溫度無關的光纖光柵應變傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于應變傳感測量領域，涉及一種溫度無關的光纖光柵應變傳感器。
【背景技術】
[0002] 光纖布拉格光柵是一種非常有實用價值的光學傳感器，具有體積小、抗電磁干擾 等優點。目前，光纖布拉格光柵在實際傳感測量中，存在應變和溫度交叉敏感問題。解決交 叉敏感問題的技術方法主要有：雙光柵法、光纖布拉格光柵-FP腔法、錐形光柵法、不同溫 度系數材料封裝法、負溫度膨脹系數封裝法等。雙光柵法采用參考光柵、雙波長光柵或長周 期光柵與布拉格光柵的組合，通過求解溫度與應變的方程組實現應變的傳感測量，該方法 需要使用多光柵，需要對溫度或應變進行隔離，傳感器結構較為復雜。光纖布拉格光柵-FP 腔法可通過測量反射光中峰值波長漂移以及光強變化實現溫度和應變同時測量。錐形光纖 光柵法通過功率測量實現溫度和應變的同時測量，但精度和穩定性受到限制。不同溫度材 料系數封裝法及負溫度膨脹系數封裝法均通過材料不同的熱膨脹系數，消除溫度的交叉干 擾，但不同材料的匹配設計工藝較為復雜。因此，制作結構簡單、消除溫度交叉干擾的光纖 光柵應變傳感器是目前應變傳感領域的一個問題。
[0003] 本發明給出了一種溫度無關的光纖光柵應變傳感器，由基片、光纖光柵、光纖尾纖 保護套管組成，基片內沿應變傳感方向刻V形槽，并在V形槽兩側對稱刻槽、在中部對稱刻 槽，形成補償臂，光纖光柵安裝在V形槽中，兩端在補償臂上設定的位置固定，從結構上消 除了溫度對應變測量的交叉干擾。該光纖光柵應變傳感器結構簡單、易于安裝，能夠實現溫 度無關的應變傳感。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的技術問題是：克服應變傳感測量過程中，溫度的交叉干擾等問題， 提出了溫度無關的光纖光柵應變傳感器，該傳感器由基片、光纖光柵、光纖尾纖保護套管組 成；基片內沿應變傳感方向刻V形槽，并在V形槽兩側對稱刻槽、在中部對稱刻槽，形成補償 臂，光纖光柵安裝在V形槽中，兩端在補償臂上設定的位置固定，通過補償臂的熱膨脹抵消 由于溫度引起的光纖光柵中心波長變化，從結構上消除了溫度對應變測量的交叉干擾。該 光纖光柵應變傳感器結構簡單、易于安裝，能夠實現溫度無關的應變傳感。
[0005] 本發明解決上述技術問題采用的技術方案是：
[0006] 本發明提供一種溫度無關的光纖光柵應變傳感器，所述的應變傳感器由基片、光 纖光柵、光纖尾纖保護套管組成；所述的基片內沿應變傳感方向刻V形槽，并在所述的V形 槽中部兩側對稱刻槽，并且在V形槽中間部位垂直于V形槽刻槽，形成補償臂，補償臂一端 為補償臂的連接端，補償臂另一端為補償臂的自由端；所述的光纖光柵尾纖套入所述的光 纖尾纖保護套管內然后安裝在V形槽中，兩端在所述的補償臂上設定的位置固定；通過所 述的基片上的四個安裝孔將應變傳感器安裝在被測物體上，實現應力應變傳感。
[0007] 進一步的，所述的用于補償臂的有效長度h與光纖光柵兩個固定點間的距離12滿 足公式：
[0008] 2α 〇
[0009] 其中，a 基片的線膨脹系數，α2為光纖光柵的熱致應變系數；通過設計基片的 結構尺寸，可實現溫度無關的應變測量。
[0010] 進一步的，所述的光纖為但不僅限于金屬涂覆光纖或丙烯酸酯涂覆光纖，光纖光 柵在光纖纖芯上，采用紫外激光或紅外飛秒激光刻寫而成。
[0011] 進一步的，所述的基片的材料為但不僅限于不銹鋼材料，厚度大于或等于1_，能 夠實現壓縮及拉伸方向的應變傳感。
[0012] 進一步的，所述的用于補償臂之間的間隙為但不僅限于2_，可由光纖光柵應變傳 感范圍決定，通常為1 %的應變量。
[0013] 進一步的，所述的采用不限于焊錫、膠粘的方式固定光纖光柵，固定位置為光纖光 柵柵區外的兩端，可保證光柵譜型完好，不發生啁嗽調制，提高傳感解調精度。
[0014] 本發明的原理在于：
[0015] 溫度無關的光纖光柵應變傳感器，通過檢測光纖光柵的中心波長實現對溫度、應 變等物理量的傳感，光纖光柵的中心波長λΒ符合布拉格公式：
[0016] λB= 2neffA
[0017] 其中，nrff為光纖光柵等效折射率，Λ為光柵周期。
[0018] 進一步的，當光纖光柵應變傳感器僅受溫度作用時，光纖光柵21本身受溫度影 響，中心波長發生漂移，漂移量為：
[0019]
[0020] 其中，ΔΤ為溫度變化量，βτ為溫度響應系數。
[0021] 進一步的，基片11上補償臂12上的光纖固定點23向內膨脹了Δh，由補償臂12 的有效長度1:，即光纖固定點23到補償臂的連接端14的距離，以及基片的熱膨脹系數ai 決定，Δh的計算公式為：
[0022] Δli= -2α^ΤΙ!
[0023] 進一步的，基片11上補償臂12的膨脹作用，使額外的應變量
￥用在 光纖光柵21上，此時光纖光柵21受額外應變引起的中心波長漂移量為：
[0024]
[0025] 其中，βΕ為應變響應系數；此時由溫度引起的光纖光柵21中心波長漂移總量 為：
[0026] \ . */
[0027] 進一步的，欲使光纖光柵應變傳感器與溫度無關，需滿足公式ΛλΒ= 〇,則：
[0028]2α 〇
[0029]其中，％ =4定義為光纖光柵的熱致應變系數；則通過基片的結構尺寸設計，可 P- 以從結構尺寸上消除溫度對應變量的交叉干擾。
[0030] 進一步的，當被測物體發生應變時，通過安裝孔16的傳遞，拉動或壓縮補償臂12， 并作用于光纖光柵21，光纖光柵的中心波長漂移量為：
[0031]
[0032] 其中，14為基片11上安裝孔16距補償臂12的連接端14的距離，其可以調節傳感 器的應變靈敏度。
[0033] 本發明溫度無關的光纖光柵應變傳感器的有益效果是：
[0034](1)、本發明在光纖光柵柵區外固定封裝光柵，能保證光柵完好的反射譜型，提高 傳感解調精度。
[0035] (2)、本發明通過設計基片的結構尺寸，從結構上消除溫度對應變測量的影響，且 結構簡單、易于安裝。
【附圖說明】
[0036] 圖1為溫度無關的光纖光柵應變傳感器結構示意圖。
[0037] 圖2為光纖光柵應變傳感器熱膨脹下實現溫度抵消的原理示意圖。
[0038] 圖1中，11是片式封裝應變片，12是補償臂，13是補償臂的自由端，14是補償臂的 連接端，15是V型槽，16是安裝孔，21是光纖光柵，22是光纖尾纖保護套管，23是光纖固定 點。
【具體實施方式】
[0039] 下面結合附圖對本
【發明內容】
作進一步詳細說明。
[0040] 參考圖1所示，采用紫外氬離子激光及相位掩模板法在金屬涂覆光纖纖芯上刻寫 光纖布拉格光柵21，中心波長為1550nm，光纖涂覆層剝除長度為8. 0mm，尾纖部分米用光纖 尾纖保護套管22保護；光纖光柵21的溫度響應系數為βτ= 7. 25X10 6/°C，應變響應系數 為βΕ = 0. 76X10 6/με，則光纖光柵21的熱致應變系數為α2= 9. 54με/°C。
[0041] 選擇不銹鋼作為基片11材料，不銹鋼的線膨脹系數為a1. 70X105/°C;則可 設計基片11的厚度為2. 0mm，寬度為14. 0mm，總長度為15= 30. 0mm;補償臂12的長度為 6. 8mm，有效長度為11= 2. 8mm，補償臂12的寬度為4. 0mm，補償臂12的間距為2. 0mm，補償 臂兩側刻槽寬度各為1mm;V型槽15寬度1. 5mm，深度1. 0mm，光纖光柵兩個固定點23的距 離為12= 1〇.Οι?;安裝孔16到邊緣的距離為1 ；?= 4. 0mm，尺寸為Φ2. 0mm。
[0042] 參考圖2所示，當光纖光柵應變傳感器僅受溫度作用下，該結構設計尺寸滿足 2α山-α212= 0,能夠達到溫度抵消補償效果，實現溫度無關的應變測量；其中，應變靈敏 度ΚΕ 為 2. 59pm/με。
[0043] 基片11的尺寸加工精度為±0.1mm，光纖固定位置精度為±0.2mm，h與加工精度 和光纖固定位置精度有關，而12僅與光纖固定位置精度有關；則光纖光柵應變傳感器由于 溫度引起的應變誤差為±0.024με/Γ。
[0044] 本發明未詳細闡述的技術內容屬于本領域技術人員的公知技術。
【主權項】
1. 一種溫度無關的光纖光柵應變傳感器，其特征在于，所述的應變傳感器由基片 (11) 、光纖光柵（21)、光纖尾纖保護套管（22)組成；所述的基片（11)內沿應變傳感方向刻 V形槽（15)，并在所述的V形槽（15)中部兩側對稱刻槽，并且在V形槽（15)中間部位垂直 于V形槽（15)刻槽，形成補償臂（12)，補償臂（12) -端為補償臂的連接端（14)，補償臂 (12) 另一端為補償臂的自由端（13);所述的光纖光柵（21)尾纖套入所述的光纖尾纖保護 套管（22)內然后安裝在V形槽（15)中，兩端在所述的補償臂（12)上設定的位置固定；通 過所述的基片（11)上的四個安裝孔（16)將應變傳感器安裝在被測物體上，實現應力應變 傳感。2. 根據權利要求1所述溫度無關的光纖光柵應變傳感器，其特征在于，所述的用于補 償臂（12)的有效長度^與光纖光柵兩個固定點（23)間的距離1 2滿足公式： 2. ill- Q 2^2 -〇 其中，αi為基片（11)的線膨脹系數，α2為光纖光柵（21)的熱致應變系數；通過設計 基片（11)的尺寸，從結構上可消除溫度干擾，實現溫度無關的應變測量。3. 根據權利要求1所述溫度無關的光纖光柵應變傳感器，其特征在于，所述的光纖光 柵（21)是由紫外或紅外飛秒激光刻寫制成，所用光纖為但不僅限于金屬涂覆光纖、丙烯酸 醋涂覆光纖。4. 根據權利要求1所述溫度無關的光纖光柵應變傳感器，其特征在于，所述的基片 (11)的材料為但不僅限于不銹鋼材料，厚度大于或等于1mm，能夠實現壓縮及拉伸方向的 應變傳感。5. 根據權利要求1所述溫度無關的光纖光柵應變傳感器，其特征在于，所述的用于補 償臂（13)之間的間隙為但不僅限于2_，可由光纖光柵應變傳感范圍決定。6. 根據權利要求1所述溫度無關的光纖光柵應變傳感器，其特征在于，所述的采用不 限于焊錫、膠粘的方式固定光纖光柵（21)，固定位置為光纖光柵（21)柵區外的兩端，可保 證光柵譜型完好，不發生啁嗽調制，提高傳感解調精度。
【專利摘要】本發明公開了一種溫度無關的光纖光柵應變傳感器，由基片、光纖光柵、光纖尾纖保護套管組成，基片內沿應變傳感方向刻V形槽，并在V形槽兩側對稱刻槽、在中部對稱刻槽，形成補償臂，光纖光柵安裝在V形槽中，兩端在補償臂上設定的位置固定，從結構上消除了溫度對應變測量的交叉干擾。該光纖光柵應變傳感器結構簡單、易于安裝，能夠實現溫度無關的應變傳感。
【IPC分類】G01B11/16
【公開號】CN105333833
【申請號】CN201510705714
【發明人】楊遠洪, 王巧妮, 楊福鈴, 陸林
【申請人】北京航空航天大學
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年10月27日