專利名稱：一種對溫度變化不敏感的雙管式光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光電子測量器件技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種對溫度變化不敏感的 雙管式光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器。
背景技術(shù)：
應(yīng)變傳感器是確定物體的形變或者作為應(yīng)變函數(shù)的其他參數(shù)的一種傳感器件。由 于獨(dú)特的電絕緣性賦予光纖Bragg光柵的抗電磁干擾能力(EMI)和在易燃易爆場合的本征 安全性，近年來基于光纖Bragg光柵的應(yīng)變測量方案發(fā)展迅速。由于光纖Bragg光柵對溫 度敏感，因此檢測應(yīng)變時(shí)不可避免地會受到溫度的干擾，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 目前典型的與本實(shí)用新型最接近的光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器為基于鋁管、銦鋼 管的雙金屬應(yīng)變傳感器(參見文獻(xiàn)吳傳福，劉有信，"光纖光柵應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償解決 方案"，《紅外》，2006(4) ， VOL. 27， No. 4)。這種傳感器由銦鋼和鋁的半圓形套管進(jìn)行層疊封 裝，最外層與最內(nèi)層均為半圓形銦鋼管，中間層是半圓形鋁管，管端粘接固定，將施加了預(yù) 應(yīng)力的光纖光柵粘接固定在內(nèi)外層銦鋼管的兩端。由于這種傳感器的外管使用脆性材料銦 鋼，應(yīng)變較大的情況下可能導(dǎo)致?lián)p壞，并且采用三層管的復(fù)雜封裝結(jié)構(gòu)，影響了應(yīng)變傳感靈 敏度，而且這種傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮了非測量狀態(tài)下的溫度補(bǔ)償，沒有考慮被測對象的 熱膨脹系數(shù)對光纖Bragg光柵的影響。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種從結(jié)構(gòu)上補(bǔ)償溫度變化對傳感光柵應(yīng)變測量的 干擾，保障光纖Bragg光柵在實(shí)際應(yīng)變檢測中的測量精度的對溫度變化不敏感的雙管式光 纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器。 本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的對溫度變化不敏感的雙管式光纖Bragg光柵應(yīng) 變傳感器，采用雙層金屬管封裝，光纖Bragg光柵的兩端粘貼于兩個(gè)帶孔內(nèi)管之間，外壁帶 螺紋的內(nèi)管通過螺紋固定于內(nèi)壁帶螺紋的外管兩端，外管由螺栓通過固定孔的方式固定在 被測結(jié)構(gòu)體上。 外壁帶螺紋的內(nèi)管由熱膨脹系數(shù)較大的材料制成，內(nèi)管較厚；內(nèi)壁帶螺紋的外管 采用熱膨脹系數(shù)較小的材料制成，外管較薄。 當(dāng)溫度升高時(shí)，外管沿軸向向外膨脹，帶孔螺紋內(nèi)管自由端沿軸向向內(nèi)膨脹，利用 內(nèi)、外管的熱膨脹系數(shù)之間的差值，補(bǔ)償因溫度波動而引起的光纖Bragg光柵熱膨脹和光 熱效應(yīng)所發(fā)生的Bragg波長移位，獲得僅外加應(yīng)力應(yīng)變作用于光纖Bragg光柵的Bragg波 長移位。 本傳感器的主要性能雙管式封裝光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器對溫度變化不敏感 的技術(shù)屬于機(jī)械補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，依靠內(nèi)、外管的相互作用使得光纖Bragg光柵不受溫度變化的 影響。[0009] 光纖Bragg光柵的中心波長的移位與應(yīng)變和溫度變化的關(guān)系為
<formula>formula see original document page 4</formula>(1) 式中Pe為有效彈光系數(shù)，cif為光纖的熱膨脹系數(shù)，l為光纖的熱光系數(shù)。若引 入應(yīng)變和溫度敏感系數(shù)SE和ST，并將SE和ST代入式(1)，則
<formula>formula see original document page 4</formula>(2) 本實(shí)用新型是利用內(nèi)、外管的熱膨脹系數(shù)之間的差值，抵消光纖Bragg光柵由于 熱膨脹和光熱效應(yīng)發(fā)生的形變，從而解決溫度變化對光纖Bragg光柵峰值波長的影響。由 此可得
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(3) 式中a工為外管的熱膨脹系數(shù)，a 2為內(nèi)管的熱膨脹系數(shù)，^為外管的長度，12為 內(nèi)管一端自由端的長度，13為固定于內(nèi)管中的光纖的長度。 由于封裝于雙金屬管內(nèi)的光纖Bragg光柵對溫度變化不敏感，則式(3)中[Sg 2a2/)-Q^ +Sr]Ar = 0 因此光纖Bragg光柵的中心波長移位只與應(yīng)變變化有關(guān)，得
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(4) 與現(xiàn)有的三層管封裝的光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器相比，本實(shí)用新型的有益效果 是傳感器采用雙層管結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度變化時(shí)，內(nèi)外管的相互作用消除了溫度變化對內(nèi)管中光 纖光柵Bragg波長的偏移值的影響，保障了光纖Bragg光柵在溫度較大的場合中也能正常 應(yīng)用，且能保證應(yīng)變測量的系統(tǒng)精度。并且在內(nèi)外管的尺寸設(shè)計(jì)時(shí)將外管設(shè)計(jì)很薄，內(nèi)管很 厚，通過同步旋動內(nèi)管，對固定于內(nèi)管中的光纖的松緊程度及溫度補(bǔ)償效果進(jìn)行微調(diào)。由于 本應(yīng)變傳感器僅采用雙管封裝，內(nèi)外管用螺紋連接，故結(jié)構(gòu)簡單。

圖1為本實(shí)用新型的雙管式光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中各標(biāo)號表示l-外壁帶螺紋的內(nèi)管，2-固定孔，3-內(nèi)壁帶螺紋的外管，4-光纖
Bragg光柵，5-帶孔內(nèi)管，6-光纖。
具體實(shí)施方式如圖l所示，本實(shí)用新型的雙管式光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器由外壁帶螺紋的內(nèi) 管1、固定孔2、內(nèi)壁帶螺紋的外管3、光纖Bragg光柵4及光纖6、帶孔內(nèi)管5組成；光纖Bragg光柵4的兩端粘貼于兩個(gè)帶孔內(nèi)管5之間，外壁帶螺紋的內(nèi)管l固定于內(nèi)壁帶螺紋的 外管3兩端，螺栓通過固定孔2將外管3固定在被測結(jié)構(gòu)體上。 外壁帶螺紋的內(nèi)管1由熱膨脹系數(shù)較大的材料制成，內(nèi)管較厚。內(nèi)壁帶螺紋的外 管3采用熱膨脹系數(shù)較小的材料制成，外管較薄。當(dāng)溫度升高時(shí)，外管3沿軸向向外膨脹， 內(nèi)管1自由端沿軸向向內(nèi)膨脹，利用內(nèi)、外管的熱膨脹系數(shù)之間的差值，抵消光纖Bragg光 柵4由于熱膨脹和光熱效應(yīng)發(fā)生的形變，從而補(bǔ)償溫度變化對光纖Bragg光柵的峰值波長 偏移值的影響。 以銅、不銹鋼材料制成的雙管封裝為實(shí)施例 1.雙管的尺寸如下外管材料選為45#鋼，外徑取10mm，內(nèi)徑取9mm，長度114mm ; 內(nèi)管材料選為銅，外徑取9mm，內(nèi)徑取4mm，兩段長度分別為42mm。 2.按附圖1配置實(shí)驗(yàn)。 3.用光纖光柵分析儀獲取光纖Bragg光柵的Bragg波長。 4.理論計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)光纖Bragg光柵的初始Bragg波長為1550nm時(shí)，SE = l-pe = 0.784ii e—、St二 af+《=7. 35 X 10—6°C —、該雙管式光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感系 統(tǒng)靈敏度為1. 2152pm/ii e 。
權(quán)利要求一種對溫度變化不敏感的雙管式光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于由外壁帶螺紋的內(nèi)管(1)、固定孔(2)、內(nèi)壁帶螺紋的外管(3)、光纖Bragg光柵(4)及光纖(6)、帶孔內(nèi)管(5)組成；光纖Bragg光柵(4)的兩端粘貼于兩個(gè)帶孔內(nèi)管(5)之間，外壁帶螺紋的內(nèi)管(1)固定于內(nèi)壁帶螺紋的外管(3)兩端，螺栓通過固定孔(2)將外管(3)固定在被測結(jié)構(gòu)體上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對溫度變化不敏感的雙管式光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器，其 特征在于外壁帶螺紋的內(nèi)管(1)由熱膨脹系數(shù)較大的材料制成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對溫度變化不敏感的雙管式光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器，其 特征在于內(nèi)壁帶螺紋的外管(3)采用熱膨脹系數(shù)較小的材料制成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種對溫度變化不敏感的雙管式光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器。本傳感器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是采用雙金屬管封裝，內(nèi)管通過螺紋固定于外管兩端，光纖Bragg光柵通過粘接劑固定于內(nèi)管中，光纖Bragg光柵與信號處理裝置光連接。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，外管沿軸向向外膨脹，內(nèi)管自由端沿軸向向內(nèi)膨脹，利用內(nèi)、外管的熱膨脹系數(shù)之間的差值，補(bǔ)償光纖Bragg光柵因溫度變化而導(dǎo)致的熱膨脹和光熱效應(yīng)所引起的Bragg波長移位。本實(shí)用新型采用機(jī)械補(bǔ)償?shù)姆绞?，只需一只光纖Bragg光柵就可實(shí)現(xiàn)對溫度的補(bǔ)償作用，保障了光纖Bragg光柵在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)變測量的精度。
文檔編號G01B11/16GK201535667SQ20092011196
公開日2010年7月28日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者曹敏, 李川, 楊睛, 陳敏 申請人:昆明理工大學(xué);云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院