本發(fā)明涉及光纖光柵傳感器，特別涉及一種具有增敏效應(yīng)的高靈敏度光纖光柵傳感器。

背景技術(shù)：

光纖傳感技術(shù)自上世紀(jì)七十年代以來經(jīng)過四十余年的發(fā)展，光纖傳感器以其抗電測(cè)干擾、耐腐蝕、高絕緣性、測(cè)量范圍寬、便于復(fù)用成網(wǎng)、可微型化等優(yōu)點(diǎn)得到世界范圍的廣泛關(guān)注。各種基于光纖光柵原理的測(cè)控單元先后面世，一部分光纖光柵傳感技術(shù)成果已從實(shí)驗(yàn)室推出，步入商用階段，如溫度傳感器、位移傳感器、應(yīng)變傳感器、應(yīng)力傳感器、加速度傳感器等，這些傳感器已成功用于大型結(jié)構(gòu)工程、電力工程、巖土工程、交通工程、采礦工程、爆破工程、石油化工、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、船舶、石油勘探以及軍事武器裝備等領(lǐng)域。隨著應(yīng)用成果的日益增多，光纖光柵已成為目前最具發(fā)展前途、最具代表性的光纖無源器件之一。

現(xiàn)有光纖傳感器基于光纖光柵的測(cè)量是建立在單點(diǎn)信號(hào)測(cè)量為單元的基礎(chǔ)上，無法實(shí)現(xiàn)和滿足千余計(jì)通道、大容量和分布式網(wǎng)絡(luò)化空間載荷測(cè)量。

因此，需要一種能有效解決上述問題的光纖光柵傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種具有增敏效應(yīng)的高靈敏度光纖光柵傳感器，包括光纖纖芯和包層，其特征在于，所述纖芯通過設(shè)置在所述包層內(nèi)部的通孔而嵌入在所述包層內(nèi)部，所述包層是沿著所述纖芯為軸的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)依次進(jìn)一步包括：對(duì)稱設(shè)置的扁圓形端部，對(duì)稱設(shè)置的中空內(nèi)層部，以及夾在所述中空內(nèi)層部之間的主體部，所述扁圓形端部和中空內(nèi)層部之間具有第一凹陷區(qū)，間隔第一間距，所述主體部和所述中空內(nèi)層部之間具有第二凹陷區(qū)，間隔第二間距，所述中空內(nèi)層部中分別設(shè)置有與所述光纖纖芯的長度方向垂直的細(xì)槽。

優(yōu)選地，所述扁圓形端部之間相距52mm，所述主體部的直徑為8mm，所述扁圓形端部的直徑為14mm，所述中空內(nèi)層部的直徑為14mm，所述細(xì)槽的直徑為10mm，所述第一間距和第二間距的寬度為2mm，所述光纖纖芯所穿過放置的細(xì)槽直徑為2mm，所述扁圓形端部沿光纖長度方向上的寬度為4mm，所述中空內(nèi)層部沿光纖長度方向上的寬度為4mm。

優(yōu)選地，傳感器兩端的設(shè)計(jì)可以使傳感器可以通過粘貼或者螺栓的方式安裝到被測(cè)基底上。

優(yōu)選地，采用TC4鈦合金為基底材料。

優(yōu)選地，所述扁圓形端部沿光纖長度方向上的寬度可以調(diào)節(jié),以調(diào)節(jié)所述高靈敏度光纖光柵應(yīng)變傳感器的傳感器靈敏度。

優(yōu)選地，所述中空內(nèi)層部外壁至所述細(xì)槽內(nèi)壁沿光纖長度方向上靠近所述扁圓形端部一側(cè)的寬度可以調(diào)節(jié),以調(diào)節(jié)所述高靈敏度光纖光柵應(yīng)變傳感器的傳感器靈敏度。

優(yōu)選地，所述中空內(nèi)層部外壁至所述細(xì)槽內(nèi)壁沿光纖長度方向上遠(yuǎn)離所述扁圓形端部一側(cè)的寬度可以調(diào)節(jié),以調(diào)節(jié)所述高靈敏度光纖光柵應(yīng)變傳感器的傳感器靈敏度。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示出了本發(fā)明的具有增敏效應(yīng)的高靈敏度光纖光柵應(yīng)變傳感器的示意性結(jié)構(gòu)；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的具有增敏效應(yīng)的高靈敏度光纖光柵應(yīng)變傳感器的兩端夾持式調(diào)節(jié)封裝原理。

圖3為根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)變標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

通過參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過不同形式來對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

針對(duì)本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。

為了提高光纖光柵對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)靈敏度，本發(fā)明提出了一種基于鋁合金基片的光纖光柵應(yīng)變傳感器。該封裝采用TC4鈦合金為基底材料，根據(jù)力學(xué)傳遞原理，該封裝采用類似于杠鈴狀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖1示出了本發(fā)明的具有增敏效應(yīng)的高靈敏度光纖光柵應(yīng)變傳感器的示意性結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，具有增敏效應(yīng)的高靈敏度光纖光柵應(yīng)變傳感器具有光纖纖芯101和包層102，所述纖芯101通過設(shè)置在所述包層102內(nèi)部的通孔而嵌入在所述包層102內(nèi)部。所述包層102是沿著所述纖芯101為軸的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)依次進(jìn)一步包括對(duì)稱設(shè)置的扁圓形端部102a和102a’，對(duì)稱設(shè)置的中空內(nèi)層部102b和102b’，以及夾在所述中空內(nèi)層部102b和102b’之間的主體部102c，所述扁圓形端部102a和中空內(nèi)層部102b之間具有第一凹陷區(qū)，間隔第一間距d1，即第一凹陷區(qū)的寬度為d1，所述主體部102c和所述中空內(nèi)層部102b之間具有第二凹陷區(qū)，間隔第二間距d2，即第二凹陷區(qū)的寬度為d2。中空內(nèi)層部102b和102b’中分別設(shè)置有與所述光纖纖芯101的長度方向垂直的細(xì)槽102b和102b’。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，具有增敏效應(yīng)的高靈敏度光纖光柵應(yīng)變傳感器的一組具體尺寸為扁圓形端部102a和102a’之間相距52mm，所述主體部102c的直徑為8mm，所述扁圓形端部102a和102a’的直徑為14mm，所述中空內(nèi)層部102b和102b’的直徑為14mm，所述細(xì)槽102b和102b’的直徑為10mm，所述第一間距d1和第二間距d2的寬度為2mm，所述光纖纖芯101所穿過放置的細(xì)槽直徑為2mm，所述扁圓形端部102a和102a’沿光纖長度方向上的寬度為4mm，所述中空內(nèi)層部102b和102b’沿光纖長度方向上的寬度為4mm。

根據(jù)本發(fā)明的傳感器兩端的設(shè)計(jì)可以使光纖Bragg光柵傳感器可以通過粘貼或者螺栓的方式安裝到被測(cè)基底上。中軸線上挖的細(xì)槽，一方面可以方便光纖光柵的放置讓光柵在封裝時(shí)不會(huì)往兩側(cè)滑動(dòng)，另一方面能夠更好地使得點(diǎn)膠均勻不溢出，減少氣泡形成的可能性。

通過在固定裝置上施加與光纖纖芯101同軸向的拉力，修改如圖所示的三處增敏結(jié)構(gòu)處的尺寸，可以調(diào)節(jié)本發(fā)明的高靈敏度光纖光柵應(yīng)變傳感器的傳感器靈敏度。該三處結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，也可以合并調(diào)節(jié)。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

所述扁圓形端部沿光纖長度方向上的寬度可以調(diào)節(jié),即圖中所示改變a的尺寸會(huì)使應(yīng)變靈敏度變化。尺寸沿著光纖纖芯101同軸向增加5.4％時(shí)，靈敏度增加了73.5％；尺寸沿著光纖纖芯101同軸向減小7.7％時(shí)，靈敏度減小45.2％?？芍?，a處尺寸會(huì)對(duì)應(yīng)變靈敏度造成很大影響，尺寸越大，則傳感器應(yīng)變靈敏度越高。

所述中空內(nèi)層部外壁至所述細(xì)槽內(nèi)壁沿光纖長度方向上靠近所述扁圓形端部一側(cè)的寬度可以調(diào)節(jié),即圖中所示改變b的尺寸會(huì)使應(yīng)變靈敏度變化，其中所述中空內(nèi)層部外壁至所述細(xì)槽內(nèi)壁沿光纖長度方向上靠近所述扁圓形端部一側(cè)的寬度可以調(diào)節(jié),以調(diào)節(jié)所述高靈敏度光纖光柵應(yīng)變傳感器的傳感器靈敏度。的尺寸會(huì)使應(yīng)變靈敏度變化。尺寸沿著光纖纖芯101同軸向增加33.3％時(shí)，靈敏度增加了84.9％；尺寸沿著光纖纖芯101同軸向減小73.3％時(shí)，靈敏度減小54.1％。可知，b處尺寸會(huì)對(duì)應(yīng)變靈敏度造成很大影響，尺寸越大，則傳感器應(yīng)變靈敏度越高。

所述中空內(nèi)層部外壁至所述細(xì)槽內(nèi)壁沿光纖長度方向上遠(yuǎn)離所述扁圓形端部一側(cè)的寬度可以調(diào)節(jié),即圖中所示改變c的尺寸會(huì)使應(yīng)變靈敏度變化。尺寸沿著光纖纖芯101同軸向增加25％時(shí)，靈敏度增加了170.3％；尺寸沿著光纖纖芯101同軸向減小18.8％時(shí)，靈敏度減小65.6％?？芍?，c處尺寸會(huì)對(duì)應(yīng)變靈敏度造成很大影響，尺寸越大，則傳感器應(yīng)變靈敏度越高。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的具有增敏效應(yīng)的高靈敏度光纖光柵應(yīng)變傳感器的兩端夾持式調(diào)節(jié)封裝原理。光纖光柵202、兩個(gè)夾持部件201以及兩個(gè)固定支點(diǎn)203，采用膠接的方法將光纖光柵202固定在夾持部件201內(nèi),由于膠粘劑沒有直接封裝光纖光柵區(qū)域,消除了膠粘劑對(duì)光纖光柵應(yīng)變傳遞的影響。該傳感器具有應(yīng)變放大機(jī)制,測(cè)量精度超過了裸光纖光柵,而且通過調(diào)節(jié)封裝工藝中的參數(shù),可以改變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。

封裝方式使用環(huán)氧樹脂膠將光纖光柵封裝在一個(gè)個(gè)細(xì)槽中，并且槽與光纖光柵中軸線平行，同時(shí)封裝是要盡量保證光纖光柵平直的放入細(xì)槽中。在注入環(huán)氧樹脂膠的時(shí)候要適當(dāng)?shù)膶?duì)其加熱，以保證環(huán)氧樹脂膠具有良好的流動(dòng)性，中軸線上挖的細(xì)槽，一方面可以方便光纖光柵的放置讓光柵在封裝時(shí)不會(huì)往兩側(cè)滑動(dòng)，另一方面能夠更好地使得點(diǎn)膠均勻不溢出，減少氣泡形成的可能性。

光纖光柵傳感器在實(shí)際封裝時(shí)遵循以下的基本原則：

1.相容性

光纖光柵傳感器實(shí)際封裝中的關(guān)鍵技術(shù)之一，是傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)的相容性問題，主要有以下幾個(gè)方面：

強(qiáng)度相容：封裝的傳感器不能影響到被測(cè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，或者將影響降到最低；

界面相容：傳感器封裝材料的外表面與被測(cè)結(jié)構(gòu)材料之間要相容；

尺寸相容：傳感器尺寸要盡量小，保證傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)變形相匹配；

場(chǎng)分布相容：傳感器封裝材料不能影響被測(cè)結(jié)構(gòu)場(chǎng)的分布

2.傳感性能

裸光纖光柵本身就是良好的傳感元件，具有良好的穩(wěn)定性、重復(fù)性和再現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)，光纖光柵傳感器封裝之后的傳感性能與封裝結(jié)構(gòu)、封裝材料以及封裝工藝密切相關(guān)，因此，必須綜合考慮上述因素的影響，使封裝后的光纖光柵傳感器仍能保持裸光柵的傳感性能，甚至優(yōu)于裸光纖。

3.工藝性

光纖光柵傳感器的封裝結(jié)構(gòu)要盡量簡單、便于加工，且其各項(xiàng)性能指標(biāo)要易于控制，以保證各個(gè)傳感器的一致性和重復(fù)性的要求，便于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

4.使用性能

封裝能對(duì)裸光纖光柵起到很好的保護(hù)作用，傳感器的安裝、調(diào)試要簡單、方便，某些場(chǎng)合還需要傳感器能重復(fù)使用，需要考慮被測(cè)結(jié)構(gòu)形狀的要求、便于實(shí)現(xiàn)分布式傳感和網(wǎng)絡(luò)集成，滿足大型工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)及長期使用的要求等。

與現(xiàn)有技術(shù)相比：本封裝方式是通過改變光纖芯區(qū)折射率，產(chǎn)生小的周期性調(diào)制而形成的，其折射率變化通常在10^-5-10^-3之間，將光纖置于周期性空間變化的紫外光源下，即可在光纖芯中產(chǎn)生這樣的折射率變化。用于制作這種光纖光柵的主要制作技術(shù)之一是利用兩個(gè)相干紫外光束形成的空間干涉條紋來照射光纖，這樣就在光纖芯部形成了永久的周期性折射率調(diào)制。

光纖布拉格光柵的折射率分布與反射、投射特性如圖所示。由于周期的折射率擾動(dòng)僅會(huì)對(duì)很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響，因此，如果寬帶光波在光柵中傳輸時(shí)，入射光將在相應(yīng)的波長上被反射回來，其余的透射光則不受影響，這樣光纖光柵就起到了光波選擇的作用。

光纖布拉格光柵的中心波長與有效折射率的數(shù)學(xué)關(guān)系是研究光柵傳感的基礎(chǔ)。從麥克斯韋經(jīng)典方程出發(fā)，結(jié)合光纖藕合模理論，利用光纖光柵傳輸模式的正交關(guān)系，得到布拉格光柵反射波長的基本表達(dá)式為：

λ_B＝2n_effΛ (1)

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)：

在根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵傳感器制作完成后，根據(jù)Ansys分析結(jié)果可知，在加入光纖以及填充膠層之后，光纖光柵傳感器的性能發(fā)生變化，傳遞特性改變，從而會(huì)對(duì)光纖光柵傳感器的各項(xiàng)敏感系數(shù)產(chǎn)生影響。并且，根據(jù)采用的光纖不同，封裝方式不同，使用黏貼劑不同，均會(huì)對(duì)傳感器的靈敏度產(chǎn)生影響，因此必須對(duì)封裝好的光纖光柵傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

圖3為根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)變標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖。

試驗(yàn)?zāi)康臑闇y(cè)試光纖光柵應(yīng)變傳感器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的各項(xiàng)特性，包括：波長、反射譜，并根據(jù)應(yīng)變片的測(cè)量結(jié)果對(duì)以封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖所示。

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過MTS機(jī)直接輸出的信號(hào)3與應(yīng)變片輸出的信號(hào)2，即可獲得應(yīng)試驗(yàn)件在整個(gè)試驗(yàn)中的σ-ε曲線。再根據(jù)所得σ-ε曲線，結(jié)合解調(diào)儀采集的光纖光柵的反射波譜，即可得到光纖光柵傳感器的相應(yīng)L-ε曲線(波長-應(yīng)變曲線)。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。