基于光纤光栅的应力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于光纤光栅的应力传感器，由于将光纤光栅组织成光栅对，并将光栅对粘贴于弹性体上使弹性体受外界应力作用时，光栅对中的两根光纤光栅中一根产生拉伸作用，另一根产生相应的压缩作用，因两光纤光栅产生相反的波长移动方向从而起到温度自补偿，同时由于光纤光栅采用两端粘贴的方式具有遏制啁啾效应的作用。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种基于光纤光栅的应力传感器，由于将光纤光栅组织成光栅对，并将光栅对粘贴于弹性体上使弹性体受外界应力作用时，光栅对中的两根光纤光栅中一根产生拉伸作用，另一根产生相应的压缩作用，因两光纤光栅产生相反的波长移动方向从而起到温度自补偿，同时由于光纤光栅采用两端粘贴的方式具有遏制啁啾效应的作用。【专利说明】基于光纤光栅的应力传感器
本专利技术涉及光纤传感
，尤其涉及一种基于光纤光栅的应力传感器。
技术介绍
在煤矿、油井、气田、核能等场合，力值测量是基本的检测项目之一，其中基于光纤光栅的应力传感器以其具有耐腐蚀、抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、可分布式测量等特性在这些场合中被广泛应用。在基于光纤光栅的应力传感器中，光纤光栅是其中十分重要的部件，所谓光纤光栅是指利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。其中光纤光栅具有类似应变片的作用，具有很高的灵敏度。其中光纤光栅包括:均匀光纤光栅、均匀长周期光纤光栅、切趾光纤光栅、相移光纤光栅等。目前，对光纤光栅设置于悬臂梁之类的弹性体时经常出现的现象是:由于光栅与弹性体的耦合不匹配，导致应变分布不均匀，例如悬臂梁在受力时将会产生挠度，挠度会增大光栅的不均匀性，而应变分布不均匀将会导致光纤光栅产生啁啾效应，即反射峰中心波长会出现上下摆动状况。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于光纤光栅的应力传感器，具有温度自补偿和遏制啁啾效应的作用。本专利技术提供了一种基于光纤光栅的应力传感器，包括:光纤光栅和弹性体，所述光纤光栅包括:至少一组光栅对，所述光栅对由两根结构相同或相似的光纤光栅组成，所述两根光纤光栅均采取两端粘贴的方式固定于所述弹性体上，且所述两根光纤光栅在所述弹性体上的设置方式使:当所述弹性体受外界应力作用时，其中一根光纤光栅产生拉伸作用，另一根光纤光栅产生对应的压缩作用。进一步，所述两根光纤光栅均先预紧，然后两端粘贴于所述弹性体上。进一步，所述弹性体为悬臂梁、柱式结构、筒式结构或环式结构。进一步，所述弹性体为悬臂梁时，所述两根光纤光栅分别设置在所述悬臂梁的上、下表面。进一步，所述悬臂梁的中间设有至少一圆孔。进一步,所述悬臂梁的中间设有双圆孔。进一步，还包括:耦合器、环形器、激光器和光栅分析模块，所述应力传感器的光路为:从所述激光器发出的光顺序经过所述环形器、耦合器进入所述光栅对中的光纤光栅产生中心波长随外界应力变化而变化的反射波长，所述反射波长再顺序通过所述耦合器、环形器进入所述光栅分析模块进行分析得到应力数字信号。进一步，所述光栅分析模块包括:准直镜、色散单元、聚光透镜、探测单元、控制电路、数字信号处理器DSP和存储器，分别依次用于对输入的光信号进行准直、色散、聚光、探测、控制、数字信号处理和存储。进一步，所述色散单元采用透射式全息体相位衍射光栅VPHG，所述探测单元采用线阵铟砷化镓PIN 二极管光电探测阵列。本专利技术的有益效果:将光纤光栅组织成光栅对，并将光栅对粘贴于弹性体上使弹性体受外界应力作用时，光栅对中的两根光纤光栅中一根产生拉伸作用，另一根产生相应的压缩作用，因两光纤光栅产生相反的波长移动方向从而起到温度自补偿，同时由于光纤光栅采用两端粘贴的方式具有遏制啁啾效应的作用。另外，光纤光栅采取先预紧，然后两端粘贴于弹性体上的方式时，具有非常好的遏制弹性体应变不均匀而带来的反射波长的啁啾效应的作用。【专利附图】【附图说明】下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述:图1是本专利技术提供的基于光纤光栅的应力传感器的实施例的结构示意图。如图2是光纤对安装于悬壁梁时的安装示意图。如图3 (a)至(C)是常见的几种常见弹性体的光纤光栅粘结简图。图4是光栅分析模块的实施例的结构示意图。图5是悬臂梁受力变形示意图。图6是光栅对安装于悬臂梁后的示意图。【具体实施方式】请参考图1，是本专利技术提供的基于光纤光栅的应力传感器的实施例的结构示意图，其包括:弹性体1、至少一组光栅对2、耦合器3、环形器4、激光器5和光栅分析模块6。其中光栅对2由两光纤光栅组成且设置在弹性体I上。如图所示，该应力传感器的光路为:从激光器5发出的光顺序经过环形器4、耦合器3进入光栅对2中的光纤光栅并产生反射波长,该反射波长的反射峰的中心波长随外界应力变化而变化，该反射波长再顺序通过耦合器3、环形器4进入光栅分析模块6进行分析得到应力数字信号。其中，光栅对2由两根结构相同或相似的光纤光栅组成，此处相似是指:两根光纤光栅的误差在本领域技术人员可接受的范围内，由于实际情形中很难找到两根结构完全相同的光纤光栅，因此更多应用的是结构相似的光纤光栅。其中，光栅对2的两根光纤光栅米用两端粘贴的方式固定于弹性体I上，其中两端粘贴是指:避免直接将光栅对与弹性体接触，因此光栅对不会受到弯曲的影响；当弹性体I受外界应力作用时，两根光纤光栅中一根产生拉伸作用，另一根产生对应的压缩作用，从而实现温度自补偿和遏制啁啾效应。其中，由于几乎不可能找到两根完全相同的光纤光栅，因此会存温差，这可以在应力传感器做好之后进行温度由低到高的标定实验，将温度引起的波长变化值存入光栅分析模块6作为补偿即可。其中，光栅对2中两光纤光栅固定在弹性体的方式更加优选的是:先对光纤光栅进行预紧，产生内应力，然后再将其两端以粘贴的方式固定在弹性体上；此种方式可以取得非常好的甚至是意料不到的遏制弹性体应变不均匀而带来的反射波长的啁啾效应的作用。其中，在同一应力传感器中可以同时设置多组前述的光栅对2，一般均在两组以上。其光栅对2的具体数量是成本与灵敏度平衡的结果，具体的:假设一组光栅对在力F的作用下产生的波长变化为Λ λ，则两组光栅对其变化相加得到2 Λ λ，用F/Λ λ表示每波长所代表的力值，即分辨力，则很明显光栅对越多分辨力越小、灵敏度越好，其中光栅对的数量由光栅分析模块的精度而定，精度越高可以增加的光栅对数量越多，应力传感器的灵敏度越好、精度也越高，但成本也越高。其中，弹性体I可以为悬臂梁、柱式结构、筒式结构或环式结构，最常见的是悬臂梁。当弹性体I为悬臂梁时，光栅对中的两根光纤光栅设置于悬臂梁的上、下表面，如图2所不是光纤对安装于悬壁梁时的安装不意图，其中11表不粘结点，21表法光纤光栅,R表不外圆半径，r表示内圆半径。其中悬臂梁的中间可以开圆孔，使悬臂梁变成两根平行梁，改变其弯矩特性，这样不仅有利于提高传感器的抗偏载特性还有利于提高其灵敏性同时也有利于增大传感器的使用体积，若不开孔，则必须减小悬臂梁的体积才能增加传感器的灵敏性，但体积减少以后不利于实际应用的安装，因此在悬臂梁中间开孔能够有效的将抗偏载特性与实用性良好的结合。当悬臂梁右端受到向下的力作用时，悬臂梁上部拉伸其内应力增加使光栅反射波长增加，悬臂梁下部受到压缩由于光栅是预先拉紧再粘贴的则其内应力减小使光栅反射波长减小。当温度变化时，两光纤光栅变化量相同，从而可以实现温度补偿效果。其中，如图3 (a)至(C)所示，是几种常见弹性体的光纤光栅粘结简图。其中，图3Ca)是圆柱体实心结构，上下表面呈弧性，有利于单点受力。圆柱式结构具有承载力极大的特点。把圆柱体表面抛光后将光栅直接用两端粘贴在上面即可。图3 (b本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤光栅的应力传感器，包括：光纤光栅和弹性体，其特征在于：所述光纤光栅包括：至少一组光栅对，所述光栅对由两根结构相同或相似的光纤光栅组成，所述两根光纤光栅均采取两端粘贴的方式固定于所述弹性体上，且所述两根光纤光栅在所述弹性体上的设置方式使：当所述弹性体受外界应力作用时，其中一根光纤光栅产生拉伸作用，另一根光纤光栅产生对应的压缩作用。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱正伟，袁侨英，刘邦，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85