一种光纤光栅应变传感器及其制作方法技术

本发明专利技术提供光纤光栅应变传感器及其制作方法，光纤光栅应变传感器，包括光纤、端帽、结构件、温度光栅、应变光栅、外封管；所述光纤上含有两个光栅，一个是所述温度光栅，一个是所述应变光栅，所述结构件设有一开槽区域，所述温度光栅放置在所述开槽区域，并呈弯曲状；所述结构件设有一弹性体，所述弹性体内部中空，所述应变光栅从所述弹性体中间穿过，且所述应变光栅两端与所述弹性体两端固定。步骤1：光栅组件组装。步骤2：温度光栅固定步骤。3：应变光栅预拉和固定。步骤4：器件封装。步骤5：最终测试，器件制作完成。本发明专利技术应变传感器中心波长可准确调至客户要求范围，可准确实现拉应变或压应变或拉压应变的各种测量要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤传感
，涉及一种光纤光栅应变传感器及其制作方法。
技术介绍
光纤光栅是一种在光纤通信、光纤传感及光信息处理领域有着广泛应用前景的无源光纤器件，基于光纤光栅的传感器具有抗电磁干扰、体积小、结构简单的优点，广泛应用于土木、石油化工等恶劣环境中实现准确测量。光纤光栅应变传感器的应变测量主要用于监测桥梁、大坝等大型工程健康、安全的重要手段，以及在航空航天工程中对构件的应力、应变腐蚀、蠕变、疲劳断裂等失效行为的监控。目前，大多数的光纤光栅应变传感器使用的光纤为包层直径125um普通通信类光纤，其灵敏度约为1.17pm/1με。因此当被测物体发生的应变非常小的时候，常规的应变传感器将无法分辨；本专利技术光纤光栅应变传感器主要应用于高灵敏度要求的场合，其灵敏度为20～30pm/με，可以满足高精度和高敏感的测量要求。
技术实现思路
为了解决现有技术中问题，本专利技术提供了一种光纤光栅应变传感器，包括光纤、端帽、结构件、温度光栅、应变光栅、外封管；所述光纤上含有两个光栅，一个是所述温度光栅，一个是所述应变光栅，所述结构件设有一开槽区域，所述温度光栅放置在所述开槽区域，并呈弯曲状；所述结构件设有一弹性体，所述弹性体内部中空，所述应变光栅从所述弹性体中间穿过，且所述应变光栅两端与所述弹性体两端固定；所述光纤为50um(微米)光纤，所述50um光纤光栅应变传感器的出入光两端各增加一支模式匹配器，所述结构件的外面设有外封管来保护所述结构件；所述结构件的两头各连接一个端帽。作为本专利技术的进一步改进，所述光纤为模场直径小于9um的石英光纤。作为本专利技术的进一步改进，所述弹性体为弹簧状。作为本专利技术的进一步改进，还包括铠装套管、金属管、螺母，所述应变光栅一端设有带有外螺纹的金属管，由环氧树脂胶粘接固定；所述螺母旋转套入带有外螺纹的金属管内，旋转所述螺母至与结构件紧靠，螺纹连接处使用螺纹胶固定，两端的光纤套入铠缆套管，并将铠缆套管插入端帽内，由快干胶固定。作为本专利技术的进一步改进，所述光纤从端帽中心孔内穿出，端帽一端配置有内螺纹，与结构件两端外螺纹配合，端帽与结构件螺纹处旋转拧紧，螺纹处涂抹螺纹胶；外封管与端帽连接处配置有橡胶密封圈或涂抹防水硅胶。作为本专利技术的进一步改进，所述外封管长度比两端帽内侧间距短1.8mm至2.2mm。作为本专利技术的进一步改进，所述模式匹配器为125um转50um模式匹配器。作为本专利技术的进一步改进，所述光纤表面设有聚酰亚胺涂覆层。一种光纤光栅应变传感器的制作方法，其特征在于：步骤1：光栅组件组装：将靠近应变光栅一端的一段距离的光纤涂覆层去除，并将带有外螺纹的金属管套入该位置，粘接固定；步骤2：温度光栅固定：将温度光栅两侧一段距离的光纤涂覆层去除，将光纤从结构件中心孔内穿入，使温度光栅位于开槽区域，并使光栅部分呈弯曲状态，在光纤与结构件中心孔交界处，使用胶固定；再将环氧树脂胶注入结构件中心孔，使之覆盖预先已去除涂覆层的那段光纤，放入烤箱内烘烤固化；步骤3：应变光栅预拉和固定：将螺母旋转套入带有外螺纹的金属管
内，旋转螺母至与结构件紧靠，通过旋转螺母给应变光栅施加预拉力；步骤4：器件封装：将光纤从端帽中心孔内穿出，端帽一端配置有内螺纹，与结构件两端外螺纹配合，端帽与结构件螺纹处旋转拧紧，螺纹处涂抹螺纹胶；将外封管从器件一端穿入，另一端的端帽装配与前一端帽相同，外封管与端帽连接处配置有橡胶密封圈或涂抹防水硅胶，将器件两端的光纤套入铠缆套管，并将铠缆套管管插入端帽内，固定；步骤5：最终测试，器件制作完成。作为本专利技术的进一步改进，光纤涂覆层去除的长度为8至12mm。本专利技术的有益效果是：本专利技术应变传感器灵敏度高，本专利技术光纤光栅应变传感器使用小模场直径的石英光纤制作的光纤光栅串作为传感测量主体，大幅度提高了光纤光栅应变传感器的灵敏度。本专利技术应变传感器中心波长可准确调至客户要求范围，可准确实现拉伸或压缩或拉伸+压缩的各种测量要求。附图说明图1是本专利技术一种光纤光栅应变传感器结构示意图；图2是本专利技术一种光纤光栅应变传感器的结构件示意图；图3是本专利技术一种光纤光栅应变传感器的外封管结构示意图；图4是本专利技术一种光纤光栅应变传感器的端帽结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。如图1所示，为光纤光栅应变传感器结构示意图，图中部件名称如下：端帽1；结构件2；温度光栅3；应变光栅4；外封管5；铠装套管6；金属管7；螺母8。如图1和图2所示，光纤上含有两个光栅，一个是温度光栅3，一个是应变光栅4。两个光栅存在一定的距离。所述结构件2设有一开槽区域201，温度光栅3在开槽区域201放置，并呈弯曲状，在应变传感器的工作过程中，温度光栅3弯曲可保证其不受外力影响，进一步确保其温度漂移仅由环境温度变化影响。结构件2设有一弹性体202，此弹性体202可设计为弹簧状或其它。弹性体202内部中空，应变光栅4从弹性体202中间穿过，且应变光栅4两端与弹性体202两端固定，在应变传感器工作时，此弹性体202会根据外界环境应力的变化而变化，此时，应变光栅4的中心波长会随之发生漂移；当环境温度发生变化时，应变光栅4的中心波长同样会随之漂移，但会通过温度光栅3的测量数据将其补偿，从而可得到准确的应变测量值。所述应变光栅4一端的某一段距离的光纤涂覆层去除，长度约为10mm，带有外螺纹的金属管7套入该位置，由环氧树脂胶粘接固定；螺母8旋转套入带有外螺纹的金属管7内，旋转所述螺母8至与结构件2紧靠，螺纹连接处使用螺纹胶固定，防止震动使螺母位置发生变化；将光纤从端帽1中心孔内穿出，端帽1一端配置有内螺纹，与结构件2两端外螺纹配合，端帽1与结构件2螺纹处旋转拧紧，螺纹处涂抹螺纹胶；将外封管5从器件一端穿入，另一端的端帽1装配与前一端帽相同，外封管5与端帽4连接处配置有橡胶密封圈或涂抹防水硅胶，有效保证器件的防水密封效果。外封管5长度比两端帽1内侧间距短2mm；确保器件在工作过程外封管5不影响测量效果，当中将器件两端的光纤套入铠缆套管6，并将铠缆套管6插入端帽1内，使用快干胶固定。本专利技术采用的小模场直径的聚酰亚胺涂覆的单模光纤代替标准的125普通单模SMF-28光纤，当相同的外力作用于不同芯径的光纤光栅上时，芯径越小的光纤在单位面积上的受力就越大，因此，应变传感器的灵敏度会更高。表面为聚酰亚胺涂覆层，有效提高其结构强度。由于小模场直径的光纤在通信行业内并不通用，如果直接将其的器件置入常规光纤的测量系统中，将会导致较大的耦合损耗，有很大一部分光功率将会被损失掉。因此在光纤光栅应变传感器的出入光两端需要各增加
一支模式匹配器(125um转50um)，该模式匹配器可以是使用熔融拉锥技术或者是在其光路中置入透镜等元器件制作而成，以提高不同光纤之间的耦合效率，有效降低其耦合损耗。操作步骤：步骤1：光栅组件组装：将靠近应变光栅4一端的某一段距离的光纤涂覆层去除，长度约为10mm，并将带有外螺纹的金属管7套入该位置，使用环氧树脂胶粘接固定。步骤2：温度光栅固定：将温度光栅3两侧某一段距离的光纤涂覆层去除，长度约为10mm，将光纤从结构件中心孔内穿入，使温度光栅3位于开槽区域，在温度光栅3下面插入一小束棉花，使光栅部分呈弯曲状态，在光纤与结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤光栅应变传感器，其特征在于：包括光纤、端帽（1）、结构件（2）、温度光栅（3）、应变光栅（4）、外封管（5）；所述光纤上含有两个光栅，一个是所述温度光栅（3），一个是所述应变光栅（4），所述结构件（2）设有一开槽区域（201），所述温度光栅（3）放置在所述开槽区域（201），并呈弯曲状；所述结构件（2）设有一弹性体（202），所述弹性体（202）内部中空，所述应变光栅（4）从所述弹性体（202）中间穿过，且所述应变光栅（4）两端与所述弹性体（202）两端固定；所述光纤为50um光纤，所述50um光纤光栅应变传感器的出入光两端各增加一支模式匹配器，所述结构件（2）的外面设有外封管来保护所述结构件（2）；所述结构件（2）的两头各连接一个端帽（1）。

【技术特征摘要】
1.一种光纤光栅应变传感器，其特征在于：包括光纤、端帽（1）、结构件（2）、温度光栅（3）、应变光栅（4）、外封管（5）；所述光纤上含有两个光栅，一个是所述温度光栅（3），一个是所述应变光栅（4），所述结构件（2）设有一开槽区域（201），所述温度光栅（3）放置在所述开槽区域（201），并呈弯曲状；所述结构件（2）设有一弹性体（202），所述弹性体（202）内部中空，所述应变光栅（4）从所述弹性体（202）中间穿过，且所述应变光栅（4）两端与所述弹性体（202）两端固定；所述光纤为50um光纤，所述50um光纤光栅应变传感器的出入光两端各增加一支模式匹配器，所述结构件（2）的外面设有外封管来保护所述结构件（2）；所述结构件（2）的两头各连接一个端帽（1）。2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述光纤为模场直径小于9um的石英光纤。3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述弹性体（202）为弹簧状。4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变传感器，其特征在于：还包括铠装套管（6）、金属管（7）、螺母（8），所述应变光栅（4）一端设有带有外螺纹的金属管（7），由环氧树脂胶粘接固定；所述螺母（8）旋转套入带有外螺纹的金属管（7）内，旋转所述螺母（8）至与结构件（2）紧靠，螺纹连接处使用螺纹胶固定，两端的光纤套入铠缆套管（6），并将铠缆套管（6）插入端帽（1）内，由快干胶固定。5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变传感器，其特征在于：所述光纤从端帽（1）中心孔内穿出，端帽（1）一端配置有内螺纹，与结构件（2）两端外螺纹配合，端帽（1）与结构件（2）螺纹处旋转拧紧，螺纹处涂抹螺纹胶；外封管（5）与端帽（4）连接处配置有...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵德春，王鹏，
申请(专利权)人：深圳市畅格光电有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44