同时检测应变与温变的光纤传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种同时检测应变与温变的光纤传感器，包括：一个光纤，光纤上设置有相隔预定距离的第一布拉格微栅部和第二布拉格微栅部，第一布拉格微栅部的波长和第二布拉格微栅部的波长之间具有一波长差；一个弹性梁，包括测温光纤承载区、测应变光纤承载区以及位于测温光纤承载区和测应变光纤承载区之间的弹性伸缩区，光纤的第一布拉格微栅部呈自由态的设置在测温光纤承载区上，位于第一布拉格微栅部与第二布拉格微栅部之间的光纤连续的固定在弹性伸缩区和测应变光纤承载区上。本发明专利技术的光纤传感器不仅能进行温度和应力传感检测，而且制备工艺简单，成本低，机械强度好，工作稳定可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光纤传感器件，特别是一种同时测量温度变化和应力变化双参数的光纤传感器。
技术介绍
光纤传感器是光纤传感器中引人注目和十分重要的一类传感器件，使用光纤传感器可对钢结构/混凝土结构的应力和温度变化进行测量。同时由于光纤传感器采用光信号进行检测和传输，因此可以通过波分复用的技术实现任意规模的组网，从而进行大范围监控测量，因此该技术在测量、控制
中，特别是在建筑、石油、采矿、化工、电力、交通等产业中得到了广泛的应用。光纤微栅的基本原理在光纤纤芯内形成空间相位微栅，通常为布拉格微栅 (Bragg微栅)，由于布拉格微栅的布拉格波长和波形同它所处环境的参数，如温度、应力有着密切的关系，当该微栅所在的区域的温度或应力发生改变时，该光纤的波长会发生相应的变化，通过对上述光纤微栅波长的变化情况监测，即可获得传感器安装所在区域的温度和应力变的变化情况。其检测方法是采用所谓波长编码，即以光纤微栅峰值波长作为传感变量。但是由于光纤微栅对温度和应变同时敏感，即温度和应力变化会同时引起光纤微栅峰值波长的变化，这样通过检测单一光纤微栅峰值波长的变化是无法区分温度和应力这二个参量的。这种交叉敏感效应严重影响着光纤微栅在传感技术中的应用。为了克服这种效应，人们已提出了几种解决方案，实现同时测量温度和应力的变化。1994年M. GXu等人在《Electronics Letters》刊物第30 (13)卷，第1085页发表了一种解决方案，采用在光纤同一位置写入两个布拉格波长相差很大G50nm)的重叠短周期微栅，通过这两种微栅峰值波长的变化对温度和应力具有不同的响应，以此测定温度和应力。 这种方案的缺点在于在同一位置写入两个布拉格波长的复合光纤微栅的制备工艺复杂，复合光纤微栅制备费用高，测量中需用两套宽带光源，两套光谱解调设备，整个系统的成本尚。1996 年 James. S. W 等人在《Electronics Letters》刊物第 32 (12)卷，第 1133 页提出另一种方法，该方法是将两段不同种类的光纤熔接，而后在熔接处写入微栅，利用其相同周期而不同本底折射率，产生二个分离的布拉格衍射峰。这种方法的缺点是熔接质量的好坏将影响传感器的寿命，而且两段不同种类光纤的芯径不同，会引入耦合损耗(实测为 2dB)。1998 年 Yu Lung Lo 在《Optical Engineering))刊物第 37 (8)卷，第 2272 页提出又一种方法，该方法是将一根常规短周期光纤微栅先加应力拉伸，将其一部分粘固在样品上，而后撤掉外加应力，利用粘在样品上的微栅的周期大于自由部分的周期，产生两个不同的布拉格衍射峰，通过其对温度和应力的响应差异，达到同时测量温度和应变的目的。虽然此方法比较简单，但作为实际应用，应力的测量范围会受到限制，同时对波长的解调技术要求很高，另外，这样处理后的拉伸段光纤的芯径比自由部分的要小，影响光纤的机械强度。以上缺陷制约了光纤传感器在产业中的应用。此外，由于光纤传感器比较脆弱，因此光纤传感器的封装技术十分关键。在现有技术中，光纤传感器大都使用环氧树脂胶封装。但是，环氧树脂胶具有如下的缺陷(1)不增韧时，固化物一般偏脆，抗剥离、抗冲击性能差；(2)对极性小的材料(例如，聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等)粘接力小，必须进行表面活化处理；(3)某些原材料如活性稀释剂、固化剂等具有不同程度的毒性和刺激性；(4)环氧树脂胶在高温或高湿度环境下易失效或性能变差 (例如粘接力变小)，这会引起传感器本身的波长蠕变，从而干扰对实际被测物体的应变变化的判断。所以，现有技术中以环氧树脂胶封装的光纤传感器具有难以克服的耐久性问题，使用寿命一般不超过2年。鉴于以上现有技术的种种不足，本专利技术提供一种制作工艺简单，可同时测量温度和应力的变化的光纤传感器。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种光纤传感器， 它不仅能进行温度和应力传感检测，而且制备工艺简单，成本低，工作稳定可靠。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是提供一种光纤传感器，包括一个光纤，光纤上设置有相隔预定距离的第一布拉格微栅部和第二布拉格微栅部，第一布拉格微栅部的波长和第二布拉格微栅部的波长之间具有一波长差；一个弹性梁，包括测温光纤承载区、测应变光纤承载区以及位于测温光纤承载区和测应变光纤承载区之间的弹性伸缩区，光纤的第一布拉格微栅部呈自由态的设置在测温光纤承载区上，位于第一布拉格微栅部与第二布拉格微栅部之间的光纤连续的固定在弹性伸缩区和测应变光纤承载区上；弹性梁设置在被测物体上，由于被测物体形变导致弹性梁向轴向收缩或伸长，轴向应变力引起第二布拉格微栅部的波长发生变化，第二布拉格微栅部的波长的变化指示轴向应变力的变化；被测物体的环境温度变化引起第一布拉格微栅部的波长发生变化，第一布拉格微栅部的波长的变化指示被测物体的环境温度变化。根据本专利技术的优选实施例，弹性梁为金属弹性梁，金属弹性梁沿着其轴向设置有一个凹槽，凹槽贯穿测温光纤承载区、测应变光纤承载区和弹性伸缩区，光纤容纳在凹槽中。根据本专利技术的优选实施例，弹性伸缩区包括一个蛇形弹簧区，蛇形弹簧区响应轴向应变力作轴向压缩或拉伸。根据本专利技术的优选实施例，弹性梁进一步包括一个位于一端的固定部，光纤传感器进一步包括第一套管，第一套管的外径小于固定部的外径，第一套管的内径略大于弹性梁的测温光纤承载区、弹性伸缩区、测应变光纤承载区的外径，第一套管环绕紧贴套在弹性梁的测温光纤承载区、弹性伸缩区以及测应变光纤承载区的外周。根据本专利技术的优选实施例，弹性梁进一步包括一个设置在弹性梁另一端的螺纹区，螺纹区邻近测应变光纤承载区，螺纹区的外壁设置有外螺纹。根据本专利技术的优选实施例，光纤传感器进一步包括一个第二套管，第二套管的长度短于螺纹区的轴向长度，第二套管的内壁设置有内螺纹，该内螺纹与螺纹区的外螺纹相互匹配旋接，第二套管环绕紧贴套在螺纹区上，且与第一套管相距一预定距离，以固定弹性梁的另一端。根据本专利技术的优选实施例，光纤传感器进一步包括一个紧固螺母，紧固螺母设置在第一套管与第二套管之间的螺纹区上，紧固螺母通过螺纹旋接压迫第一套管，使其与弹性梁的固定部相抵触。根据本专利技术的优选实施例，光纤传感器进一步包括一个调节螺母，调节螺母沿螺纹区的轴向两侧旋进，在紧固螺母与第二套管相对于螺纹区固定的情况下，当调节螺母向紧固螺母方向旋进时，弹性梁受螺纹区轴向的拉力向外伸长，当调节螺母向第二套管方向旋进时，弹性梁受螺纹区轴向的压力向内收缩，调节螺母以此对弹性梁的轴向应力进行调节。根据本专利技术的优选实施例，光纤传感器进一步包括二个安装底座，弹性梁的两端分别刚性连接固定在二安装底座上，安装底座用于固定在被测物体上。根据本专利技术的优选实施例，光纤传感器进一步包括二个堵头，堵头为具有通孔的套管，堵头设置在弹性梁的两侧端部，用于容纳固定光纤的两侧的光纤头。本专利技术的有益效果是第一，本专利技术提供的光纤传感器不仅能进行温度和应力传感检测，而且加工工艺简单，成本低，工作稳定可靠。第二，本专利技术提供的光纤传感器具有弹性梁组件，弹性梁组件上设置有弹性伸缩区，可以感测小范围值的应力变化，增强了光纤传感器的测量灵敏度。附图说明图1是本专利技术光纤传感器实施例的结本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种光纤传感器，其特征在于，包括：光纤，所述光纤上设置有轴向相隔预定距离的第一布拉格微栅部和第二布拉格微栅部，所述第一布拉格微栅部的波长和第二布拉格微栅部的波长之间具有一波长差；弹性梁，包括测温光纤承载区、测应变光纤承载区以及位于所述测温光纤承载区和所述测应变光纤承载区之间的弹性伸缩区，所述光纤的第一布拉格微栅部呈自由态地设置在所述测温光纤承载区上，所述光纤的第二布拉格微栅部连续地固定在所述测应变光纤承载区上，位于所述第一布拉格微栅部与所述第二布拉格微栅部之间的所述光纤连续地固定在所述弹性伸缩区。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐峻锋，殷秀萍，
申请(专利权)人：徐峻锋，
类型：发明
国别省市：91