基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器，由于將光纖光柵組織成光柵對(duì)，并將光柵對(duì)粘貼于彈性體上使彈性體受外界應(yīng)力作用時(shí)，光柵對(duì)中的兩根光纖光柵中一根產(chǎn)生拉伸作用，另一根產(chǎn)生相應(yīng)的壓縮作用，因兩光纖光柵產(chǎn)生相反的波長(zhǎng)移動(dòng)方向從而起到溫度自補(bǔ)償，同時(shí)由于光纖光柵采用兩端粘貼的方式具有遏制啁啾效應(yīng)的作用。
【專利說明】基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在煤礦、油井、氣田、核能等場(chǎng)合，力值測(cè)量是基本的檢測(cè)項(xiàng)目之一，其中基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器以其具有耐腐蝕、抗電磁干擾、電絕緣性好、靈敏度高、可分布式測(cè)量等特性在這些場(chǎng)合中被廣泛應(yīng)用。在基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器中，光纖光柵是其中十分重要的部件，所謂光纖光柵是指利用光纖材料的光敏性，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用的實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾光器或反射鏡。其中光纖光柵具有類似應(yīng)變片的作用，具有很高的靈敏度。其中光纖光柵包括:均勻光纖光柵、均勻長(zhǎng)周期光纖光柵、切趾光纖光柵、相移光纖光柵等。目前，對(duì)光纖光柵設(shè)置于懸臂梁之類的彈性體時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象是:由于光柵與彈性體的耦合不匹配，導(dǎo)致應(yīng)變分布不均勻，例如懸臂梁在受力時(shí)將會(huì)產(chǎn)生撓度，撓度會(huì)增大光柵的不均勻性，而應(yīng)變分布不均勻?qū)?huì)導(dǎo)致光纖光柵產(chǎn)生啁啾效應(yīng)，即反射峰中心波長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)上下擺動(dòng)狀況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器，具有溫度自補(bǔ)償和遏制啁啾效應(yīng)的作用。
[0004]本發(fā)明提供了一種基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器，包括:光纖光柵和彈性體，所述光纖光柵包括:至少一組光柵對(duì)，所述光柵對(duì)由兩根結(jié)構(gòu)相同或相似的光纖光柵組成，所述兩根光纖光柵均采取兩端粘貼的方式固定于所述彈性體上，且所述兩根光纖光柵在所述彈性體上的設(shè)置方式使:當(dāng)所述彈性體受外界應(yīng)力作用時(shí)，其中一根光纖光柵產(chǎn)生拉伸作用，另一根光纖光柵產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的壓縮作用。
[0005]進(jìn)一步，所述兩根光纖光柵均先預(yù)緊，然后兩端粘貼于所述彈性體上。
[0006]進(jìn)一步，所述彈性體為懸臂梁、柱式結(jié)構(gòu)、筒式結(jié)構(gòu)或環(huán)式結(jié)構(gòu)。
[0007]進(jìn)一步，所述彈性體為懸臂梁時(shí)，所述兩根光纖光柵分別設(shè)置在所述懸臂梁的上、下表面。
[0008]進(jìn)一步，所述懸臂梁的中間設(shè)有至少一圓孔。
[0009]進(jìn)一步,所述懸臂梁的中間設(shè)有雙圓孔。
[0010]進(jìn)一步，還包括:耦合器、環(huán)形器、激光器和光柵分析模塊，所述應(yīng)力傳感器的光路為:從所述激光器發(fā)出的光順序經(jīng)過所述環(huán)形器、耦合器進(jìn)入所述光柵對(duì)中的光纖光柵產(chǎn)生中心波長(zhǎng)隨外界應(yīng)力變化而變化的反射波長(zhǎng)，所述反射波長(zhǎng)再順序通過所述耦合器、環(huán)形器進(jìn)入所述光柵分析模塊進(jìn)行分析得到應(yīng)力數(shù)字信號(hào)。
[0011]進(jìn)一步，所述光柵分析模塊包括:準(zhǔn)直鏡、色散單元、聚光透鏡、探測(cè)單元、控制電路、數(shù)字信號(hào)處理器DSP和存儲(chǔ)器，分別依次用于對(duì)輸入的光信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)直、色散、聚光、探測(cè)、控制、數(shù)字信號(hào)處理和存儲(chǔ)。[0012]進(jìn)一步，所述色散單元采用透射式全息體相位衍射光柵VPHG，所述探測(cè)單元采用線陣銦砷化鎵PIN 二極管光電探測(cè)陣列。
[0013]本發(fā)明的有益效果:
[0014]將光纖光柵組織成光柵對(duì)，并將光柵對(duì)粘貼于彈性體上使彈性體受外界應(yīng)力作用時(shí)，光柵對(duì)中的兩根光纖光柵中一根產(chǎn)生拉伸作用，另一根產(chǎn)生相應(yīng)的壓縮作用，因兩光纖光柵產(chǎn)生相反的波長(zhǎng)移動(dòng)方向從而起到溫度自補(bǔ)償，同時(shí)由于光纖光柵采用兩端粘貼的方式具有遏制啁啾效應(yīng)的作用。
[0015]另外，光纖光柵采取先預(yù)緊，然后兩端粘貼于彈性體上的方式時(shí)，具有非常好的遏制彈性體應(yīng)變不均勻而帶來的反射波長(zhǎng)的啁啾效應(yīng)的作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0017]圖1是本發(fā)明提供的基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]如圖2是光纖對(duì)安裝于懸壁梁時(shí)的安裝示意圖。
[0019]如圖3 (a)至(C)是常見的幾種常見彈性體的光纖光柵粘結(jié)簡(jiǎn)圖。
[0020]圖4是光柵分析模塊的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖5是懸臂梁受力變形示意圖。
[0022]圖6是光柵對(duì)安裝于懸臂梁后的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]請(qǐng)參考圖1，是本發(fā)明提供的基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括:彈性體1、至少一組光柵對(duì)2、耦合器3、環(huán)形器4、激光器5和光柵分析模塊6。其中光柵對(duì)2由兩光纖光柵組成且設(shè)置在彈性體I上。
[0024]如圖所示，該應(yīng)力傳感器的光路為:從激光器5發(fā)出的光順序經(jīng)過環(huán)形器4、耦合器3進(jìn)入光柵對(duì)2中的光纖光柵并產(chǎn)生反射波長(zhǎng),該反射波長(zhǎng)的反射峰的中心波長(zhǎng)隨外界應(yīng)力變化而變化，該反射波長(zhǎng)再順序通過耦合器3、環(huán)形器4進(jìn)入光柵分析模塊6進(jìn)行分析得到應(yīng)力數(shù)字信號(hào)。
[0025]其中，光柵對(duì)2由兩根結(jié)構(gòu)相同或相似的光纖光柵組成，此處相似是指:兩根光纖光柵的誤差在本領(lǐng)域技術(shù)人員可接受的范圍內(nèi)，由于實(shí)際情形中很難找到兩根結(jié)構(gòu)完全相同的光纖光柵，因此更多應(yīng)用的是結(jié)構(gòu)相似的光纖光柵。其中，光柵對(duì)2的兩根光纖光柵米用兩端粘貼的方式固定于彈性體I上，其中兩端粘貼是指:避免直接將光柵對(duì)與彈性體接觸，因此光柵對(duì)不會(huì)受到彎曲的影響；當(dāng)彈性體I受外界應(yīng)力作用時(shí)，兩根光纖光柵中一根產(chǎn)生拉伸作用，另一根產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的壓縮作用，從而實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償和遏制啁啾效應(yīng)。其中，由于幾乎不可能找到兩根完全相同的光纖光柵，因此會(huì)存溫差，這可以在應(yīng)力傳感器做好之后進(jìn)行溫度由低到高的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，將溫度引起的波長(zhǎng)變化值存入光柵分析模塊6作為補(bǔ)償即可。
[0026]其中，光柵對(duì)2中兩光纖光柵固定在彈性體的方式更加優(yōu)選的是:先對(duì)光纖光柵進(jìn)行預(yù)緊，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，然后再將其兩端以粘貼的方式固定在彈性體上；此種方式可以取得非常好的甚至是意料不到的遏制彈性體應(yīng)變不均勻而帶來的反射波長(zhǎng)的啁啾效應(yīng)的作用。[0027]其中，在同一應(yīng)力傳感器中可以同時(shí)設(shè)置多組前述的光柵對(duì)2，一般均在兩組以上。其光柵對(duì)2的具體數(shù)量是成本與靈敏度平衡的結(jié)果，具體的:假設(shè)一組光柵對(duì)在力F的作用下產(chǎn)生的波長(zhǎng)變化為Λ λ，則兩組光柵對(duì)其變化相加得到2 Λ λ，用F/Λ λ表示每波長(zhǎng)所代表的力值，即分辨力，則很明顯光柵對(duì)越多分辨力越小、靈敏度越好，其中光柵對(duì)的數(shù)量由光柵分析模塊的精度而定，精度越高可以增加的光柵對(duì)數(shù)量越多，應(yīng)力傳感器的靈敏度越好、精度也越高，但成本也越高。
[0028]其中，彈性體I可以為懸臂梁、柱式結(jié)構(gòu)、筒式結(jié)構(gòu)或環(huán)式結(jié)構(gòu)，最常見的是懸臂梁。當(dāng)彈性體I為懸臂梁時(shí)，光柵對(duì)中的兩根光纖光柵設(shè)置于懸臂梁的上、下表面，如圖2所不是光纖對(duì)安裝于懸壁梁時(shí)的安裝不意圖，其中11表不粘結(jié)點(diǎn)，21表法光纖光柵,R表不外圓半徑，r表示內(nèi)圓半徑。其中懸臂梁的中間可以開圓孔，使懸臂梁變成兩根平行梁，改變其彎矩特性，這樣不僅有利于提高傳感器的抗偏載特性還有利于提高其靈敏性同時(shí)也有利于增大傳感器的使用體積，若不開孔，則必須減小懸臂梁的體積才能增加傳感器的靈敏性，但體積減少以后不利于實(shí)際應(yīng)用的安裝，因此在懸臂梁中間開孔能夠有效的將抗偏載特性與實(shí)用性良好的結(jié)合。當(dāng)懸臂梁右端受到向下的力作用時(shí)，懸臂梁上部拉伸其內(nèi)應(yīng)力增加使光柵反射波長(zhǎng)增加，懸臂梁下部受到壓縮由于光柵是預(yù)先拉緊再粘貼的則其內(nèi)應(yīng)力減小使光柵反射波長(zhǎng)減小。當(dāng)溫度變化時(shí)，兩光纖光柵變化量相同，從而可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償效果。
[0029]其中，如圖3 (a)至(C)所示，是幾種常見彈性體的光纖光柵粘結(jié)簡(jiǎn)圖。其中，圖3Ca)是圓柱體實(shí)心結(jié)構(gòu)，上下表面呈弧性，有利于單點(diǎn)受力。圓柱式結(jié)構(gòu)具有承載力極大的特點(diǎn)。把圓柱體表面拋光后將光柵直接用兩端粘貼在上面即可。圖3 (b)為S型彈性體，該結(jié)構(gòu)常用于力值測(cè)量偏小但精確度要求高的場(chǎng)合。S型彈性體中間開挖圓槽，將光柵粘貼在圓槽內(nèi)。圖3 (C)為環(huán)式彈性體，其主要應(yīng)用方向?yàn)槲⑷趿χ档臏y(cè)量，其變形量較大，將光柵對(duì)粘貼在彈性體的薄壁外表面能滿足一些微力值的測(cè)量場(chǎng)合。以上三種作為豎向受力的方式，從力值測(cè)量大小的角度提出三種結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是光柵對(duì)一豎一橫粘貼，確保一個(gè)光柵產(chǎn)生拉伸作用，另一個(gè)產(chǎn)生壓縮作用，根據(jù)具體設(shè)計(jì)可以在正反面或者對(duì)稱部位增加光柵對(duì)。
[0030]其中，光柵分析模塊6的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其包括:準(zhǔn)直鏡61、色散單元62、聚光透鏡63、探測(cè)單兀64、控制電路65、DSP (Digital Signal Processing,數(shù)字信號(hào)處理器)66和存儲(chǔ)器67，分別依次對(duì)輸入的光信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)直、色散、聚光、探測(cè)、控制、數(shù)字信號(hào)處理和存儲(chǔ)。其中色散單元62可以采用VPHG(Volume Phase Holographic grating,透射式全息體相位衍射光柵)，探測(cè)單元64主要將多波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字處理器可處理的電信號(hào)，可以采用線陣銦砷化鎵PIN 二極管光電探測(cè)陣列，其中PIN 二極管是指在P (磷)和N (氮)半導(dǎo)體材料之間加入一薄層低摻雜的本征(Intrinsic)半導(dǎo)體層，組成P_I_N結(jié)構(gòu)的二極管。采用VPHG配合線陣銦砷化鎵PIN 二極管光電探測(cè)陣列的方式可以比以往利用光譜儀探測(cè)反射波長(zhǎng)大大降低成本，并且支持探測(cè)60個(gè)峰值，也即同時(shí)能探測(cè)30組光柵對(duì)。控制電路65主要是輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)序，只有當(dāng)定時(shí)、驅(qū)動(dòng)控制脈沖與銦砷化鎵傳感器良好的配合才能充分發(fā)揮其光電轉(zhuǎn)換功能。DSP66是處理含有光譜信息的電信號(hào)，進(jìn)行存儲(chǔ)、打印、顯示、輸出并與上位機(jī)通訊等功能。
[0031 ] 本發(fā)明實(shí)施例，具有溫度自補(bǔ)償和遏制啁啾效應(yīng)的作用，下面具體分析原因:
[0032]光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)可表示如下:[0033]AB=2neffA (I)
[0034]式中:λΒ為布拉格波長(zhǎng)，A為光柵條紋周期，nrff為光纖有效折射率。
[0035]當(dāng)光纖光柵受到軸向應(yīng)力或者溫度變化影響時(shí)，光纖光柵的幾何尺寸將發(fā)生變化，引起有效折射率和光柵周期的變化，進(jìn)而改變布拉格波長(zhǎng)
[0036]Δ XB/XB=(1-Pe) Δ ε+[+(1-Pe) asub] Δ T (2)
[0037]式中:Pe為光纖光柵彈光系數(shù)，Λ ε為應(yīng)變變化，ζ為光纖材料熱光系數(shù)比，asubasub為光纖光柵附著的基體材料的熱膨脹系數(shù)，Δ T為溫度變化。
[0038]以懸臂梁作為彈性體結(jié)構(gòu)為列作為研究對(duì)象，如圖5所示是懸臂梁受力變形示意圖:
[0039]根據(jù)材料力學(xué)原理，梁AB⑶受力F作用后，若l>5h，則該懸臂梁可等效于受橫力作用，其受力后變形如AB' CD'所示，彈性變形階段，中性面EE'長(zhǎng)度保持I不變。AB'增大，CD'減小。增大與減小量相同，用應(yīng)變?chǔ)疟硎緸?
[0040]ε =Mh/2EI (3)
[0041]式中，M為梁截面的彎矩，h為梁高，E為彈性模量，I為截面慣性矩。
[0042]考察AR'整個(gè)邊的應(yīng)變，設(shè)梁的寬度為b，則M=Fl，I=bh3/12，故在其表面粘貼光纖光柵后:
[0043]Δ λΒ1/λ B1=6 (1-Pe) Flh/Ebh3+ [ ζ +(1-Pe) asub] Δ T (4)
[0044]考察⑶'整個(gè)邊的應(yīng)變，設(shè)梁的寬度為b，則M=-Fl，I=bh3/12，故在其表面粘貼光纖光柵后:
[0045]Δ λ Β2/ λ B2=-6 (1-Pe) Flh/Ebh3+ [ ζ +(1-Pe) asub] Δ T (5)
[0046]由此可見，當(dāng)梁的幾何尺寸及材料構(gòu)成固定時(shí)，反射波長(zhǎng)與外界作用力成正比，與溫度變化也成正比。若米用兩根結(jié)構(gòu)相近的光纖光柵作為一組光柵對(duì)時(shí)，光柵對(duì)2如圖6所示，其一邊受拉伸作用，一邊受壓縮作用。其反射波長(zhǎng)分別為λΒ1、λΒ2，則λΒ1?λΒ2，將其分別粘貼在上下表面，則有兩布拉格波長(zhǎng)變化之差Λ λ為:
[0047]Δ λ = Λ λ Β1- Λ λ Β2 ?12 (1-Pe) Flh λ B1/Ebh3= (1-Pe) Flh λ Β1/ΕΙ (6)
[0048]由式(6)可以看出，采用合適的安裝之后，光纖光柵反射中心波長(zhǎng)變化只與外界作用力成正比，而與溫度無關(guān)。
[0049]本發(fā)明實(shí)施例，由實(shí)驗(yàn)室前期試驗(yàn)可得到以懸臂梁為彈性體的光纖光柵應(yīng)力傳感器能夠滿足最大當(dāng)量誤差為2.6%。一般工作測(cè)力儀的精度為2級(jí)，即當(dāng)量誤差為2%，因此該傳感器接近實(shí)用水平。綜合應(yīng)用考慮，由于彈性體的制作工藝，光纖光柵的粘貼水平，儀器誤差等原因，傳感器的線性水平還有待于進(jìn)一步提高。光纖光柵在彈性變化范圍內(nèi)受拉力作用其波長(zhǎng)變化可達(dá)4nm，所以在生產(chǎn)加工中可以將光纖光柵施加一定拉力使其波長(zhǎng)變化Inm后固定在支架上面，待將光柵粘貼好后再去除支架。這樣可以保證光柵預(yù)緊的狀態(tài)。通過改變彈性體結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)一步提高傳感器的響應(yīng)特性，可以通過選取不同的材質(zhì)和設(shè)計(jì)不同的彈性體結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳感器靈敏特性的優(yōu)化，如果能夠達(dá)到精度為1%，則可以代替目前大多數(shù)工作測(cè)力儀，最終達(dá)到實(shí)用的效果。
[0050]最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器，包括:光纖光柵和彈性體，其特征在于:所述光纖光柵包括:至少一組光柵對(duì)，所述光柵對(duì)由兩根結(jié)構(gòu)相同或相似的光纖光柵組成，所述兩根光纖光柵均采取兩端粘貼的方式固定于所述彈性體上，且所述兩根光纖光柵在所述彈性體上的設(shè)置方式使:當(dāng)所述彈性體受外界應(yīng)力作用時(shí)，其中一根光纖光柵產(chǎn)生拉伸作用，另一根光纖光柵產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的壓縮作用。
2.如權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器，其特征在于:所述兩根光纖光柵均先預(yù)緊，然后兩端粘貼于所述彈性體上。
3.如權(quán)利要求1或2所述基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器，其特征在于:所述彈性體為懸臂梁、柱式結(jié)構(gòu)、筒式結(jié)構(gòu)或環(huán)式結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器，其特征在于:所述彈性體為懸臂梁時(shí)，所述兩根光纖光柵分別設(shè)置在所述懸臂梁的上、下表面。
5.如權(quán)利要求4所述的基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器，其特征在于:所述懸臂梁的中間設(shè)有至少一圓孔。
6.如權(quán)利要求4所述基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器，其特征在于:所述懸臂梁的中間設(shè)有雙圓孔。
7.如權(quán)利要求1或2所述基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器，其特征在于:還包括:耦合器、環(huán)形器、激光器和光柵分析模塊，所述應(yīng)力傳感器的光路為:從所述激光器發(fā)出的光順序經(jīng)過所述環(huán)形器、耦合器進(jìn)入所述光柵對(duì)中的光纖光柵產(chǎn)生中心波長(zhǎng)隨外界應(yīng)力變化而變化的反射波長(zhǎng)，所述反射波長(zhǎng)再順序通過所述耦合器、環(huán)形器進(jìn)入所述光柵分析模塊進(jìn)行分析得到應(yīng)力數(shù)字信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7所述的基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器,其特征在于:所述光柵分析模塊包括:準(zhǔn)直鏡、色散單元、聚光透鏡、探測(cè)單元、控制電路、數(shù)字信號(hào)處理器DSP和存儲(chǔ)器，分別依次用于對(duì)輸入的光信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)直、色散、聚光、探測(cè)、控制、數(shù)字信號(hào)處理和存儲(chǔ)。
9.如權(quán)利要求8所述的基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器，其特征在于:所述色散單元采用透射式全息體相位衍射光柵VPHG，所述探測(cè)單元采用線陣銦砷化鎵PIN 二極管光電探測(cè)陣列。
【文檔編號(hào)】G01L25/00GK103822738SQ201410003243
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】朱正偉, 袁僑英, 劉邦 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)