專利名稱：復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵的溫度應(yīng)力傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感器件，特別是一種同時測量溫度和應(yīng)力雙參數(shù)的復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器及其制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器，其特點是它包括預(yù)曝光段光纖光柵和常規(guī)段光纖光柵，其中一段光纖光柵與一金屬片粘固在一起。
所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器的制備方法包括下列步驟a)在一根商用常規(guī)摻氧化鍺單模光纖剝?nèi)ネ扛矊雍?，采用紫外曝光技術(shù)使某一小段光纖的折射率變大，形成預(yù)曝光段光纖；b)在預(yù)曝光段與未曝光段的交接處寫入光柵，形成兩段不同特性的光柵，即預(yù)曝光段光纖光柵和常規(guī)段光纖光柵；c)把其中一段光纖光柵固在一塊金屬片上；d)經(jīng)封裝，即構(gòu)成本復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器。
實際上預(yù)曝光段光纖光柵和常規(guī)段光纖光柵在物理結(jié)構(gòu)來說是屬于同一根商用常規(guī)摻GeO2單模光纖，通過預(yù)曝光的工藝來實現(xiàn)雙波長光纖光柵。由此可知，本復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器也可用光致變的塑料光纖、或波導(dǎo)材料如摻GeO2的SiO2波導(dǎo)、或其它有機波導(dǎo)等材料制成。
粘固光柵用的金屬片，可以是金屬體材料的薄片，也可采用在局部光纖光柵的外表面電鍍上一定厚度的金屬膜，還可采用一小的金屬套管將其中一段光纖光柵套住并粘牢，同樣用來改變Bragg波長的響應(yīng)度。
復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器工作原理如下光纖光柵的Bragg波長λB取決于纖芯折射率neff和光柵周期Λ，即
λB＝2neffΛ(1)預(yù)紫外曝光段的光纖由于預(yù)曝光，使其纖芯的有效折射率neff1提高，大于未預(yù)曝光光纖段的有效折射率neff2，，于是寫入同周期的光柵后，產(chǎn)生二個Bragg波長λB1、λB2，且λB1＞λB2。圖2給出了某種預(yù)曝光條件和光柵寫入?yún)?shù)制備所得的復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵的透射光譜，其Bragg波長分別為λB11551.06nm，λB21550.12nm，它們之差為0.94nm，Δλ的大小通過制備工藝是可控的。當(dāng)同時改變和應(yīng)力時，將使復(fù)合光纖光柵的Bragg波長λB1、λB2移動，其變化量Δλi可表示為Δλi=kϵiΔϵi+kTiΔTi,i=1,2---(2)]]>式中kϵi=∂λi/∂ϵi(i=1,2)]]>是與光纖材料的泊松比、彈光系數(shù)以及有效折射率有關(guān)的常數(shù)；kT1=∂λ1/∂T1]]>為與金屬材料的熱膨脹系數(shù)、光纖的熱膨脹系數(shù)及光熱系數(shù)有關(guān)的常數(shù)；kT2=∂λ2/∂T2]]>是與光纖的熱膨脹系數(shù)以及光熱系數(shù)有關(guān)的常數(shù)。假設(shè)整個光柵區(qū)域發(fā)生應(yīng)變Δε時，由于部分光柵粘固在金屬材料上，兩段光柵所產(chǎn)生不同的應(yīng)變量，令發(fā)生應(yīng)變區(qū)的總長為L，而粘固于金屬上的部分光柵長度為L1，α＝Δε1/Δε2，則有如下關(guān)系Δϵ1=αLL+(α-1)L2Δϵ---(3)]]>Δϵ2=LL+(α-1)L2Δϵ---(4)]]>將(3)、(4)兩式代入(2)式，便可得到光纖光柵的反射峰波長移動量與整個光柵區(qū)域的應(yīng)變與溫度變化之間的關(guān)系Δλ1Δλ2=Kϵ1KT1Kϵ2KT2ΔϵΔT---(5)]]>式中Kϵ1=kϵ1αL/[L+(α-1)L2],Kϵ2=kϵ2L/[L+(α-1)L2],KTi=kTi(i=1,2).]]>上式可變?yōu)?amp;epsiv;-ϵ0T-T0=Kϵ1KT1Kϵ2KT2-1Δλ1Δλ2---(6)]]>
其中，ε0和T0分別是預(yù)先確定的參考應(yīng)變量和溫度值。由上式可知，只要測定出常數(shù) 及 便可根據(jù)Bragg波長移動Δλi，通過解方程組可以計算出測試點的實際溫度和應(yīng)變。
從上述工作原理可知復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感器的Bragg波長之差Δλi越大，波長解調(diào)時的時間分辨率、空間分辨率越高；Δλi(i＝1，2)與ΔT、Δε的比值越大，即二個光柵對溫度和應(yīng)變的響應(yīng)的差別越大，測量靈敏度和精度就越高。圖3和圖4分別顯示出本復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵其中典型的Bragg波長的溫度響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)。由此可見Bragg波長λ1的對溫度響應(yīng)度是波長λ2的3倍以上，而波長λ2對應(yīng)力的響應(yīng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長λ1的響應(yīng)，這對區(qū)分溫度和應(yīng)力的變化是及其必要和十分有利，體現(xiàn)出本傳感器的獨到之處。
本復(fù)合結(jié)構(gòu)的光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器與現(xiàn)有的傳感器相比具有以下優(yōu)點(1)采用本方法制備技術(shù)可獲得Δλ大而且可控的復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感器，波長解調(diào)具有高的時間、空間分辨率，可降低測量儀器裝置的成本；通過預(yù)曝光光纖光柵段粘固于金屬片，增大二個光柵對溫度應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)的差值，改善和提高光纖光柵溫度、應(yīng)力傳感器的測量靈敏度和精度；(2)本傳感器的制備工藝簡單，所用原材料都為商業(yè)化產(chǎn)品，成本低，性價比好；(3)本傳感器波導(dǎo)芯徑均勻，無需施加預(yù)拉伸，確保器件的機械強度，工作穩(wěn)定性可靠性好等。
圖2是本發(fā)明復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器的透射光譜圖。
圖3是本發(fā)明復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器的溫度響應(yīng)曲線。
圖4是本發(fā)明復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器的應(yīng)力響應(yīng)曲線。
圖5是本發(fā)明的實用實例一測量裝置的示意圖。
圖6是本發(fā)明的實用實例二測量裝置的示意圖。
圖2是

圖1實施例透射光譜圖。
由圖3可知，本發(fā)明波長變化量和溫度之間具有很好的線性關(guān)系。
由圖4可知，本發(fā)明波長變化量和應(yīng)變之間也具有很好的線性關(guān)系。
下面結(jié)合本復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器同時測量溫度和應(yīng)力的兩個應(yīng)用實例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
應(yīng)用實例一整個測量裝置如圖5所示，由寬帶光源11、光分路器13、復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感器5、2×1光開關(guān)14、光譜解調(diào)(分析)器15、數(shù)據(jù)處理器16用單模光纖12按圖5的結(jié)構(gòu)連接成為測量系統(tǒng)。這里分路器13采用1×2光開關(guān)。其中復(fù)合光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器5和連接分路器13與2×1光開關(guān)14用光纖12相連并同時置于溫度、應(yīng)力檢測點。測量過程分兩步第一通過光開關(guān)切換，測量寬帶光源11的光譜；第二，分別測量出受試點上傳感器5的二個Bragg波長λ1、λ2值并進(jìn)行歸一化，然后測出變化量Δλi(i＝1、2)，最后把得到的波長變化值輸入到數(shù)據(jù)處理器16，計算出測試點的溫度和應(yīng)變。
應(yīng)用實例二把例一測量裝置中的分路器13改用分束比為50∶50的1×2光纖耦合器17，其它相同，即構(gòu)成另一種測量裝置如圖6所示。這種結(jié)構(gòu)少用了一個成本相對高的光開關(guān)，增加插入損耗，適合寬光源功率大的情況。測量過程和方法同上。
典型的測量結(jié)果在0-2400微應(yīng)變，20-50攝氏度的范圍內(nèi)，得到應(yīng)變精度為20微應(yīng)變，溫度精度為0.8攝氏度。實驗中得到的K系數(shù)矩陣為 Kϵ1=0pm/μϵ,]]>Kϵ2=1.4pm/μϵ]]>由此表明如此大的應(yīng)變范圍達(dá)到這樣的精度以及適中溫度范圍和高的精度，已經(jīng)滿足某些工程測量應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器，其特征在于它包括預(yù)曝光段光纖光柵(1)和常規(guī)段光纖光柵(2)，其中一段光纖光柵(1或2)與一金屬片(3)粘固在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感器的制備方法，其特征在于該方法包括下列步驟a)在一根商用常規(guī)摻氧化鍺單模光纖(4)剝?nèi)ネ扛矊雍?，采用紫外曝光技術(shù)使某一小段光纖(1)的折射率變大，形成預(yù)曝光段光纖；b)在光纖預(yù)曝光段與未曝光段的交接處寫入光柵，形成兩段不同特性的光柵，即預(yù)曝光段光纖光柵(1)和常規(guī)段光纖光柵(2)；c)把其中一段光纖光柵(1或2)粘固在一塊金屬片(3)上；d)經(jīng)封裝，即構(gòu)成本復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器的制備方法，其特征在于所述的溫度應(yīng)力傳感器的光纖也可用光折變的塑料光纖，或摻氧化鍺的二氧化硅波導(dǎo)，或其它有機波導(dǎo)材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器的制備方法，其特征在于所述粘固光柵用的金屬片(3)，也可采用在局部光柵的外表面電鍍、或濺射、或蒸發(fā)上一定厚度的金屬膜構(gòu)成，還可采用一小的金屬套管將其中一段光纖光柵(1或2)套住并粘牢。
全文摘要
一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵溫度應(yīng)力傳感器，其特點是它包括預(yù)曝光段光纖光柵和常規(guī)段光纖光柵，其中一段光纖光柵與一金屬片粘固在一起。預(yù)曝光段光纖由于預(yù)曝光致使該段光纖的本底折射率提高，寫入光柵后出現(xiàn)兩個不同的Bragg波長，利用它們對溫度和應(yīng)力的不同響應(yīng)，來區(qū)分溫度和應(yīng)力的變化，以此同時測量溫度和應(yīng)力。本發(fā)明傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、制備成本底、可測量的應(yīng)力溫度范圍大和測量精度高等特點?？蓮V泛應(yīng)用于基建(橋梁、大壩及高層建筑等)、油庫、工業(yè)設(shè)施、飛機和輪船等場合的溫度和應(yīng)力測量。
文檔編號G01D21/02GK1424560SQ0311482
公開日2003年6月18日 申請日期2003年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月10日
發(fā)明者周贏武, 高侃, 黃銳, 陳高庭, 方祖捷 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所