温度不敏感的光纤二维倾角传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种温度不敏感的光纤二维倾角传感器，所述传感器包括一个陶瓷插芯、四个单模光纤和两个光纤光栅；四个单模光纤竖直贯穿插入一个陶瓷插芯中，并且使四个单模光纤的横截面呈正方形分布；四个单模光纤中其中两个相邻的光纤纤芯中分别写入光纤光栅，即两个光纤光栅的位置分别位于四个单模光纤所组成光纤束的两个正交平面上；每个光纤光栅的一部分位于陶瓷插芯内部，另一部分位于陶瓷插芯外部且位于陶瓷插芯内外光纤光栅的长度相等。克服现有技术的不足，解决了现有倾角传感器在传感过程中容易受到温度变化对传感结果引起的误差，并且在仅用两个FBG的前提下，实现了二维倾角传感。

【技术实现步骤摘要】
温度不敏感的光纤二维倾角传感器
本专利技术涉及土木工程以及结构安全监测
，具体涉及一种温度不敏感的光纤二维倾角传感器。
技术介绍
倾角传感器是土木工程以及结构安全监测的一个重要部分，它被广泛应用于桥梁倾斜监测、边坡监测、大坝滑坡监测等领域。其中光纤倾角传感器凭借着其固有的抗电磁干扰强，灵敏度高，体积小，易于复用等优势广受研究人员的青睐。RYang，等人提出一种基于摆锤结构的光纤二维倾角传感器，该传感器通过讲两个FBG粘贴在由两种不同材料组成摆锤臂的交界处，并使得两个FBG处于两个正交平面。当传感器倾斜时，组成摆锤臂的两种材料将会产生不同的应变，导致FBG的反射谱分裂，通过测量FBG反射谱两个分裂峰之间的间距，实现二维温度不敏感的倾角传感。不过该传感器体积较大并且通过粘胶传递摆锤的应变，因此会受到粘胶老化对传感精度造成的误差。(RYang,HBao,SZhang,etal.Simultaneousmeasurementoftiltangleandtemperaturewithpendulum-basedfiberBragggratingsensor[J].IEEESensorsJournal,2015,15(11):6381-6384.)。此外，DZheng等人通过在一个陶瓷插芯中放入一个带有FBG的偏芯光纤，通过对比陶瓷插芯内外部分FBG的波长漂移，实现一维温度不敏感的倾角传感。该传感器只能实现一维倾角传感，并且需要偏芯光纤与普通单模光纤熔接来传递光信号，增加了设备的复杂程度。(DZheng,ZCai,IFloris,etal.Temperature-insensitiveopticaltiltsensorbasedonasingleeccentric-corefiberBragggrating[J].OpticsLetters,2019,44(22):5570-5573.)。然而现有的倾角传感器仍存在一些不足，例如无法实现消除温度变化对倾角传感误差的影响，无法实现二维倾角同时测量，传感器体积大，结构复杂等缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种温度不敏感的光纤二维倾角传感器，克服现有技术的不足，解决了现有倾角传感器在传感过程中容易受到温度变化对传感结果引起的误差，并且在仅用两个FBG的前提下，实现了二维倾角传感。本专利技术所采用的技术方案为：温度不敏感的光纤二维倾角传感器，其特征在于：所述传感器包括一个陶瓷插芯、四个单模光纤和两个光纤光栅；四个单模光纤竖直贯穿插入一个陶瓷插芯中，并且使四个单模光纤的横截面呈正方形分布；四个单模光纤中其中两个相邻的光纤纤芯中分别写入光纤光栅，即两个光纤光栅的位置分别位于四个单模光纤所组成光纤束的两个正交平面上；每个光纤光栅的一部分位于陶瓷插芯内部，另一部分位于陶瓷插芯外部且位于陶瓷插芯内外光纤光栅的长度相等。陶瓷插芯底部与单模光纤接触部分采用环氧树脂或焊锡密封。陶瓷插芯底部至单模光纤尾端均匀涂抹有UV胶，UV胶固化令4个单模光纤形成一束光纤束。光纤束尾端滴有环氧树脂，环氧树脂固化形成的小球作为底部荷载。单模光纤的包层直径为125μm，陶瓷插芯的内径为350±10μm。光纤光栅的反射率为30±5％，长度为2±1cm。温度不敏感的光纤二维倾角传感器的使用方法，其特征在于：所述方法为：当传感器倾斜时，位于陶瓷插芯外部的光纤光栅将受到倾斜时小球荷载引入的轴向应变和温度变化共同的影响使其反射谱的布拉格中心波长产生漂移，而位于陶瓷插芯内部光纤光栅的中心波长将仅受到温度变化的影响；因此，在倾斜时位于陶瓷插芯内外两侧的FBG纤芯折射率和光栅周期将会产生不同的变化，从而两个光纤光栅等效成四个子光纤光栅；由于等效形成的光纤光栅其实是同一个FBG，其制作参数相同，对温度的响应灵敏度也相同，因此可以用陶瓷插芯内部光纤光栅的波长漂移来补偿陶瓷插芯外部光纤光栅由于温度变化引起的波长漂移，则可以通过测量倾斜时光纤光栅反射谱分裂波长的间距，实现温度不敏感的倾角传感。两个光纤光栅分别写入两个正交排列的单模光纤上，在沿其中一个方向倾斜时，另外一个单模光纤将始终处于光纤束的中性轴上，其反射谱不会受到倾斜时产生的应变影响，该传感器可同时测量两个维度的倾斜角度。本专利技术具有以下优点：本专利技术利用传感器倾斜时，小球荷载将对光纤引入轴向应变，而位于陶瓷插芯内外两侧的光纤光栅由于受到的轴向应变不同，因此其布拉格反射光谱将产生分裂。通过测量两个FBG反射谱分裂波长的间距，消除了传统倾角传感器解调时因温度变化带来的误差，实现二维温度无关的倾斜角度测量。此专利技术在仅仅使用两个FBG的情况下，实现了二维温度不敏感的倾角测量。有效的节约了制造成本，并且体积小重量轻，克服了传统光纤倾角传感器固有的应变、温度串扰所引起的测量误差以及无法实现二维倾斜角度同时测量的不足。附图说明图1为本专利技术一种温度不敏感的二维光纤倾角传感器结构示意图；图2为本专利技术一种温度不敏感的二维光纤倾角传感器陶瓷插芯内部截面示意图；图3为本专利技术一种温度不敏感的二维光纤倾角传感器的Bragg光栅反射光谱示意图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细的说明。本专利技术的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系均为基础附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有的特定方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。对任何物件的编号仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本专利技术描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，属于“隔离”、“插入”、“固定”、“粘贴”应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解以上术语在本专利技术中的具体含义。此外，下面所述的本专利技术不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。本专利技术涉及一种温度不敏感的光纤二维倾角传感器，四个普通单模光纤竖直插入陶瓷插芯中，并且使四个单模光纤的截面在陶瓷插芯中呈正方形排列；最后使用环氧树脂密封住陶瓷插芯底部与光纤接触部分，以阻隔应变传递，并且利用粘胶自陶瓷插芯底部至荷载方向将四个光纤黏贴成一个光纤束。两个光纤光栅(光纤布拉格光栅，FiberBraggGratings，FBGs)分别写入两个光纤相同位置高度处，使插入陶瓷插芯后形成的光纤束上的两个FBG在同一位置处；两个FBG都分别位穿过陶瓷插芯，并且确保每个FBG分别位于陶瓷插芯内外两侧；两个FBG分别写入两个正交位置的光纤中，即4个光纤任意两个相邻光纤上；最后用粘胶把四个光纤粘贴成一个光纤束，以确保该光纤束可以同时测量两个维度的倾斜角度。当传感器倾斜时，位于陶瓷插芯外部的FBG将受到倾斜时小球荷载引入的轴向应变和温度变化共同的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.温度不敏感的光纤二维倾角传感器，其特征在于：/n所述传感器包括一个陶瓷插芯、四个单模光纤和两个光纤光栅；/n四个单模光纤竖直贯穿插入一个陶瓷插芯中，并且使四个单模光纤的横截面呈正方形分布；/n四个单模光纤中其中两个相邻的光纤纤芯中分别写入光纤光栅，即两个光纤光栅的位置分别位于四个单模光纤所组成光纤束的两个正交平面上；每个光纤光栅的一部分位于陶瓷插芯内部，另一部分位于陶瓷插芯外部且位于陶瓷插芯内外光纤光栅的长度相等。/n

【技术特征摘要】
1.温度不敏感的光纤二维倾角传感器，其特征在于：
所述传感器包括一个陶瓷插芯、四个单模光纤和两个光纤光栅；
四个单模光纤竖直贯穿插入一个陶瓷插芯中，并且使四个单模光纤的横截面呈正方形分布；
四个单模光纤中其中两个相邻的光纤纤芯中分别写入光纤光栅，即两个光纤光栅的位置分别位于四个单模光纤所组成光纤束的两个正交平面上；每个光纤光栅的一部分位于陶瓷插芯内部，另一部分位于陶瓷插芯外部且位于陶瓷插芯内外光纤光栅的长度相等。


2.根据权利要求1所述的温度不敏感的光纤二维倾角传感器，其特征在于：
陶瓷插芯底部与单模光纤接触部分采用环氧树脂或焊锡密封。


3.根据权利要求2所述的温度不敏感的光纤二维倾角传感器，其特征在于：
陶瓷插芯底部至单模光纤尾端均匀涂抹有UV胶，UV胶固化令4个单模光纤形成一束光纤束。


4.根据权利要求3所述的温度不敏感的光纤二维倾角传感器，其特征在于：
光纤束尾端滴有环氧树脂，环氧树脂固化形成的小球作为底部荷载。


5.根据权利要求4所述的温度不敏感的光纤二维倾角传感器，其特征在于：
单模光纤的包层直径为125μm，陶瓷插芯的内径为350±10μm。

【专利技术属性】
技术研发人员：刘卓丹，
申请(专利权)人：中铁第一勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61