專利名稱：對應(yīng)變和/或溫度敏感的感測帶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明背景本發(fā)明通常涉及到光波導，尤其涉及光纖。
光纖常常用于傳導光，這種光典型的是一種在電信或傳感應(yīng)用中的光學信號。某些光纖可以被描述為光傳輸介質(zhì)的一條細電纜。光纖一般包括一層內(nèi)芯和有效折射率小于內(nèi)芯的一層外涂層。某些光纖具有由多層外芯或外涂層包裹內(nèi)芯的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，各層折射率都不同。有效折射率的差別產(chǎn)生了內(nèi)部反射強迫光沿內(nèi)芯傳播，同時防止其從光纖內(nèi)泄漏。
某些光纖包括布拉格光柵(BG)。布拉格光柵是在內(nèi)芯折射率上產(chǎn)生一系列擾動而形成的。穿過外涂層將內(nèi)芯暴露于兩束射向光纖的紫外線產(chǎn)生的干涉圖樣，這樣產(chǎn)生出擾動。擾動的間隔形成了光柵具有光不再以中心波長傳播穿過光纖的特征。不同擾動間隔的布拉格光柵的中心波長也不同。通常將布拉格光柵分為短周期光柵或長周期光柵。長周期光柵的擾動間隔比輸入光的波長大至少10倍。在700到1500nm范圍內(nèi)的中心波長來說，典型的周期值在15～1500μm。此外長周期光柵的擾動間距可以延伸幾個cm。另一方面，短周期光柵的間距為幾百微米到幾個厘米，且對600～2100nm的中心波長來說，周期為0．2～0．7μm。
布拉格光柵常常用于光纖，在需要從光學信號中過濾出所選波長，例如類似陷波濾波器。當光學信號傳播穿過內(nèi)芯，遇到短周期光柵時，對應(yīng)光柵中心波長或諧振的特定波長的光沿內(nèi)芯反射回來。當光學信號遇到長周期光柵，光柵的中心波長從內(nèi)芯的導向方式轉(zhuǎn)變成外涂層的非導向方式。導向方式傳播穿過光纖內(nèi)芯。外涂層的非導向方式穿過外涂層產(chǎn)生損耗，且不會傳播穿過光纖。中心波長反射或從導向方式到非導向方式的轉(zhuǎn)化是布拉格光柵擾動間隔的一種功能。布拉格光柵的中心波長對應(yīng)變和溫度敏感。應(yīng)變變化和／或溫度變化引起中心波長偏移。通常對長周期光柵，每100℃溫度變化中心波長偏移約1～1．5nm，應(yīng)變的每100微應(yīng)變中心波長偏移約0．12nm。
本發(fā)明綜述在一個方面，本發(fā)明的特征通常在于感測帶被固定在工件上。該感測帶包括一個細長帶和細長帶支承的一個光波導(例如光纖)。
沿被細長帶拉長的方向固定光纖。該光纖包括一個布拉格光柵和一個外涂層。選用外涂層厚度與彈性以使光纖與工件基本絕緣。所選外涂層的厚度和彈性實現(xiàn)應(yīng)變從工件到光纖的有效傳輸。外涂層可以是聚酰胺。光纖還包括多個布拉格光柵。
在另一個方面，本發(fā)明的特征在于將感測帶固定在工件上。該感測帶包括一個細長帶，一個由細長帶支承的第一光纖，以及由被細長帶支承的第二光纖。
第一和第二光纖都沿被細長帶的拉長方向固定。第一和第二光纖包括布拉格光柵。第一光纖還包括一個第一外涂層。所選第一外涂層的厚度和彈性基本上可以使第一光纖與工件相隔離。第二光纖還包括第二涂層。所選第二外涂層的厚度和彈性可以將應(yīng)變從工件傳輸?shù)降诙饫w。
在另一個方面，本發(fā)明的特征在于一種生產(chǎn)感測帶的方法。該方法包括提供一種被包覆的光纖和用一個細長帶支承該光纖。
支承光纖的步驟包括沿被細長帶的拉長方向固定光纖步驟。提供一個被包覆光纖的步驟包括對光纖用外涂層進行包覆的步驟。
通過將被包覆光纖埋入支承帶中，本發(fā)明提供一種感測帶。該感測帶容易附設(shè)到支承結(jié)構(gòu)體，以監(jiān)示應(yīng)變和／或溫度。通過將磁帶簡單纏繞在卷盤上，包裝簡便，在安裝和／或使用的時候，從卷盤上展開所需數(shù)量感測帶。
附圖簡要說明

圖1表示測量應(yīng)變和溫度的感測帶。
圖2表示測溫的感測帶。
圖3表示測量應(yīng)變的感測帶；以及圖4表示纏繞在支承結(jié)構(gòu)上的感測帶。
較佳實施例的說明這里所討論的感測帶常常用于監(jiān)控或檢測應(yīng)變和／或溫度中的變化。感測帶一般包括一個埋入或安裝在細長的彈性支承帶上的光纖。
參考圖1，對溫度和應(yīng)變進行感測的感測帶40包括一個光纖50，用環(huán)氧64，例如位于馬薩諸塞州的Bedford生產(chǎn)的TRABond-F118環(huán)氧劑將光纖50安裝在支承帶60的縱向槽61內(nèi)。光纖50包括一外涂層54和具有布拉格光柵(未畫出)的一內(nèi)芯52。外涂層54涂有設(shè)計為可以使有效應(yīng)變從支承帶60傳輸?shù)焦饫w50的涂層58。應(yīng)變的這種有效傳輸是該涂層厚度和彈性的一個函數(shù)。涂層彈性的特點在于彈性模量。用于應(yīng)變和溫度感測的典型感測帶包括一種具有較薄非彈性聚合體涂層的光纖，例如涂有25微米厚聚酰胺的光纖，115微米厚的玻璃涂層，例如SiO2，以及10微米厚的玻璃內(nèi)芯，例如SiO2。內(nèi)芯還可以摻雜其他材料，例如鍺。該涂層材料由類似材料制成，例如厚度和彈性適宜的聚合體。一般的說，較厚涂層的材料衰減的被傳輸應(yīng)變量高于較薄涂層的相同材料衰減的量。實際上，涂層材料可以設(shè)計為較薄且非彈性，這樣通過環(huán)氧劑64傳輸?shù)焦饫w50的有效應(yīng)變基本上不被衰減。例如，涂層的選擇要能夠使應(yīng)變傳輸衰減低于5％。粘結(jié)層66蓋有一個支承帶60的溝槽側(cè)63，用于將感測帶40與待監(jiān)控結(jié)構(gòu)體，例如飛機機翼或橋梁支撐梁相連接。
一旦固定在一種結(jié)構(gòu)體上，應(yīng)變和溫度的變化從該結(jié)構(gòu)體傳輸?shù)焦饫w50，即通過連接環(huán)氧劑64傳輸?shù)焦饫w50。傳輸?shù)焦饫w的應(yīng)變和溫度變化使布拉格光柵的中心波長發(fā)生偏移。布拉格光柵中心波長的偏移是應(yīng)變和溫度變化的函數(shù)。因此，從支承結(jié)構(gòu)體傳輸?shù)焦饫w的應(yīng)變和溫度變化可以通過監(jiān)控中心波長的偏移而加以檢測出。
方程式1表示中心波長的響應(yīng)Δλ=λ(ηε+ξΔT)(1)其中Δλ為應(yīng)變(ξ)和溫度變化(ΔT)引起的波長變化。λ是室溫和應(yīng)變?yōu)榱銜r的光柵中心波長。η是應(yīng)變光學系數(shù)，ξ是溫度系數(shù)。應(yīng)變光學系數(shù)和溫度系數(shù)的取值都與制造光纖所采用的形狀和材料有關(guān)。每個光纖都有一組特有的應(yīng)變光學系數(shù)和溫度系數(shù)。對由SiO2制成的單模式光纖來說，η是的典型值為0．75-0．80微應(yīng)變-1，ξ的典型值為約6-8×10-6℃-1。
如果感測帶40置于一個溫度恒定的環(huán)境中，中心波長的變化可以只歸因子應(yīng)變。即，因為λT=0，方程式1右側(cè)的第二項，λξΔT也為0，這樣方程式1可以寫成Δλ=ληε(2)相反，如果感測帶40置于一個沒有應(yīng)變的環(huán)境下，中心波長變化可以只歸因于Δλ。即因ε=0，方程式1的右邊第一項ληε也為0，方程式1為Δλ=λξΔT (3)在某些感測應(yīng)用中，同時存在應(yīng)變和溫度變化，可能只需要對溫度變化進行感測。參考圖2，只能感測溫度變化的感測帶10，含有一用環(huán)氧劑34安裝在支承帶32的縱向槽31內(nèi)的光纖20，例如基于硅橡膠的軟環(huán)氧劑，例如DowCorning公司的低強度密封膠。在此之前，光學20包括一外涂層24和具有布拉格光柵的一內(nèi)芯21(未畫出)。外涂層24涂有設(shè)計成基本上能使光纖20與支承帶32所固定的結(jié)構(gòu)體受到的應(yīng)變相隔離的涂層28。隔離量以及應(yīng)變傳輸給光纖的衰減量由涂層28的厚度和彈性決定。涂層如果越厚且越有彈性，這種隔離就越有效。這樣，可以看出光纖內(nèi)的變化將是根據(jù)溫度引起而不是與被監(jiān)示結(jié)構(gòu)體有關(guān)應(yīng)變引起的。
用于感測溫度變化的典型感測帶采用一個彈性聚合體厚涂層，例如一600微米的丙烯酸酯涂層。如上所述，該涂層可以采用眾多材料制成。通常，需要選取涂層的厚度和彈性，這樣基本衰減通過環(huán)氧劑34傳輸?shù)焦饫w20的應(yīng)變，所觀察到中心波長的變化是由被監(jiān)示結(jié)構(gòu)體的溫度變化而引起的。例如，對該涂層的厚度和彈性進行選擇，從而衰減應(yīng)變傳輸至少到1／10。實際上，需要用來衰減應(yīng)變的因子與所監(jiān)示的結(jié)構(gòu)體上受到的應(yīng)變變化幅度有關(guān)。例如在應(yīng)變存在較大變化的感測應(yīng)用中，所選涂層的厚度和彈性衰減應(yīng)變傳輸?shù)奖?／10還要小。
參考圖2，密封層38對支承帶30的溝槽側(cè)33進行密封，以防止外物，例如空氣，生物體，和化學體干擾涂層28。連接層36蓋住密封層38并用來將溫度感測帶10與支承結(jié)構(gòu)體1相連接。
通過適當選取環(huán)氧劑的厚度和彈性，連接層和支承帶成為一體，可以進一步防止光纖出現(xiàn)污損。
如圖1所示，如果應(yīng)變傳輸受到極大衰減，這樣ληε近似為0，所觀測中心波長的變化將可歸因于方程式3所示的主要由溫度引起的變化。
在另一個感測應(yīng)用中，同時存在應(yīng)變和溫度變化，需要只對應(yīng)變進行感測。參考圖3，用以感測應(yīng)變變化的感測帶100包括兩個光纖80，90。光纖90類似圖1中所示的光纖，包括一涂層98和一外涂層94。光纖80類似圖2所示的光纖，包括一涂層88和一外涂層84。光纖80用環(huán)氧劑104安裝在支承帶102的第一個縱向溝槽81內(nèi)。光纖90用環(huán)氧劑106安裝在支承帶102的第二縱向溝槽91內(nèi)。連接層108蓋住支承帶102的溝槽側(cè)。
如上所述，光纖80上的較厚且具有彈性的涂層使傳輸?shù)焦饫w80的應(yīng)變量λ(ηε)降為最小值，這樣布拉格光柵的中心波長偏移主要對溫度產(chǎn)生響應(yīng)，Δλ=λξΔT。光纖90上的較薄且非彈性涂層可以實現(xiàn)應(yīng)變傳輸，這樣布拉格光柵的中心波長對應(yīng)變和溫度的合成量進行響應(yīng)，λ(ηε+ξΔT)。光纖80的中心波長偏移為溫度變化的測量值，Δλ80=λξΔT，光纖90的中心波長偏移為應(yīng)變和溫度變化的測量值，Δλ90=λ(ηε+ξΔT)。被控中心波長變化的差值只是應(yīng)變的直接測值，如下式所示Δλ90-Δλ80=ληε (4)上述感測帶可在許多感測應(yīng)用中用到。例如，溫度感測帶可以用于恒溫環(huán)境，例如，用來檢測石油和水井的探針，以監(jiān)示或檢測聲信號。此外，具有活性涂層的感測帶用于檢測化學或生物種類的存在。化學物質(zhì)能與涂層進行反應(yīng)引起涂層彈性的變化。涂層的彈性變化對傳輸?shù)焦饫w的應(yīng)變量產(chǎn)生影響，轉(zhuǎn)而又對應(yīng)變改變的中心波長偏移的靈敏度產(chǎn)生影響。
感測帶內(nèi)用到的光纖包括單模式光纖，串聯(lián)標準光纖，固有的法布里-珀羅光纖，或具光學性能的任何光纖，例如，受應(yīng)變和／或溫度變化影響的中心波長偏移或相位偏移。此外，光纖還包括多個布拉格光柵，各個布拉格光柵的中心波長或者相同或者不同。通常，每個布拉格光柵間隔2英寸～數(shù)百米。每個光柵的典型間隔從0．5mm～數(shù)米。
采用本領(lǐng)域熟悉的任一種方法，將光纖沿支承帶長度方向固定。例如，光纖可以埋在兩個支承帶之間。此外，光纖和支承帶可以同時共同壓制，從而形成埋入帶內(nèi)的光纖。此外，光纖可固定在支承帶的上端。該支承帶還可以繞成螺旋線狀，例如，象彈簧。在支承帶繞成螺旋線狀之前或之后，光纖還可以沿支承帶細長帶的方向固定。此外，可以通過將帶繞光纖纏成螺旋狀，使光纖被支承帶支撐。此時，因為光纖沒有固定在支撐帶上，所以應(yīng)變不會從支撐帶傳輸?shù)焦饫w。支撐帶可以是任意形狀，例如平板狀或圓形。例如，支撐帶可以是特富隆圓管。將光纖帶插入并固定在特富隆管的中央鉆孔內(nèi)。此外，特富隆管可以圍繞光纖構(gòu)成。通過將光纖插入該管的中央孔使特富隆管支撐光纖。此時，由于光纖還沒有與特富隆管固定，應(yīng)變無法從特富隆管傳輸?shù)焦饫w。支撐帶還包括一個表示布拉格光柵所處位置的標記。一旦連接到支撐帶或埋入支撐帶，感測帶可以保存在一個卷軸上。安裝過程中，該支撐帶展開并按所需長度剪切。
支撐帶還包括用來將帶與支撐結(jié)構(gòu)體相連的附加粘膠劑，例如，在加壓和加熱條件下進行固化處理的石墨復(fù)合環(huán)氧劑。此外，支撐帶還包括一個連接層使用的紙質(zhì)背襯。安裝過程中，去掉紙質(zhì)背襯，通過連接層將感測帶與支撐結(jié)構(gòu)體相連。
參考圖4，感測帶300包裝和／或存儲的傳統(tǒng)方法是將其繞在一個內(nèi)芯302上(例如一個圓柱形構(gòu)件)，從而形成一個緊湊的卷帶(例如類似通常辦公室供應(yīng)排出口所用的粘膠帶)。如果感測帶需用于特殊場合，僅僅從卷子或芯軸展開來使用。未使用的感測帶仍然方便地繞在內(nèi)芯軸上。
另一些實施例也在下面的權(quán)利要求內(nèi)。例如，雖然我們已經(jīng)對將光纖與帶結(jié)構(gòu)體內(nèi)結(jié)合或在帶結(jié)構(gòu)體上的感測帶做了說明，本發(fā)明涉及到帶結(jié)構(gòu)體上任何光纖波導，包括，例如塑料光纖。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的感測帶還用于其他感測以外的用途。即本發(fā)明打算將光波導完全蓋入帶結(jié)構(gòu)體或任何包括僅提高應(yīng)用便利或?qū)⒉▽c工件連接。還有，感應(yīng)帶可以形成具有粘膠劑表面或在將感測帶應(yīng)用到工件上的同時，提供粘膠劑。
權(quán)利要求
1．一種安裝在工件上的感測帶，其特征是，所述感測帶包括一個細長的彈性帶；以及一個由細長帶沿帶拉長方向支撐的光波導。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的感測帶，其特征是，光波導為一種光纖。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的感測帶，其特征是，光纖包括一個布拉格光柵。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的感測帶，其特征是，光纖包括一外涂層。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的感測帶，其特征是，外涂層為聚酰胺。
6．根據(jù)權(quán)利要求4所述的感測帶，其特征是，所選外涂層的厚度和彈性可以使光纖基本上與工件隔離。
7．根據(jù)權(quán)利要求4所述的感測帶，其特征是，所選外涂層的厚度和彈性能夠?qū)崿F(xiàn)從工件到光纖的有效應(yīng)變傳輸。
8．根據(jù)權(quán)利要求2所述的感測帶，其特征是，光纖包括多個布拉格光柵。
9．根據(jù)權(quán)利要求2所述的感測帶，其特征是，所述帶有一個上表面和底面，所述感測帶進一步包括所述底面上的粘膠劑。
10．根據(jù)權(quán)利要求2所述的感測帶，其特征是，進一步包括一個帶和光纖纏繞于其上的內(nèi)芯。
11．一種固定在工件上的感測帶，其特征是，所述感測帶包括一個細長的彈性帶；一個由細長帶沿帶拉長方向支撐和粘附的第一光波導；以及一個由細長帶沿帶拉長方向支撐和粘附的第二光波導。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的感測帶，其特征是，第一光波導為第一光纖，第二光波導為第二光纖。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的感測帶，其特征是，第一光纖包括一個布拉格光柵。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的感測帶，其特征是，第二光纖撥款一個布拉格光柵。
15．根據(jù)權(quán)利要求12所述的感測帶，其特征是，第一光纖包括一個第一涂層，第二光纖包括一個第二涂層。
16．根據(jù)權(quán)利要求15所述的感測帶，其特征是，所選第一涂層的厚度和彈性基本上能夠使第一光纖與工件內(nèi)的應(yīng)變相隔離。
17．根據(jù)權(quán)利要求15所述的感測帶，其特征是，所選第二涂層的厚度和彈性能夠?qū)崿F(xiàn)從工件到第二光纖的有效應(yīng)變傳輸。
18．根據(jù)權(quán)利要求12所述的感測帶，其特征是，所述帶有一個上表面和一底面，所述感測帶進一步包括在所述底面上的粘膠劑。
19．一種生產(chǎn)感測帶的方法，其特征是，包括提供一個被包覆的光纖；用細長帶支撐光纖。
20．根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征是，支撐光纖的步驟包括將光纖沿細長帶拉長方向固定的步驟。
21．根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征是，提供被包覆光纖的步驟包括用涂層包覆光纖的步驟。
22．根據(jù)權(quán)利要求2所述的感測帶，其特征是，所述光波導粘附在細長帶上。
23．根據(jù)權(quán)利要求2所述的感測帶，其特征是，所述帶沿其長度方向有一個中空的區(qū)域，且所述光纖位于所述中空區(qū)域內(nèi)。
全文摘要
一種安裝在工件上的感測帶包括一個細長的支撐帶和一個粘附在支撐帶上的光纖。
文檔編號G01L1/24GK1294674SQ98814068
公開日2001年5月9日 申請日期1998年9月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月26日
發(fā)明者H·辛格 申請人:美國3M公司