基於光纖光柵的溫度不敏感二維應力傳感器的製作方法

2023-10-08 23:20:39 1

技術領域

本發明涉及一種光纖光柵傳感器，具體涉及溫度不敏感的高精度二維應力光纖光柵傳感器。

背景技術：

隨著紫外光刻寫光柵技術的成熟，光纖光柵作為優質的傳感單元具有體積小，可遠距離傳感被用在工程項目的各個場景中。光纖光柵的傳感測量中，最重要的就是溫度和應力的交叉敏感問題，光纖光柵的傳感參數收到光柵光程的影響，而外界溫度和應力會交叉、綜合作用於光纖光柵上，引起光柵中光程的變化，影響單變量的測量準確性。

公知的光纖光柵傳感器（例如：CN1334920A），其設計方法與現實技術側重於應變、位移等物理量的一維傳感測量。公知的光纖光柵傳感器（例如：CN1412527A、CN1654926A），其設計目的也為溫度不敏感應力傳感器，設計者運用了一根光柵作為單軸應力傳感測量，運用串聯光柵的方式實現溫度消除，雖然實現溫度不敏感二維應力測量傳感器設計，由於串聯了光纖光柵結構，設計的傳感器尺寸較大，單根光纖光柵測量精度不高，而且傳感器的性能不穩定。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術中存在的問題提供一種基於光纖光柵的溫度

不敏感二維應力傳感器，該傳感器解決了光纖光柵封裝尺寸過大、測量精度不高、溫度應力交叉敏感和傳感器件不穩定的問題。

本發明提供的技術方案是：

基於光纖光柵的溫度不敏感二維應力傳感器，包括空心彈性管、實心彈性管、第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵、第四光纖光柵以及一分四光纖耦合器；所述實心彈性管為圓柱形，其上對稱的刻有ZC軸方向和YC軸方向上兩組固定光纖光柵的對稱刻槽，第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵分別用雙組份環氧樹脂膠粘貼於實心彈性管的對稱刻槽內的中間位置，所述空心彈性管套於實心彈性管的外壁，空心彈性管和實心彈性管之間的縫隙用環氧樹脂膠填充，一分四耦合器的四埠分別與所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵相熔接。

具體的，所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵符合如下條件：設定YC軸上第一光纖光柵的中心波長為Δλ A1，則第二光纖光柵的中心波長Δλ A2=Δλ A1±Δλ；設定ZC軸上第三光纖光柵中心波長Δλ B1，第四光纖光柵的中心波長Δλ B2=Δλ B1±Δλ；其中2nm≤Δλ≤4nm，10nm≤ |Δλ A1- Δλ B1|≤20nm。

具體的，所述空心彈性管和實心彈性管的材質為彈性金屬、有機彈性玻璃、彈性塑料或尼龍中的一種。

本發明提供二維應力傳感器利用兩組不同波長的光纖光柵進行二維應力的實時傳感，光纖光柵分布分為第一光纖光柵和第二光纖光柵為一組測試YC軸的力分量，第三光纖光柵和第四光纖光柵為一組測試ZC軸的力分量。

當應變和溫度變化不是很大時，波長的變化與溫度和應變存在如下一階線性關係，溫度改變 ΔT , 所受應力產生應變Δε分解YC和ZC方向，在YC方向產生形變為 Δεy，在ZC方向產生形變為 ΔεZ，則有：

ΔλA1 =KTΔT +KεΔεy (1) ΔλA2 =KTΔT –KεΔεy (2)

ΔλB1 =KTΔT +KεΔεZ (3) ΔλB2 =KTΔT –KεΔεZ (4)

式(1)、(2)相減得：ΔλA1-ΔλA2 =2KεΔΔεy

式(3)、(4)相減得：Δλ B1-ΔλB2 =2KεΔΔεZ

則合應變為：Δε=[（Δεy）^2 +（ΔεZ）^2]^0.5

其中YC軸上第一光纖光柵的中心波長為Δλ A1，第二光纖光柵的中心波長為

Δλ A2；ZC軸上第三光纖光柵中心波長為Δλ B1，第四光纖光柵的中心波長為Δλ B2，KT為溫度係數，Kε為應力係數。

從上述公式中看出每組光纖光柵中心反射波長的差值與兩倍的形變 Δε成線性關係, 在小撓度條件下，不但有效的補償了溫度變化對應變測量的影響，而且將應變測量靈敏度提高了一倍，實現了高精度的線性傳感解調。

附圖說明

圖1是本發明結構示意圖；

圖2是本發明的一個維度受力的反射譜；

圖3是本發明的3D示意圖。

1空心彈性管 2對稱刻槽 3 第一光纖光柵 4第二光纖光柵

5 第三光纖光柵 6 第四光纖光柵 7雙組份環氧樹脂膠 8 實心彈性管

9一分四耦合器。

具體實施方式

如圖1所示為本具體實施方式提供的基於光纖光柵的溫度不敏感二維應力傳感器的結構示意圖，包括空心彈性管 1、實心彈性管8、第一光纖光柵3、第二光纖光柵4、第三光纖光柵5、第四光纖光柵6以及一分四光纖耦合器9，所述空心彈性管1和實心彈性管8的材質為彈性金屬；所述實心彈性管8為圓柱形，其上對稱的刻有ZC軸方向和YC軸方向上兩組固定光纖光柵的對稱刻槽2，第一光纖光柵3、第二光纖光柵4、第三光纖光柵5和第四光纖光柵6分別用雙組份環氧樹脂膠7粘貼於實心彈性管8的對稱刻槽2內的中間位置，所述空心彈性管1套於實心彈性管8的外壁，空心彈性管1和實心彈性管8之間的縫隙用環氧樹脂膠7填充，一分四耦合器9的四埠分別與所述第一光纖光柵3、第二光纖光柵4、第三光纖光柵5和第四光纖光柵6相熔接，圖3是3D示意圖。

所述第一光纖光柵3、第二光纖光柵4、第三光纖光柵5和第四光纖光柵6符合如下條件：設定YC軸上第一光纖光柵3的中心波長為Δλ A1，則第二光纖光柵4的中心波長Δλ A2=Δλ A1±Δλ；設定ZC軸上第三光纖光柵5中心波長Δλ B1，第四光纖光柵6的中心波長Δλ B2=Δλ B1±Δλ；其中2nm≤Δλ≤4nm，10nm≤ |Δλ A1- Δλ B1|≤20nm。

本發明提供的二維應力傳感器在做解調測試的時候，需要使用環形器、光譜儀，在這裡列舉兩種測量方法：一種是光譜測量，將寬譜光源的光輸入進環形器輸入埠，環形器傳輸埠接本發明提供的二維應力傳感器傳感結構中的一分四耦合器的公共端，環形器輸出埠接光譜儀實時測量；另一種為拍平測量，即寬譜光源的光輸入進環形器輸入埠，環形器傳輸埠接本發明提供的二維應力傳感器傳感結構中的一分四耦合器的公共端，環形器輸出埠接光電探測器，光電探測器的電輸出端接頻譜儀。

當對本發明提供的基於光纖光柵的溫度不敏感二維應力傳感器做應力測量時，需要給本發明所述的傳感器右下角方向的力，應力傳感結構將外力分解為相互垂直的ZC和YC軸方向的力；YC軸方向的力通過第一光纖光柵3和第二光纖光柵4傳感測量，由於本發明提供的傳感器在受力時，第一光纖光柵3被拉伸，其柵長變長，反射波長變長，同時第二光纖光柵4被壓縮，柵長變短，在小撓度的情況下，第一光纖光柵3與第二光纖光柵4的反射波長差與應變成線性關係；ZC軸方向的力通過第三光纖光柵5和第四光纖光柵6傳感測量，由於本發明提供的傳感器在受力時，第三光纖光柵5被拉伸，柵長變長，反射波長變長，同時第四光纖光柵6被壓縮，柵長變短（其反射圖譜如圖3所示），在小撓度的情況下，同一緯度內的兩根光纖光柵的反射波長差與應變成線性關係；通過對YC、ZC方向波長差的數據處理，獲得相應方向的應力值，再經過力學合成，獲得對外界二維應力的測量。其他方向的力作用下，通過相似的力學分解可以測量其他方向的受力情況。

由於在一個維度上使用了兩根光纖光柵，當外界環境溫度值發生變化時，兩根光纖光柵是同步變化，即溫度的變化對兩根光柵的影響是等同的。

當應變和溫度變化不是很大時，波長的變化與溫度和應變存在如下一階線性關係，令所處溫度改變為 ΔT , 所受應力產生應變Δε分解YC和ZC方向，在YC方向產生形變為 Δεy，在ZC方向產生形變為 ΔεZ，則有：

ΔλA1 =KTΔT +KεΔεy (1) ΔλA2 =KTΔT –KεΔεy (2)

ΔλB1 =KTΔT +KεΔεZ (3) ΔλB2 =KTΔT –KεΔεZ (4)

式(1)、(2)相減得：ΔλA1-ΔλA2=2KεΔεy

式(3)、(4)相減得：ΔλB1-ΔλB2=2KεΔεz

則合應變為：Δε=[（Δεy）^2+（Δεz）^2]^0.5

Δλ A1為第一光纖光柵3的實時反射波長，Δλ A2為第二光纖光柵4的實時反射波長，Δλ B1為第三光纖光柵5的實時反射波長，Δλ B2為第四光纖光柵6的實時反射波長，KT為溫度係數，Kε為應力係數。

通過公式可以看出測量系統在原理上排除了溫度對光纖光柵應力測量的影響，同時將傳統的光纖光柵傳感器的解調精度提高了2倍，從而實現了溫度不敏感的高精度二維應力測量。

最後應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制；儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解：依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者對部分技術特徵進行等同替換；而不脫離本發明技術方案的精神，其均應涵蓋在本發明請求保護的技術方案範圍當中。