本发明专利技术公开一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，包括：在线性啁啾光纤光栅栅区位置进行封装，使用金属中空套管，并在内部填充弹性材料，在光栅栅区的任意位置封装石英套环，石英套环的外径与金属外壳内径相等，石英套环内径与啁啾光纤光栅直径相等，构成内部没有缝隙的完整传感器封装。本发明专利技术采用了小线度的横向压力传感方式，光纤光栅受力区域的双折射现象十分明显，灵敏度有很大提升。通过测量经过传感调制的激光偏振特性的方式，其读取的测量数据和压力的传感公式为线性关系，简化了测量物理量的解调方式，解决了传统传感光谱波长等特性的变化灵敏度问题。
A Linearly Chirped Fiber Bragg Grating Type Point Transverse Stress Sensor and Its Packaging Scheme
【技术实现步骤摘要】
一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案
本专利技术属于光纤光栅传感器领域，尤其涉及一种线性啁啾光纤光栅利用特殊封装方式，以实现更加简易和高灵敏度的横向压力测量，具体为一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案。
技术介绍
光纤光栅横向应力传感中，灵敏度问题是影响其应用和技术进步的重要问题之一。光纤圆柱体横向受压会导致横截面互相垂直的两个方向上产生折射率不均匀变化，从而引起双折射现象，并进一步导致激光信号受到双折射调制后产生相位变化。通过相位变化测量，即可反推受压大小。由此测量偏振特性即成为了重要的可行方案之一。针对光纤光栅横向受压条件下导致的双折射现象并不明显问题，在同等受力条件下，采用减小受力区域以增大微小受力区域内应力的方法，可以实现对传感的增敏。另一方面开展小线度横向应力对光纤光栅影响的特性讨论和研究，结合全栅区受力条件的分析方法，完善小线度横向受力分析的理论推导完善，可以提供小线度横向应力传感的解决方案。本专利技术基于啁啾光纤光栅局部微小尺寸的受压条件，结合弹性力学的应力和形变分析，计算受压区域尺寸的展宽，以及展宽导致的相移，并计算出啁啾光纤光栅的光谱中局部受压产生透射峰的谱线图。由于受压区域同时产生的双折射现象，会使透射峰发生双折射展宽或分裂，结合测量PDL或斯托克斯参量等偏振参量的方式可以精确传感计算反推出横向应力的大小。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，利用小线度区域受压的特殊封装方式，结合啁啾光纤光栅小线度横向应力受压偏振特性，实现更加简易和高灵敏度的横向压力测量。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，在线性啁啾光纤光栅栅区位置进行封装，使用金属中空套管，并在内部填充弹性材料，在光栅栅区的任意位置封装石英套环，石英套环的外径与金属中空套管内径相等，石英套环内径与线性啁啾光纤光栅直径相等，构成内部没有缝隙的完整传感器封装。优选地，传感器封装中，线性啁啾光纤光栅的一端与激光光源连接，另一端与偏振特性测量仪相连。优选地，激光光源发出符合啁啾光纤光栅带宽的宽带光源，经过传感器调制后，由偏振特性测量仪测量偏振特性数据。优选地，偏振特性测量仪包括：偏振相关损耗PDL测量仪、斯托克斯参量测量仪。优选地，对于横向应力传感，金属中空套管作为受力区域，将受力传递到内部弹性材料与石英套环，石英套环将力直接传递到线性啁啾光纤光栅栅区位置。优选地，内部弹性材料，用于对内部线性啁啾光纤光栅起到保护作用；石英套环，选用与线性啁啾光纤光栅相同弹性系数的材料，通过等效为小线度受力区域进行受力传感。啁啾光纤光栅局部小线度区域受到压力，对内部传输激光进行传感调制，其变化由偏振特性测量仪测量和分析。优选地，封装金属中空套管高度为L，受横向压力为F，石英套环的高度为l，传递到石英套环的压力为石英套环与其所接触的啁啾光纤光栅长度为l的栅区组成嵌套模型，并且由于弹性系数相同所以等效为一个整体，该模型等效于侧面受压力的等效圆柱体模型。优选地，金属外壳将压力F传递到石英套环变化为等效为嵌套等效圆柱体模型受到的横向压力，将在受力模型内部产生应力，受应力影响啁啾光纤光栅纤芯的折射率发生各向异性改变，根据模耦合理论计算出透射端偏振相关损耗fPDL_T计算公式：优选地，啁啾光纤光栅受到局部横向压力时，横向压力导致的相移等效于一个相移啁啾光纤光栅，相移点的位置与受压位置对应；并且在受压区域，由于压力导致折射率的改变，受压段光纤光栅进一步等效为一个双折射相移啁啾光纤光栅，建立双折射相移啁啾光纤光栅矩阵模型；啁啾光纤光栅在局部横向压力条件下，传输过程表示为：矩阵传输模型公式中：由于受压区域的尺寸远小于整个光纤光栅的尺寸，所以受压区域轴向展宽导致的相移特性，等效为位于受压区域中心的相移点，其传输矩阵为相移点两边是由于折射率变化导致的双折射传输矩阵，其传输矩阵分别为Fdl1和Fdl2，在受压区域之外，左右两边的啁啾光纤光栅传输矩阵为FL1和FL2。优选地，在压力限度范围内测量，偏振特性测量仪读取数据P为：P＝KF其中P为偏振特性测量仪所测量得到的数据，即偏振相关损耗PDL或者斯托克斯参量s1的值，F为施加在传感器上的压力大小，K为特定常数。其中，K的值随着石英套环的高度l以及与啁啾光纤光栅栅区的接触位置而改变，采用不同的测量值，K的值也会不同，所以K值应当对每一个封装成品作预测量。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术利用啁啾光纤光栅在小线度横向受力下的偏振特性进行横向压力传感测量，通过特殊的封装方式，保护了光纤光栅的强度的同时，将封装外壳受到的压力通过石英套环传递至内部光纤光栅的小线度区域进行传感测量。(2)本专利技术采用了点式小线度的横向压力传感方式，光纤光栅受力区域的双折射现象十分明显，灵敏度有很大提升。(3)本专利技术通过测量经过传感调制的激光偏振特性的方式，使得测量的数据和压力的传感公式为线性关系，简化了测量物理量的解调方式，解决了传统传感光谱波长等特性的变化灵敏度问题。(4)本专利技术的石英套管可以改成采用具有不同弹性系数的材料，将传递至啁啾光纤光栅局部栅区的压力调制更大或更小，以适应不同的应用环境。附图说明图1是根据实施例的本专利技术线性啁啾光纤光栅封装结构示意图。图2是根据实施例的本专利技术传感器与光源和偏振特性测量仪组成的传感系统示意图。图3是根据实施例的等效圆柱体受力模型示意图。图4是根据实施例的圆柱体圆形截面受力分解示意图。图5是根据实施例的双折射相移啁啾光纤光栅矩阵模型示意图。图中：1、啁啾光纤光栅；2、金属中空套管；3、弹性填充材料；4、石英套环；5、激光光源；6、偏振特性测量仪；7、等效圆柱体受力模型；8、圆柱体圆形截面受力分解模型；9、双折射相移啁啾光纤光栅矩阵模型。具体实施方式下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，在线性啁啾光纤光栅栅区位置进行封装，使用金属中空套管，并在内部填充弹性材料，在光栅栅区的任意位置封装石英套环，石英套环的外径与金属中空套管内径相等，石英套环内径与线性啁啾光纤光栅直径相等，构成内部没有缝隙的完整传感器封装。本专利技术提供一种啁啾光纤光栅利用小线度区域受压的特殊封装方式，结合啁啾光纤光栅小线度横向应力受压偏振特性，实现更加简易和高灵敏度的横向压力测量。本专利技术的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案包括传感器封装材料要求、结构设计与模型分析以及外部待测物理量分析两部分。如图1所示，一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案包括：啁啾光纤光栅、金属中空套管、弹性填充材料和石英套环，由所述的各物品组合封装而成传感器，如图2所示，即为封装后的组合体。如图2所示，传感器中线性啁啾光纤光栅的一端与激光光源连接，另一端与偏振特性测量仪相连。通过接入激光光源，经过传感器调制后，由接入的偏振特性测量仪读取待测本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，在线性啁啾光纤光栅(1)栅区位置进行封装，使用金属中空套管(2)，并在内部填充弹性材料(3)，在光栅栅区的任意位置封装石英套环(4)，石英套环(4)的外径与金属中空套管(2)内径相等，石英套环(4)内径与线性啁啾光纤光栅(1)直径相等，构成内部没有缝隙的完整传感器封装。
【技术特征摘要】
1.一种线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，在线性啁啾光纤光栅(1)栅区位置进行封装，使用金属中空套管(2)，并在内部填充弹性材料(3)，在光栅栅区的任意位置封装石英套环(4)，石英套环(4)的外径与金属中空套管(2)内径相等，石英套环(4)内径与线性啁啾光纤光栅(1)直径相等，构成内部没有缝隙的完整传感器封装。2.根据权利要求1所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，传感器封装中，线性啁啾光纤光栅(1)的一端与激光光源(5)连接，另一端与偏振特性测量仪(6)相连。3.根据权利要求2所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，激光光源(5)发出符合啁啾光纤光栅带宽的宽带光源，经过传感器调制后，由偏振特性测量仪(6)测量偏振特性数据。4.根据权利要求2或3中任一项所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，偏振特性测量仪(6)包括：偏振相关损耗PDL测量仪、斯托克斯参量测量仪。5.根据权利要求1所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，对于横向应力传感，金属中空套管(2)作为受力区域，将受力传递到内部弹性材料(3)与石英套环(4)，石英套环(4)将力直接传递到线性啁啾光纤光栅(1)栅区位置。6.根据权利要求5所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，内部弹性材料(3)，用于对内部线性啁啾光纤光栅(1)起到保护作用；石英套环(4)，选用与线性啁啾光纤光栅(1)相同弹性系数的材料，通过等效为小线度受力区域进行受力传感。7.根据权利要求6所述的线性啁啾光纤光栅型点式横向应力传感器及封装方案，其特征在于，封装金属中空套管(2)高度为L，受横向压...
【专利技术属性】
技术研发人员：涂兴华，葛春阳，刁俊辉，赵宜超，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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