光纤应变传感器及其制作方法技术

一种光纤（７）在不同的应变条件下显示不同的传输特性，并可有Ｓ形微弯。为了制作这种光纤，光纤在其纵向的小范围内局部加热，然后加热区域两边的光纤部分（１）在横向于光纤纵向的方向上相互移开。这可在普通的光纤熔接机上实现。另外也可用激光器作为加热源，这特别适合于加工有纵腔的光纤，以得到相似的传输特性。用这种方法制作的光纤适用于传感器，例如应变测量计。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤应变传感器，特别是其制作方法。
技术介绍
用于测量各种机械量的光学传感器具有不受电子干扰的影响这一明显的优点。基于光学元件，特别是不同类型光纤的应变传感器或测量计，适合于在最易变化的环境中作测量。派生机械量，如压力、温度、填充量级和其它类似量，也能用这些传感器测量。对含有设计合理的光纤的应变传感器，信号还能通过光纤本身的一部分从测量处传输到监测设备，和电信号传输相比，光信号受干扰的影响更小。现有技术在授予Jonathan D.weiss的专利US-A5,132,529和文章Fiber-Optic Strain Gauge(Jonathan D.Weiss，Journal of LightwaveTechnology，Vol.7，No.9，September 1989，p1308)中，公开了一种光纤应变传感器，它有两端19a和19b(标号参照该专利)刚性地固定在基底上，和没有被固定且有微弯的部分16。光纤的一端连接到光源13，其另一端连接到光探测器15。另外，光纤也可一端既连到光源又连到探测器上，而另一端装上反射镜。另外还提出一种方法和设备用来在光纤中产生微弯(图2和图3)。这种方法包括把光纤放在两块具有“成形脊”39的电热板29a和29b之间，在两块板相互压合后，于是形成定型的微弯。光纤材料优选使用具有光学性质的塑料，也可用具有光学性质的商品化玻璃纤维或其他普通光纤。专利技术概述本专利技术的一个目的是提供简单的方法，比如使用一般设备，用市场上可买到的光纤来制作光纤应变传感器和测量计。本专利技术的另一个目的是提供光纤应变传感器和测量计，它们能通过简单方法和使用一般设备，用市场上可买到的光纤来制作。这些目的由本专利技术达到，其特征在所附权利要求中陈述。为了在准备用作应变传感器的光纤中产生定型的微弯，光纤首先被刚性地固定在光纤接合器的两个夹具中，两个夹具没有相互对准，在光纤的截面上通过光纤焊接机的电弧或激光将其局部加热之后，定型的微弯在光纤的加热部位形成。也可在加热过程中移动两个夹具到不对准的位置，这时夹具在开始时是对准的。在有纵腔的光纤的纤芯产生微弯的方法中，通过对光纤局部加热，纵向的孔闭合，腔的闭合导致了折射率的变化，在大多数情况下也导致纤芯的微弯。一般说来，所制作的光纤在不同的应变条件下对光纤中的传播光具有不同的传输特性。光纤中有一区域，当它受到机械应力的作用，特别是拉应力、压应力或弯应力，在纤芯附近的折射率就会产生局部扰动或局部变化。在优选方案中这一区域可包括光纤纤芯的微弯。在这一区域的制作中，光纤在小范围内局部被加热，该范围在光纤纵向上的延伸区不超过几倍光纤直径，例如对石英玻璃标准单模光纤来说，要小于5倍光纤直径。在对光纤局部加热时，可用普通光纤焊接机产生的电弧，或者另外用具有适当高能的激光束。这样，分别受到电弧或激光束影响的区域延伸到光纤整个厚度部分，以及光纤外围和内部。另外，光纤受热区域的两边部分在横向相互移开，即在基本上垂直于光纤纵向的方向上移开。于是形成光纤纤芯的S形微弯。另外，可以局部加热有纵腔的光纤，结果光纤中的腔收缩，在纤芯附近产生机械应力。这些应力引起加热区域及其附近区域的折射率产生变化，从而影响光纤的传输特性。附图简述本专利技术将参照没有限制意味的实施方案和附图得到详细说明，在附图中附图说明图1a和图1b简要表示说明通过普通自动光纤焊接机产生微弯的过程，图2简要表示普通光纤中形成的微弯，图3简要表示双芯光纤中形成的微弯，图4简要表示如何在有纵腔的光纤中形成微弯，图5简要表示其中纤芯有微弯的有纵腔的光纤，图6简要表示固定在基底上的光纤应变传感器，其应变将被测量，图7是简要表示具有微弯的光纤，该光纤通过相同的光纤段来测量两个不同物体的应变。专利技术详述图1a从侧面或顶面示意画出普通光纤接合器1的中心部分。它含有固定在支座3上的平台或夹具2，支座3可通过未画出的机械结构和传动设备在一般是相互垂直的三个坐标方向移动。另外还有连接到电源(未画出)上的两个电极5，用来在两个电极5的尖端间产生电弧6。电弧6经过两个夹具2之间的中心区域，在一般情况下用来加热准备熔接到一起的两根光纤的顶端。为了制作应变传感器，一根普通光纤7，如石英玻璃光纤，被放在两个夹具2中，这样光纤经过夹具2之间的空间，并穿过两个电极5尖端间的区域，该区域有电弧6产生。夹具2一般含有标号8所指的导管，用于容纳需熔接或仅仅是加热的光纤。在这里所讨论的方法中，两个夹具开始可以相对放置并相互对准，因此光纤7从一个夹具到另一个夹具基本上没有任何弯曲。然后在两个电极5的尖端间产生电弧，并加热位于两个夹具正面或端面之间中心位置的光纤7的一个区域。这一区域相当有限，从光纤纵向看，对标准单模光纤最多可有5倍光纤直径。加热在整个光纤7的外围产生，并迅速深入到光纤7的内部。当加热足够时，光纤7中被局部加热区域的玻璃变得柔软或半熔化到适当程度，两个支座3相互横向地移动一段距离d，于是两个夹具2也相互横向地移动相同距离d。由于光纤7未加热的自由部分具有刚性，而加热部分是柔软的，所以光纤7会产生S形的弯曲，如图2所示。在光纤被加热和支座3相互移动后，断开电极5的电流，电弧因而消失。于是光纤7产生定型的弯曲，形状如图2所示。这种制作方法的另一优选替代方法如图1b所示。两个夹具2的导管8开始就由对准位置移开距离d，然后光纤7固定在导管8中，使光纤从一个夹具伸向另一个夹具。光纤在两个夹具2端面之间的区域产生轻微弯曲。然后对电极5施加合适的高电压，以与上述相同的方式产生电弧。于是与上相同，光纤7的一段区域被局部加热，并变得软且可塑。由于光纤7未加热部分的弹性，加热区域4和两个夹具2端面之间的光纤部分10，为了分别与在各自夹具2中的相邻光纤部分对准而被拉直。因此加热区域4的材料弯成与图2所示相同的S形。图2所示光纤7所产生的微弯的特征是，由于弯曲部分包括两段弧形或曲线段形成S形，光纤7在加热区域外的部分基本上相互平行，只是横向移动大约距离d。光纤7的纤芯9和包层11的表面基本上具有相同的形状。在根据图2的微弯的制作中，如上所述，光纤在一段区域被加热，该区域在纵向的长度相当于几倍光纤7的包层直径，例如长于光径直径而短于大约5倍光纤直径。光纤的平行移动距离d的大小约为一倍、最多几倍光纤直径。例如小于三倍光纤直径，在优选方案中小于一倍光纤直径，在0.5倍到1倍光纤直径之间。双芯光纤包括两条平行的纤芯，两纤芯相互靠近延伸并由同一包层围绕。如果纤芯具有相同的几何形状并相互靠近，光就可在两条纤芯之间耦合。这种光纤可用与图2所示光纤相同的方法来弯曲，如图3所示。这里，弯曲产生在相对于经过两条纤芯9’的平面合适的方向上。弯曲可方便地产生，使得两条纤芯9’在弯曲后能在同一平面上延伸。这样两条纤芯的光学性质发生变化，两条纤芯间的光耦合也相应发生变化。以上所述在光纤中产生微弯的方法也可用于其他光纤，例如有纵腔的光纤7’。这种光纤如图5所示，该光纤含有在光纤包层11中平行于纤芯9延伸的纵腔13。为了产生有纵腔的光纤7’的微弯，可用如图4所示的设备。这里使用二氧化碳激光器产生光束17，来局部加热有纵腔的光纤7’。当光纤7’的包层中围绕腔17的材料被局部加热时，它会收缩，在加热区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制作光纤的方法，该光纤在不同的应变条件下具有不同的传输特性，特别是有一段区域，当该区域受到机械应力的作用，特别是张应力、压应力或弯应力，纤芯附近的折射率会产生局部扰动或局部变化，特别是在有微弯的区域，其特征在于光纤在小范围内局部加热，该范围在光纤纵向上的延伸区最多有几倍光纤直径，特别是该延伸区小于５倍光纤直径。２．根据权利要求１的方法，其特征在于在局部加热时，光纤的整个厚度和外围的区域被加热。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：G波拉克，MCJ卡尔，
申请(专利权)人：艾利森电话股份有限公司，
类型：发明
国别省市：SE[瑞典]