光纤布拉格光栅传感器及光纤布拉格光栅传感装置制造方法及图纸

本发明专利技术适用于传感技术领域，提供一种光纤布拉格光栅传感器，包括圆柱状的弹性体以及光纤布拉格光栅，弹性体包括相互平行的两个端面以及柱状的侧面，一个端面用于接受压力，另一端面贴合于受力物体表面，光纤布拉格光栅嵌于弹性体上且形成与侧面同轴的圆形，光纤布拉格光栅的栅长小于或等于光纤布拉格光栅嵌于弹性体上的长度，光纤布拉格光栅的两端伸出弹性体。本发明专利技术采用在圆柱状弹性体上设置光纤布拉格光栅形成传感器，利用了纵向形变与横向形变之间的关系，采用沿着弹性体的端面施压产生轴向应变进而导致横向应变的方式使光纤布拉格光栅的长度发生应变，将纵向的压力转换为横向的应变，可以将弹性体的高度设计的较小，获得超薄结构传感器。

Optical fiber Prague grating sensor and optical fiber Prague grating sensing device

The invention is applicable to the field of sensor technology, a fiber Prague grating sensor, which comprises a cylindrical elastic body and a fiber Prague grating, the elastic body comprises two side face parallel to each other and column, one end for receiving the pressure, the other end face stick to the stress surface, embedded fiber Prague grating on the elastic body and side coaxial circular fiber Prague grating as the gate length is less than or equal to the fiber Prague grating is embedded in the elastic body length, both ends of the fiber Prague grating stretched elastomer. The invention adopts the fiber Prague grating is arranged in a cylindrical elastic body formed by the sensor, the relationship between vertical deformation and horizontal deformation, the elastic pressure produced along the face of axial strain causing transverse strain mode to the length of the fiber Prague grating strain, the longitudinal pressure into the transverse strain, can the elastic body height for small - sensor structure.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于传感
，特别涉及一种光纤布拉格光栅传感器及光纤布拉格光栅传感装置。
技术介绍
目前的各种光纤布拉格光栅压强传感器(FBG)大多数采用一些机械增敏设计，如图1所示的菱形悬臂梁设计，通过对菱形悬臂梁施加向下的压力，使中间部位的光纤光栅拉伸变长，进而使入射波经过光纤内部的布拉格光栅反射的反射波波长发生变化，根据该波长变化确定压强大小。这种结构使得传感器的厚度较大，不利于薄型化。如直接通过纵向施压导致轴向变形的方式使得光纤光栅随外力变化呈线性变化，就需要装入各种弹性器件，将光纤设置于弹性器件上且对应受力部位横向设置，这样也无法做到超薄，难以用于特殊应用场合，如高速运行物体的正面风压测量(风洞，飞机，高铁，火箭)，高速运行的水下物体的动态压力测量(如潜艇)等。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种光纤布拉格光栅传感器，旨在解决传统该类传感器厚度较大的问题。本专利技术是这样实现的，一种光纤布拉格光栅传感器，包括圆柱状的弹性体以及光纤布拉格光栅，所述弹性体包括相互平行的两个端面以及连接于所述两个端面之间的柱状的侧面，一个所述端面用于接受压力，另一所述端面贴合于受力物体表面，所述光纤布拉格光栅嵌于所述弹性体上且形成与所述侧面同轴的圆形，所述光纤布拉格光栅的栅长小于或等于所述光纤布拉格光栅嵌于所述弹性体上的长度，所述光纤布拉格光栅的两端伸出所述弹性体。本专利技术的另一目的在于提供一种光纤布拉格光栅传感装置，包括多个所述的光纤布拉格光栅传感器，多个所述光纤布拉格光栅传感器串联。本专利技术采用在圆柱状弹性体上设置光纤布拉格光栅形成传感器，利用了纵向形变与横向形变之间的关系，采用沿着弹性体的端面施压产生轴向应变进而导致横向应变的方式使光纤布拉格光栅的长度发生应变，即将纵向的压力转换为横向的应变，这样，可以将弹性体的高度设计的较小，即采用较薄(高度远小于直径)的弹性体配置光纤布拉格光栅实现压强的检测。该光纤布拉格光栅传感器可以做的超薄，因此较适用于一些特殊环境，例如高速运行物体的正面风压测量(风洞，飞机，高铁，火箭)，高速运行的水下物体的动态压力测量(如潜艇)等。附图说明图1是本专利技术实施例提供的光纤布拉格光栅传感器的立体结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的光纤布拉格光栅传感器的横剖结构示意图；图3是本专利技术实施例提供的光纤布拉格光栅传感器的纵剖结构示意图；图4是本专利技术实施例提供的光纤布拉格光栅传感装置的线形结构示意图；图5是本专利技术实施例提供的光纤布拉格光栅传感装置的阵列结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件。还需要说明的是，本专利技术实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。请参阅附图1～3，本专利技术实施例提供一种光纤布拉格光栅传感器，包括圆柱状的弹性体10以及光纤布拉格光栅20，弹性体10包括相互平行的两个端面101以及连接于两个端面101之间的柱状的侧面102，一个端面101用于接受压力，另一端面101贴合于受力物体表面，光纤布拉格光栅20嵌于弹性体10上且形成与侧面102同轴的圆形或弧形结构201，光纤布拉格光栅20的栅长(即光栅部分2011的长度)小于或等于光纤布拉格光栅20嵌于弹性体10上的圆形或弧形结构201的长度，光纤布拉格光栅20的端部202伸出弹性体10。该光纤布拉格光栅20是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束光经过光纤布拉格光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤布拉格光栅继续传输。当布拉格光栅的栅长发生改变时，其反射波的波长会相对入射时发生偏移，因此根据该偏移量可以确定光纤布拉格光栅20的长度改变，如该长度改变是由外部压强导致的，则应存在压强与长度变化量的对应关系，根据该对应关系可以确定压强大小。本实施例采用上述光纤布拉格光栅20传感器测量外部压强，弹性材料在弹性变形范围内，受到压力时会发生形变，假设形变量为ΔL，原长度为L，协变ε＝ΔL/L，当受到纵向压力时，其纵向应变与横向应变成正比，即，材料在受到纵向应力而产生变形的同时，其横向也随之变形。横向应变εx与纵向应变εy之间存在下列关系：εx＝-νεy，公式中的ν称为泊松比。本实施例基于这个原理设计了上述薄型的压强(压力)传感器—光纤布拉格光栅传感器。具体原理如下：圆柱形的弹性体10贴设于物体表面，其一端面101与物体表面贴合，另一端面101外露，用于接受压力，当外力垂直作用在该受力端面101时，使弹性体10轴向压缩，同时根据上述关系式，其同时发生横向扩张，进而，嵌入弹性体10内部的与弹性体侧面102同轴的圆形或弧形光纤布拉格光栅20也随之发生扩张，其直径得以增大，且不同方向上的增大幅度相同，本实施例假设弹性体10在自然状态下的高度和高度的变形量分别为L和ΔL，自然状态下的直径和直径的变形量分别为D和ΔD，有ΔD＝-νΔL，光纤布拉格光栅20在自然状态下的栅长和栅长变化量分别为d和Δd，外力压强为P，光纤布拉格光栅20在自然状态下的反射波长为λ，变形后的反射波长变化量为Δλ。那么，弹性体10的周长增大了ΔDπ，那么布拉格光栅的栅长部分的协变为Δd/d＝ΔDπ/Dπ＝Δλ/λ，根据上式可知：ΔD/D＝Δλ/λ，进而ΔD＝DΔλ/λ。由于压强P＝E*(ΔL/L)，ΔL＝ΔD/ν，推出压强大小P＝E*ΔD/νL＝E*DΔλ/vLλ。其中，E为弹性体10的弹性模量，Δλ可由测量得到，E、D、λ、ν、L为预知量，这样，可以通过上述公式及反射波长的变化量确定压强的大小。本专利技术实施例采用在圆柱状弹性体10上设置光纤布拉格光栅20形成传感器，利用了纵向形变与横向形变之间的关系，采用沿着弹性体10的端面101施压产生轴向应变进而导致横向应变的方式使光纤布拉格光栅20的长度发生应变，即将纵向的压力转换为横向的应变，这样，可以将弹性体10的高度设计的较小，即采用较薄(高度远小于直径)的弹性体10配置光纤布拉格光栅20实现压强的检测。该光纤布拉格光栅20可以做的超薄，因此较适用于一些特殊环境，例如高速运行物体的正面风压测量(风洞，飞机，高铁，火箭)，高速运行的水下物体的动态压力测量(如潜艇)等。在本专利技术实施例中，可以根据不同需要，选取不同弹性模量的弹性体10。低压强用途可采用硅胶，量程0-1Mpa；中等量程可采用铍铜、尼龙，量程0-10Mpa；更大量程可使用弹性模量更大的材料如钢材。量程选择的原则是，选择在屈服强度一半以内。如紫铜的屈服强度为33.3Mpa，则选择量程不要超过15Mpa。在本实施例中，弹性体10的材料要求其泊松本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤布拉格光栅传感器，其特征在于，包括圆柱状的弹性体以及光纤布拉格光栅，所述弹性体包括相互平行的两个端面以及连接于所述两个端面之间的柱状的侧面，一个所述端面用于接受压力，另一所述端面贴合于受力物体表面，所述光纤布拉格光栅嵌于所述弹性体上且形成与所述侧面同轴的圆形，所述光纤布拉格光栅的栅长小于或等于所述光纤布拉格光栅嵌于所述弹性体上的长度，所述光纤布拉格光栅的两端伸出所述弹性体。

【技术特征摘要】
1.一种光纤布拉格光栅传感器，其特征在于，包括圆柱状的弹性体以及光纤布拉格光栅，所述弹性体包括相互平行的两个端面以及连接于所述两个端面之间的柱状的侧面，一个所述端面用于接受压力，另一所述端面贴合于受力物体表面，所述光纤布拉格光栅嵌于所述弹性体上且形成与所述侧面同轴的圆形，所述光纤布拉格光栅的栅长小于或等于所述光纤布拉格光栅嵌于所述弹性体上的长度，所述光纤布拉格光栅的两端伸出所述弹性体。2.如权利要求1所述的光纤布拉格光栅传感器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅内置于所述弹性体中，或者贴设于所述弹性体的侧面的表面且通过固化胶包覆固定。3.如权利要求1所述的光纤布拉格光栅传感器，其特征在于，所述侧面开设有与所述侧面同轴的环槽，所述光纤布拉格光栅设置于所述环槽内且由胶体密封。4.如权利要求1所述的光纤布拉格光栅传感器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅伸出所述弹性体的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴仁，
申请(专利权)人：深圳市顺利普科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44