一種光纖光柵應變傳感器及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供光纖光柵應變傳感器及其制作方法，光纖光柵應變傳感器，包括光纖、端帽、結構件、溫度光柵、應變光柵、外封管；所述光纖上含有兩個光柵，一個是所述溫度光柵，一個是所述應變光柵，所述結構件設有一開槽區(qū)域，所述溫度光柵放置在所述開槽區(qū)域，并呈彎曲狀；所述結構件設有一彈性體，所述彈性體內部中空，所述應變光柵從所述彈性體中間穿過，且所述應變光柵兩端與所述彈性體兩端固定。步驟1：光柵組件組裝。步驟2：溫度光柵固定步驟。3：應變光柵預拉和固定。步驟4：器件封裝。步驟5：最終測試，器件制作完成。本發(fā)明應變傳感器中心波長可準確調至客戶要求范圍，可準確實現拉應變或壓應變或拉壓應變的各種測量要求。
【專利說明】
一種光纖光柵應變傳感器及其制作方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明屬于光纖傳感技術領域，涉及一種光纖光柵應變傳感器及其制作方法。
【背景技術】
[0002]光纖光柵是一種在光纖通信、光纖傳感及光信息處理領域有著廣泛應用前景的無源光纖器件，基于光纖光柵的傳感器具有抗電磁干擾、體積小、結構簡單的優(yōu)點，廣泛應用于土木、石油化工等惡劣環(huán)境中實現準確測量。
[0003]光纖光柵應變傳感器的應變測量主要用于監(jiān)測橋梁、大壩等大型工程健康、安全的重要手段，以及在航空航天工程中對構件的應力、應變腐蝕、蠕變、疲勞斷裂等失效行為的監(jiān)控。
[0004]目前，大多數的光纖光柵應變傳感器使用的光纖為包層直徑125um普通通信類光纖，其靈敏度約為1.17ρπι/1με。因此當被測物體發(fā)生的應變非常小的時候，常規(guī)的應變傳感器將無法分辨;本發(fā)明光纖光柵應變傳感器主要應用于高靈敏度要求的場合，其靈敏度為20?30ρπι/με，可以滿足高精度和高敏感的測量要求。

【發(fā)明內容】

[0005]為了解決現有技術中問題，本發(fā)明提供了一種光纖光柵應變傳感器，包括光纖、端帽、結構件、溫度光柵、應變光柵、外封管；
[0006]所述光纖上含有兩個光柵，一個是所述溫度光柵，一個是所述應變光柵，所述結構件設有一開槽區(qū)域，所述溫度光柵放置在所述開槽區(qū)域，并呈彎曲狀;所述結構件設有一彈性體，所述彈性體內部中空，所述應變光柵從所述彈性體中間穿過，且所述應變光柵兩端與所述彈性體兩端固定；
[0007]所述光纖為50um(微米)光纖，所述50um光纖光柵應變傳感器的出入光兩端各增加一支模式匹配器，
[0008]所述結構件的外面設有外封管來保護所述結構件;所述結構件的兩頭各連接一個端帽。
[0009]作為本發(fā)明的進一步改進，所述光纖為模場直徑小于9um的石英光纖。
[0010]作為本發(fā)明的進一步改進，所述彈性體為彈簧狀。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進，還包括鎧裝套管、金屬管、螺母，所述應變光柵一端設有帶有外螺紋的金屬管，由環(huán)氧樹脂膠粘接固定;所述螺母旋轉套入帶有外螺紋的金屬管內，旋轉所述螺母至與結構件緊靠，螺紋連接處使用螺紋膠固定，兩端的光纖套入鎧纜套管，并將鎧纜套管插入端帽內，由快干膠固定。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進，所述光纖從端帽中心孔內穿出，端帽一端配置有內螺紋，與結構件兩端外螺紋配合，端帽與結構件螺紋處旋轉擰緊，螺紋處涂抹螺紋膠;外封管與端帽連接處配置有橡膠密封圈或涂抹防水硅膠。
[0013]作為本發(fā)明的進一步改進，所述外封管長度比兩端帽內側間距短1.8mm至2.2mm。
[0014]作為本發(fā)明的進一步改進，所述模式匹配器為125um轉50um模式匹配器。
[0015]作為本發(fā)明的進一步改進，所述光纖表面設有聚酰亞胺涂覆層。
[0016]一種光纖光柵應變傳感器的制造方法，其特征在于:
[0017]步驟1:光柵組件組裝:將靠近應變光柵一端的一段距離的光纖涂覆層去除，并將帶有外螺紋的金屬管套入該位置，粘接固定；
[0018]步驟2:溫度光柵固定:將溫度光柵兩側一段距離的光纖涂覆層去除，將光纖從結構件中心孔內穿入，使溫度光柵位于開槽區(qū)域，并使光柵部分呈彎曲狀態(tài)，在光纖與結構件中心孔交界處，使用膠固定;再將環(huán)氧樹脂膠注入結構件中心孔，使之覆蓋預先已去除涂覆層的那段光纖，放入烤箱內烘烤固化；
[0019]步驟3:應變光柵預拉和固定:將螺母旋轉套入帶有外螺紋的金屬管內，旋轉螺母至與結構件緊靠，通過旋轉螺母給應變光柵施加預拉力；
[0020]步驟4:器件封裝:將光纖從端帽中心孔內穿出，端帽一端配置有內螺紋，與結構件兩端外螺紋配合，端帽與結構件螺紋處旋轉擰緊，螺紋處涂抹螺紋膠;將外封管從器件一端穿入，另一端的端帽裝配與前一端帽相同，外封管與端帽連接處配置有橡膠密封圈或涂抹防水硅膠，將器件兩端的光纖套入鎧纜套管，并將鎧纜套管管插入端帽內，固定；
[0021 ]步驟5:最終測試，器件制作完成。
[0022]作為本發(fā)明的進一步改進，光纖涂覆層去除的長度為8至12_。
[0023]本發(fā)明的有益效果是:
[0024]本發(fā)明應變傳感器靈敏度高，本發(fā)明光纖光柵應變傳感器使用小模場直徑的石英光纖制作的光纖光柵串作為傳感測量主體，大幅度提高了光纖光柵應變傳感器的靈敏度。
[0025]本發(fā)明應變傳感器中心波長可準確調至客戶要求范圍，可準確實現拉伸或壓縮或拉伸+壓縮的各種測量要求。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明一種光纖光柵應變傳感器結構示意圖；
[0027]圖2是本發(fā)明一種光纖光柵應變傳感器的結構件示意圖；
[0028]圖3是本發(fā)明一種光纖光柵應變傳感器的外封管結構不意圖；
[0029]圖4是本發(fā)明一種光纖光柵應變傳感器的端帽結構示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0031 ] 如圖1所示，為光纖光柵應變傳感器結構示意圖，圖中部件名稱如下:
[0032]端帽I;結構件2;溫度光柵3;應變光柵4;外封管5;鎧裝套管6;金屬管7;螺母8。
[0033]如圖1和圖2所示，光纖上含有兩個光柵，一個是溫度光柵3，一個是應變光柵4。兩個光柵存在一定的距離。所述結構件2設有一開槽區(qū)域201，溫度光柵3在開槽區(qū)域201放置，并呈彎曲狀，在應變傳感器的工作過程中，溫度光柵3彎曲可保證其不受外力影響，進一步確保其溫度漂移僅由環(huán)境溫度變化影響。
[0034]結構件2設有一彈性體202，此彈性體202可設計為彈簧狀或其它。彈性體202內部中空，應變光柵4從彈性體202中間穿過，且應變光柵4兩端與彈性體202兩端固定，在應變傳感器工作時，此彈性體202會根據外界環(huán)境應力的變化而變化，此時，應變光柵4的中心波長會隨之發(fā)生漂移；當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，應變光柵4的中心波長同樣會隨之漂移，但會通過溫度光柵3的測量數據將其補償，從而可得到準確的應變測量值。
[0035]所述應變光柵4一端的某一段距離的光纖涂覆層去除，長度約為10mm，帶有外螺紋的金屬管7套入該位置，由環(huán)氧樹脂膠粘接固定;螺母8旋轉套入帶有外螺紋的金屬管7內，旋轉所述螺母8至與結構件2緊靠，螺紋連接處使用螺紋膠固定，防止震動使螺母位置發(fā)生變化；
[0036]將光纖從端帽I中心孔內穿出，端帽I一端配置有內螺紋，與結構件2兩端外螺紋配合，端帽I與結構件2螺紋處旋轉擰緊，螺紋處涂抹螺紋膠;將外封管5從器件一端穿入，另一端的端帽I裝配與前一端帽相同，外封管5與端帽4連接處配置有橡膠密封圈或涂抹防水硅膠，有效保證器件的防水密封效果。外封管5長度比兩端帽I內側間距短2mm;確保器件在工作過程外封管5不影響測量效果，當中將器件兩端的光纖套入鎧纜套管6，并將鎧纜套管6插入端帽I內，使用快干膠固定。
[0037]本發(fā)明采用的小模場直徑的聚酰亞胺涂覆的單模光纖代替標準的125普通單模SMF-28光纖，當相同的外力作用于不同芯徑的光纖光柵上時，芯徑越小的光纖在單位面積上的受力就越大，因此，應變傳感器的靈敏度會更高。表面為聚酰亞胺涂覆層，有效提高其結構強度。
[0038]由于小模場直徑的光纖在通信行業(yè)內并不通用，如果直接將其的器件置入常規(guī)光纖的測量系統(tǒng)中，將會導致較大的耦合損耗，有很大一部分光功率將會被損失掉。因此在光纖光柵應變傳感器的出入光兩端需要各增加一支模式匹配器(125um轉50um)，該模式匹配器可以是使用熔融拉錐技術或者是在其光路中置入透鏡等元器件制作而成，以提高不同光纖之間的耦合效率，有效降低其耦合損耗。
[0039]操作步驟:
[0040]步驟1:光柵組件組裝:將靠近應變光柵4一端的某一段距離的光纖涂覆層去除，長度約為10_，并將帶有外螺紋的金屬管7套入該位置，使用環(huán)氧樹脂膠粘接固定。
[0041]步驟2:溫度光柵固定:將溫度光柵3兩側某一段距離的光纖涂覆層去除，長度約為10_，將光纖從結構件中心孔內穿入，使溫度光柵3位于開槽區(qū)域，在溫度光柵3下面插入一小束棉花，使光柵部分呈彎曲狀態(tài)，在光纖與結構件中心孔交界處，使用AB膠或者UV膠固定，將棉花抽出。再將環(huán)氧樹脂膠注入結構件2中心孔，使之覆蓋預先已去除涂覆層的那段光纖。放入85 °C烤箱內烘烤固化；
[0042]步驟:3:應變光柵預拉和固定:將螺母8旋轉套入帶有外螺紋的金屬管7內，旋轉螺母8至與結構件2緊靠，通過旋轉螺母即可給應變光柵4施加預拉力，并且可以精確調整應變光柵4的中心波長。螺紋連接處使用螺紋膠固定，防止震動使螺母位置發(fā)生變化；
[0043]步驟4:器件封裝:將光纖從端帽I中心孔內穿出，端帽I一端配置有內螺紋，與結構件2兩端外螺紋配合，端帽I與結構件2螺紋處旋轉擰緊，螺紋處涂抹螺紋膠;將外封管5從器件一端穿入，另一端端帽I裝配與前一端帽相同，外封管5與端帽I連接處配置有橡膠密封圈或涂抹防水硅膠，有效保證器件的防水密封效果。外封管5長度比兩端帽I內側間距短2mm;確保器件在工作過程外封管5不影響測量效果，當中將器件兩端的光纖套入鎧纜套管6，并將鎧纜套管6管插入端帽I內，使用快干膠固定；
[0044]步驟5:最終測試，器件制作完成。
[0045]以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種光纖光柵應變傳感器，其特征在于: 包括光纖、端帽(I)、結構件(2)、溫度光柵(3)、應變光柵(4)、外封管(5); 所述光纖上含有兩個光柵，一個是所述溫度光柵(3)，一個是所述應變光柵(4)，所述結構件(2)設有一開槽區(qū)域(201)，所述溫度光柵(3)放置在所述開槽區(qū)域(201)，并呈彎曲狀；所述結構件(2 )設有一彈性體(20 2 )，所述彈性體(20 2 )內部中空，所述應變光柵(4 )從所述彈性體(202)中間穿過，且所述應變光柵(4)兩端與所述彈性體(202)兩端固定； 所述光纖為50um光纖，所述50um光纖光柵應變傳感器的出入光兩端各增加一支模式匹配器， 所述結構件(2)的外面設有外封管來保護所述結構件(2);所述結構件(2)的兩頭各連接一個端帽(I)。2.根據權利要求1所述的一種光纖光柵應變傳感器，其特征在于:所述光纖為模場直徑小于9um的石英光纖。3.根據權利要求1所述的一種光纖光柵應變傳感器，其特征在于:所述彈性體(202)為彈貪狀。4.根據權利要求1所述的一種光纖光柵應變傳感器，其特征在于:還包括鎧裝套管(6)、金屬管(7)、螺母(8)，所述應變光柵(4)一端設有帶有外螺紋的金屬管(7)，由環(huán)氧樹脂膠粘接固定;所述螺母(8)旋轉套入帶有外螺紋的金屬管(7)內，旋轉所述螺母(8)至與結構件(2)緊靠，螺紋連接處使用螺紋膠固定，兩端的光纖套入鎧纜套管(6)，并將鎧纜套管(6)插入端帽(I)內，由快干膠固定。5.根據權利要求1所述的一種光纖光柵應變傳感器，其特征在于:所述光纖從端帽(I)中心孔內穿出，端帽(I)一端配置有內螺紋，與結構件(2)兩端外螺紋配合，端帽(I)與結構件(2)螺紋處旋轉擰緊，螺紋處涂抹螺紋膠;外封管(5)與端帽(4)連接處配置有橡膠密封圈或涂抹防水硅膠。6.根據權利要求1所述的一種光纖光柵應變傳感器，其特征在于:所述外封管(5)長度比兩端帽(I)內側間距短1.8mm至2.2mm。7.根據權利要求1所述的一種光纖光柵應變傳感器，其特征在于:所述模式匹配器為125um轉50um模式匹配器。8.根據權利要求1所述的一種光纖光柵應變傳感器，其特征在于:所述光纖表面設有聚酰亞胺涂覆層。9.一種光纖光柵應變傳感器的制造方法，其特征在于: 步驟1:光柵組件組裝:將靠近應變光柵(4) 一端的一段距離的光纖涂覆層去除，并將帶有外螺紋的金屬管(7)套入該位置，粘接固定； 步驟2:溫度光柵固定:將溫度光柵(3)兩側一段距離的光纖涂覆層去除，將光纖從結構件中心孔內穿入，使溫度光柵(3)位于開槽區(qū)域，并使光柵部分呈彎曲狀態(tài)，在光纖與結構件中心孔交界處，使用膠固定;再將環(huán)氧樹脂膠注入結構件(2)中心孔，使之覆蓋預先已去除涂覆層的那段光纖，放入烤箱內烘烤固化； 步驟3:應變光柵預拉和固定:將螺母(8)旋轉套入帶有外螺紋的金屬管(7)內，旋轉螺母(8)至與結構件(2)緊靠，通過旋轉螺母給應變光柵(4)施加預拉力； 步驟4:器件封裝:將光纖從端帽(I)中心孔內穿出，端帽(I)一端配置有內螺紋，與結構件(2)兩端外螺紋配合，端帽(I)與結構件(2)螺紋處旋轉擰緊，螺紋處涂抹螺紋膠;將外封管(5)從器件一端穿入，另一端的端帽(I)裝配與前一端帽相同，外封管(5)與端帽(I)連接處配置有橡膠密封圈或涂抹防水硅膠，將器件兩端的光纖套入鎧纜套管(6)，并將鎧纜套管(6)管插入端帽(I)內，固定； 步驟5:最終測試，器件制作完成。10.根據權利要求9所述的一種光纖光柵應變傳感器的制造方法，其特征在于:光纖涂覆層去除的長度為8至12mm。
【文檔編號】G01B11/16GK105928468SQ201610474967
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】趙德春, 王鵬
【申請人】深圳市暢格光電有限公司