一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的fbg傳感器靈敏度提高方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖光柵傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的FBG傳感器靈 敏度提高方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 1978年加拿大渥太華通信研究中心的K. 0. HILL等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn) 光纖的光敏效應(yīng)，并采用駐波寫入法制成世界上第一根光纖布拉格光柵(FBGhFBG傳感器 具有體積小、損耗低、靈敏度高、抗電磁干擾、電絕緣性好、帶寬大等優(yōu)點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分 布式測量，已應(yīng)用于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物、艦船系統(tǒng)、海洋、航空、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、電力 系統(tǒng)等，取得了豐碩的成果。
[0003] 主要成分為Si02的裸光柵細(xì)小質(zhì)脆，尤其是抗剪能力很差，直接將其作為傳感器 在工程實(shí)際應(yīng)用中遇到了很多問題，如溫度、應(yīng)變靈敏度低，容易損壞，布設(shè)工藝復(fù)雜等。且 FBG的中心波長對溫度和應(yīng)力存在交叉敏感效應(yīng)，影響了傳感器的性能。溫度和應(yīng)變是光纖 光柵能夠直接傳感測量的兩個最基本的物理量，其他各種物理量如位移、壓力、振動、加速 度、流速等傳感，均需特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或溫度傳感。因此，必須對FBG進(jìn)行保 護(hù)、敏化等封裝。
[0004] 多年來，科研工作者們對懸臂梁結(jié)構(gòu)的FBG傳感器開展了廣泛的研究。目前，有文 獻(xiàn)報道的主要有以下幾種：（1)雙波長矩陣法，在懸臂梁上粘貼兩個FBG，構(gòu)建雙波長矩陣進(jìn) 行傳感測量，克服了中心波長交叉敏感問題；（2)多波長矩陣法，在懸臂梁上粘貼兩個以上 的FBG，利用多波長矩陣法進(jìn)行多參數(shù)傳感測量；（3)參數(shù)變更法，利用某些方式改變測量中 使用的兩個FBG或單個FBG不同區(qū)域的溫度和應(yīng)變敏感度系數(shù)，類似雙波長矩陣法；（4)啁嗽 光柵法，利用光柵啁嗽效應(yīng)光譜半寬展寬溫度不敏感來克服交叉敏感問題，進(jìn)行應(yīng)變測量；
[5] 雙參量矩陣法，除中心波長外再引入一個溫度應(yīng)變敏感量，利用雙參量矩陣法進(jìn)行多參 數(shù)傳感測量。
[0005] 目前，懸臂梁結(jié)構(gòu)的FBG傳感器技術(shù)已經(jīng)得到了較為廣泛的研究，但目前研究的主 要目的在于解決交叉敏感問題，隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各行各業(yè)對傳感器靈敏度要求 越來越高。因此，研制高靈敏度的懸臂梁結(jié)構(gòu)的FBG傳感器對社會、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重大 意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的FBG傳感器靈敏度提高方法，進(jìn)一 步解決檢測靈敏度和測量精度等困擾當(dāng)前FBG傳感器的關(guān)鍵問題。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0008] 一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的FBG傳感器靈敏度提高方法，包括以下順序的步驟：
[0009] (1)在懸臂梁的適當(dāng)位置開設(shè)一個通孔，并且使所述通孔關(guān)于懸臂梁的中心軸線 對稱；
[0010] (2)以垂直于所述通孔截面的方向為所述懸臂梁的載荷施加方向，對所述懸臂梁 施加一定載荷，確定此時懸臂梁的兩個正向應(yīng)變最大處或兩個負(fù)向應(yīng)變最大處；
[0011] (3)在所述懸臂梁的兩個正向應(yīng)變最大處或兩個負(fù)向應(yīng)變最大處分別粘貼一個 FBG，使所述載荷施加方向與粘貼在懸臂梁上的兩個FBG所構(gòu)成的平面相垂直；
[0012] ⑷當(dāng)采用所述兩個FBG測量施加在懸臂梁上的待測載荷時，使所述兩個FBG的光 譜重疊并利用FBG光譜展寬效應(yīng)對所述兩個FBG進(jìn)行傳感解調(diào)。
[0013] 所述的基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的FBG傳感器靈敏度提高方法，步驟（1)中，所述在懸臂梁 的適當(dāng)位置開設(shè)一個通孔，具體為在懸臂梁的中心位置開設(shè)一個通孔;所述通孔的截面形 狀包括矩形、菱形、圓形和三角形。
[0014] 所述的基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的FBG傳感器靈敏度提高方法，步驟(2)中，所述確定此時 懸臂梁的兩個正向應(yīng)變最大處或兩個負(fù)向應(yīng)變最大處，具體采用有限元法進(jìn)行分析。
[0015] 所述的基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的FBG傳感器靈敏度提高方法，步驟(4)中，所述利用FBG光 譜展寬效應(yīng)對所述兩個FBG進(jìn)行傳感解調(diào)，具體包括：
[0016] a、寬帶光源輸出的光經(jīng)耦合器到達(dá)所述兩個FBG，經(jīng)其反射后到達(dá)光譜分析儀； [0017] b、所述光譜分析儀對所述兩個FBG的重疊光譜進(jìn)行分析，得到所述重疊光譜的3dB 帶寬；
[0018] c、當(dāng)施加在懸臂梁上的待測載荷發(fā)生變化時，由所述光譜分析儀得到所述重疊光 譜的3dB帶寬變化量；
[0019] d、根據(jù)所述重疊光譜的3dB帶寬變化量以及預(yù)先測定的載荷傳感靈敏度，利用以 下公式，反演得到待測載荷的變化量：
[0020] AF/!2 = K/flX AL
[0021] 其中，八？/12表示重疊光譜的3dB帶寬變化量，KSl表示載荷傳感靈敏度，AL表示 待測載荷的變化量。
[0022]本發(fā)明的有益效果為：
[0023]由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明通過簡單的打孔方式增加了應(yīng)變變化量，利用FBG粘 貼位置的巧妙設(shè)計和合適的解調(diào)方式，提高了傳感靈敏度，實(shí)現(xiàn)了溫度自補(bǔ)償和多參數(shù)傳 感測量，且具有抗干擾能力強(qiáng)、長期漂移小、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠在高溫、高壓、強(qiáng)電磁 干擾的惡劣工業(yè)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)測量。本發(fā)明的應(yīng)用范圍廣泛，如可以應(yīng)用于應(yīng)力傳感、位移測 量、振動以及加速度的測量等。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的方法流程圖；
[0025]圖2是懸臂梁結(jié)構(gòu)的FBG傳感器結(jié)構(gòu)原理圖；
[0026]圖3是傳感解調(diào)系統(tǒng)原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0028]如圖1所示，一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的FBG傳感器靈敏度提高方法，包括以下步驟： [0029] S1、在懸臂梁的適當(dāng)位置開設(shè)一個通孔，并且使該通孔關(guān)于懸臂梁的中心軸線對 稱；
[0030]選擇適當(dāng)大小與形狀的懸臂梁，在懸臂梁上合適位置處打孔，孔的形狀如矩形、菱 形、圓形、三角形等。
[0031]如圖2所示，選擇制造較為簡單的等截面懸臂梁，在其中心位置制造一個方形通 孔，其一端固定，另一端用于施加待測載荷。
[0032] S2、以垂直于通孔截面的方向為懸臂梁的載荷施加方向，對懸臂梁施加一定載荷， 確定此時懸臂梁的兩個正向應(yīng)變最大處或兩個負(fù)向應(yīng)變最大處；
[0033]如圖2所示，當(dāng)懸臂梁一端(A端）固定，另一端(B端