，即可高精度實(shí)時(shí)感測(cè)二維應(yīng)力、位移)。
在二維壓力或應(yīng)變感測(cè)中，可將上述(1)式中的應(yīng)力參量用壓力參量或應(yīng)變參量替換即可。
此外，在雙光柵串中再串接一個(gè)溫度補(bǔ)償光纖光柵，該光柵的中心波長(zhǎng)不同于雙光柵串的中心波長(zhǎng)，且不粘貼在矩形彈性梁上，因此，它不受外應(yīng)力的作用而僅受環(huán)境溫度的影響。于是，在雙光柵串實(shí)時(shí)感測(cè)二維應(yīng)力、位移的中心波長(zhǎng)漂移量中，減去溫度補(bǔ)償光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移量，即可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)力、位移二維實(shí)時(shí)感測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵二維傳感器，其特征在于它包括光纖光柵、光纖、矩形彈性梁、固定端、光纖接插器、光纖耦合器(或光環(huán)行器)、匹配液、光源、波長(zhǎng)測(cè)試儀、O/E電路、數(shù)據(jù)處理器、顯示器；雙光柵串中的兩個(gè)光纖光柵分別用粘結(jié)劑，沿矩形彈性梁的中性面與表面的交線平整地粘貼在相鄰的兩個(gè)側(cè)面；若矩形彈性梁作為懸臂梁使用，光纖光柵粘貼在梁的末端位置；若矩形彈性梁作為簡(jiǎn)支梁使用，則光纖光柵粘貼在梁的中心位置。本二維傳感器的連接有兩種方式反射式連接，即光纖耦合器(2×2或1×2光纖耦合器)或光環(huán)行器(三端口或四端口光環(huán)行器)一側(cè)的兩個(gè)端口，一端連接已粘貼的雙光柵串，另一端置入匹配液；而光纖耦合器另外一側(cè)的兩個(gè)端口，一端接光源，另一端與波長(zhǎng)測(cè)試儀、O/E電路、數(shù)據(jù)處理器、顯示器依次連接；或透射式連接，即不用光纖耦合器(或光環(huán)行器)，將雙光柵串的一端與光源直接連接，另一端與波長(zhǎng)測(cè)試儀、O/E電路、數(shù)據(jù)處理器、顯示器依次連接。所述的數(shù)據(jù)處理器根據(jù)應(yīng)力矩陣、位移矩陣、合應(yīng)力與合位移及方位角關(guān)系，可將光纖光柵傳感器感測(cè)的應(yīng)力、位移信號(hào)輸入顯示器分別輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵二維傳感器，其特征在于所述的應(yīng)力矩陣、位移矩陣、合應(yīng)力與合位移、方位角關(guān)系分別為Δλx(F)Δλy(F)=Kx(F)Ky(F)×FxFy]]>Δλx(ω)Δλy(ω)=Kx(ω)Ky(ω)×ωxωy]]>F=Fx2+Fy2,Ω=ωx2+ωy2]]>α＝arctan(Fy/Fx)，β＝arctan(ωy/ωx)式中Δλx(F)、Δλy(F)分別是受應(yīng)力作用時(shí)，兩個(gè)光纖光柵波長(zhǎng)λx(F)、λy(F)的漂移量；Δλx(ω)、Δλy(ω)分別是矩形彈性梁位移變化時(shí)，兩個(gè)光纖光柵波長(zhǎng)λx(ω)、λy(ω)的變化。Kx(F)、Ky(F)分別是兩個(gè)垂直方向(即x、y方向)上的應(yīng)力傳感系數(shù)，Kx(ω)、Ky(ω)分別是x方向和y方向上的位移傳感系數(shù)，F(xiàn)i、ωi(i＝x，y)分別是傳感參量應(yīng)力、位移在x方向和y方向上的分量。在小撓度條件下，上式中的Kx(F)、Ky(F)、Kx(ω)和Ky(ω)均可視為常數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵二維傳感器，其特征在于所述的矩形彈性梁是一個(gè)均質(zhì)、對(duì)稱、各向同性的實(shí)心彈性體，橫截面為矩形或方形，材質(zhì)可為有機(jī)玻璃、金屬、合金、塑料、橡膠或尼龍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵二維傳感器，其特征在于所述的傳感基元僅為一根雙光柵串，它是將兩個(gè)不同波長(zhǎng)的布拉格光柵寫入同一根光纖的兩個(gè)不同位置制成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵二維傳感器，其特征在于所述的光纖光柵為玻璃或塑料的光纖布拉格光柵。
6.權(quán)利要求1所述的光纖光柵二維傳感器傳感應(yīng)力、位移的方法，其特征在于1)將雙光柵串中的兩個(gè)光纖布拉格光柵，粘結(jié)劑沿矩形彈性梁的中性面與表面的交線平整地粘貼在相鄰的兩個(gè)側(cè)面上；2)當(dāng)矩形彈性梁受到與XOY平面平行的二維力作用時(shí)，粘貼于其上的光纖光柵受到軸向應(yīng)力作用，其柵距發(fā)生變化，導(dǎo)致相鄰兩個(gè)側(cè)面上的光纖光柵的反射(或透射)中心波長(zhǎng)漂移量不同；3)根據(jù)波長(zhǎng)漂移量的增加或減小，利用應(yīng)力矩陣、位移矩陣、合應(yīng)力與合位移及方位角關(guān)系，即可高精度實(shí)時(shí)感測(cè)被測(cè)物的受力狀態(tài)與形變狀態(tài)(應(yīng)力、位移的大小和方向)；應(yīng)力矩陣、位移矩陣、合應(yīng)力與合位移、方位角關(guān)系分別為Δλx(F)Δλy(F)=Kx(F)Ky(F)×FxFy]]>Δλx(ω)Δλy(ω)=Kx(ω)Ky(ω)×ωxωy]]>F=Fx2+Fy2,Ω=ωx2+ωy2]]>α＝arctan(Fy/Fx)，β＝arctan(ωy/ωx)式中Δλx(F)、Δλy(F)分別是受應(yīng)力作用時(shí)，兩個(gè)光纖光柵波長(zhǎng)λx(F)、λy(F)的漂移量；Δλx(ω)、Δλy(ω)分別是矩形彈性梁位移變化時(shí)，兩個(gè)光纖光柵波長(zhǎng)λx(ω)、λy(ω)的漂移量；Kx(F)、Ky(F)分別是兩個(gè)垂直方向(即x、y方向)上的應(yīng)力傳感系數(shù)，Kx(ω)、Ky(ω)分別是x方向和y方向上的位移傳感系數(shù)，F(xiàn)i、ωi(i＝x，y)分別是傳感參量應(yīng)力、位移在x方向和y方向上的分量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵二維傳感器，其特征在于所述的光纖耦合器是2×2或1×2光纖耦合器；所述的光環(huán)行器是三端口或四端口光環(huán)行器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵二維傳感器，其特征在于所述的工作環(huán)境溫度是-20℃～+60℃之間的某一恒溫。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵二維傳感器，其特征在于在雙光柵串中再串接一個(gè)溫度補(bǔ)償光纖光柵，該光柵的中心波長(zhǎng)不同于雙光柵串的中心波長(zhǎng)，且不粘貼在矩形彈性梁上，于是，在雙光柵串實(shí)時(shí)感測(cè)二維應(yīng)力、位移的中心波長(zhǎng)漂移量中，減去溫度補(bǔ)償光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移量，即可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)力、位移二維感測(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維傳感器和6所述的二維感測(cè)方法，其特征在于該傳感器可用于壓力、應(yīng)變的二維實(shí)時(shí)感測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明是一種光纖光柵二維傳感器，涉及應(yīng)力、壓力、位移等參量的二維實(shí)時(shí)檢測(cè)，屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的傳感基元是一根雙光柵串，雙光柵串中的兩個(gè)光纖光柵分別用粘結(jié)劑沿矩形彈性梁的中性面與表面的交線粘貼在相鄰的兩個(gè)側(cè)面，其連接方式有兩種反射式連接或透射式連接。當(dāng)矩形彈性梁受到二維應(yīng)力作用時(shí)，光纖光柵受到軸向應(yīng)力作用，柵距發(fā)生變化，導(dǎo)致相鄰兩個(gè)側(cè)面上的光纖光柵的反射(或透射)中心波長(zhǎng)漂移量不同。根據(jù)波長(zhǎng)漂移量的增加或減小，經(jīng)波長(zhǎng)測(cè)試儀檢測(cè)后，由O/E電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理器處理，由顯示器輸出，從而實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)感測(cè)被測(cè)物的二維受力狀態(tài)與形變狀態(tài)(應(yīng)力、壓力、位移的大小和方向)。
文檔編號(hào)G01D5/26GK1412527SQ02156480
公開日2003年4月23日 申請(qǐng)日期2002年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月18日
發(fā)明者張偉剛, 開桂云, 董孝義 申請(qǐng)人:南開大學(xué)