專(zhuān)利名稱(chēng)：一種壓力與溫度同時(shí)區(qū)分測(cè)量的光纖光柵傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，是一種能夠?qū)τ蜌夤艿篮陀蜌饩袎毫蜏囟冗M(jìn)行同時(shí)區(qū)分、實(shí)時(shí)在線、永久動(dòng)態(tài)檢測(cè)的光纖光柵智能化傳感器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)光纖光柵作為一種新型傳感器件引起了人們廣泛重視。這種傳感器除具有一般光纖傳感器不受電磁波干擾、靈敏度高、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低，適宜于在高溫高壓、腐蝕性或危險(xiǎn)性環(huán)境使用的優(yōu)點(diǎn)之外，還具有本征自相干能力強(qiáng)和在一根光纖上利用波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)復(fù)用、多參量分布式區(qū)分測(cè)量的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α毫εc溫度同時(shí)區(qū)分測(cè)量傳感器在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。結(jié)合光纖光柵本征優(yōu)點(diǎn)特性，研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、新穎實(shí)用的光纖光柵壓力與溫度同時(shí)區(qū)分傳感器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
目前在設(shè)計(jì)光纖光柵壓力與溫度同時(shí)區(qū)分測(cè)量傳感器時(shí)是用不同中心反射波長(zhǎng)的雙Bragg光柵結(jié)構(gòu)，結(jié)合聚合物特殊封裝技術(shù)，使兩個(gè)光柵對(duì)壓力與溫度分別不同敏感，依據(jù)Bragg反射波長(zhǎng)與壓力、溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量Bragg反射波長(zhǎng)漂移量實(shí)現(xiàn)待測(cè)壓力與溫度的測(cè)量。由于溫度與壓力同時(shí)引起光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)移動(dòng)而造成交叉敏感，如何有效克服交叉敏感效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)壓力與溫度的同時(shí)區(qū)分測(cè)量是光纖光柵傳感技術(shù)真正走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已報(bào)道了很多解決方案，包括雙周期FBG法，LPG/FBG融合法，不同聚合物封裝法，不同包層直徑法，光纖光柵F-P腔法，懸臂梁法，在摻鍺和硼鍺共摻光纖上寫(xiě)入光柵區(qū)分法。但這些方案有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即需要采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的光柵組合來(lái)克服交叉敏感問(wèn)題，難以保證測(cè)量位置的準(zhǔn)確性，從而影響了測(cè)量精度，增加了成本的同時(shí)制作工藝也較為復(fù)雜。與此同時(shí)，部分方案需要多個(gè)解調(diào)光源，這給光纖光柵傳感器的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)不便，有的則失去了光纖光柵傳感器所特有的波長(zhǎng)編碼特性。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種壓力與溫度同時(shí)區(qū)分測(cè)量的光纖光柵傳感器，這種新穎的光纖Bragg光柵壓力溫度傳感器，通過(guò)單一光纖光柵實(shí)現(xiàn)壓力與溫度同時(shí)區(qū)分測(cè)量，提高探測(cè)靈敏度，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，使用安全可靠，克服目前光纖光柵壓力與溫度同時(shí)區(qū)分測(cè)量精度低的問(wèn)題，本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的包括懸臂梁3、光纖2、光纖Bragg光柵1、粘接劑5，其特征在于懸臂梁3上開(kāi)有孔4，光纖Bragg光柵1直接寫(xiě)在光纖2上，光纖2、光纖Bragg光柵1通過(guò)粘接劑5粘貼在懸臂梁3上。
本實(shí)用新型還采用如下技術(shù)方案光纖Bragg光柵1中心粘貼于懸臂梁3應(yīng)力集中的位置。
懸臂梁3選用熱膨脹系數(shù)較大的金屬材料。
通過(guò)改變光纖Bragg光柵1粘貼處懸臂梁弧頂厚度和壓力作用點(diǎn)與光纖Bragg光柵1距離，可適時(shí)調(diào)整壓力測(cè)量范圍及其精度。
本實(shí)用新型的技術(shù)原理是基于光纖Bragg光柵反射波線性展寬技術(shù)，利用其非均勻應(yīng)變帶動(dòng)光柵使Bragg反射波波長(zhǎng)漂移的同時(shí)帶寬展寬，而溫度僅引起反射波波長(zhǎng)漂移、帶寬不展寬，實(shí)現(xiàn)單光柵溫度與壓力雙參量同時(shí)區(qū)分測(cè)量。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于本光纖光柵傳感器可通過(guò)一個(gè)光纖Bragg光柵同時(shí)區(qū)分測(cè)量壓力與溫度的變化，實(shí)現(xiàn)單光柵雙參數(shù)多點(diǎn)測(cè)量；另外，通過(guò)改變光柵粘貼處懸臂梁弧頂厚度和壓力作用點(diǎn)與光柵距離，可適時(shí)調(diào)整壓力測(cè)量范圍及其精度；與此同時(shí)，利用熱膨脹系數(shù)較高的金屬材料基底帶動(dòng)，光柵溫度響應(yīng)系數(shù)得到有效提高，增加了區(qū)分測(cè)量的精確性。此系統(tǒng)只需單一光源，并且保留了光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)編碼特性的優(yōu)點(diǎn)，波型穩(wěn)定，精度高，耐高溫高壓，安全可靠，線性度與重復(fù)性好。易于實(shí)現(xiàn)溫度壓力分布式區(qū)分測(cè)量，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。


圖1一種雙孔懸臂梁光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖2一種懸臂梁光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型包括鋁質(zhì)懸臂梁3，硅基質(zhì)摻鍺單模光纖2，光纖Bragg光柵1。懸臂梁3上開(kāi)有雙孔4，雙孔4之間長(zhǎng)方形貫通，懸臂梁長(zhǎng)50mm，寬10mm，高35mm，雙孔孔距40mm，雙孔半徑15mm。光纖Bragg光柵1直接寫(xiě)在硅基質(zhì)摻鍺單模光纖2上，單模光纖2、光纖Bragg光柵1通過(guò)RTV硅橡膠粘接劑5粘貼在懸臂梁3上。
光纖Bragg光柵1中心正對(duì)懸臂梁3固定臂6一端園孔的孔心，即光纖Bragg光柵1中心粘貼于懸臂梁3應(yīng)力集中的位置。
當(dāng)在懸臂梁3自由臂7加上垂向壓力時(shí)，粘貼光纖Bragg光柵1處的懸臂梁3發(fā)生非均勻應(yīng)變，同時(shí)帶動(dòng)光纖Bragg光柵1同步發(fā)生非均勻應(yīng)變，使光纖Bragg光柵1反射波中心波長(zhǎng)線形漂移的同時(shí)帶寬展寬。外界溫度發(fā)生變化時(shí)，僅引起光纖Bragg光柵1反射波中心波長(zhǎng)線形漂移而帶寬不展寬，通過(guò)光纖光柵信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，得出壓力和溫度的變化，實(shí)現(xiàn)單光纖光柵溫度壓力雙參量的同時(shí)區(qū)分測(cè)量。
另外通過(guò)改變光柵粘貼處懸臂梁弧頂厚度和壓力作用點(diǎn)與光柵距離，可適時(shí)調(diào)整壓力測(cè)量范圍及其精度；本實(shí)用新型還可以這樣實(shí)施如圖2所示，本實(shí)用新型包括鋁質(zhì)懸臂梁3，硅基質(zhì)摻錋單模光纖2，光纖Bragg光柵1。懸臂梁3上開(kāi)有孔4，靠近懸臂梁3固定臂6一端的孔4為園形，另一端為長(zhǎng)方形，懸臂梁長(zhǎng)50mm，寬10mm，高35mm，園孔半徑15mm，長(zhǎng)方形孔長(zhǎng)度20mm。光纖Bragg光柵1直接寫(xiě)在硅基質(zhì)摻錋單模光纖2上，硅基質(zhì)摻錋單模光纖2、光纖Bragg光柵1通過(guò)RTV硅橡膠粘接劑5粘貼在懸臂梁3上。
光纖Bragg光柵1中心正對(duì)懸臂梁3固定臂6一端園孔的孔心，即光纖Bragg光柵1中心粘貼于懸臂梁3應(yīng)力集中的位置。
當(dāng)在懸臂梁3自由臂7加上垂向壓力時(shí)，粘貼光纖Bragg光柵1處的懸臂梁3發(fā)生非均勻應(yīng)變，同時(shí)帶動(dòng)光纖Bragg光柵1同步發(fā)生非均勻應(yīng)變，使光纖Bragg光柵1反射波中心波長(zhǎng)線形漂移的同時(shí)帶寬展寬。外界溫度發(fā)生變化時(shí)，僅引起光纖Bragg光柵1反射波中心波長(zhǎng)線形漂移而帶寬不展寬，通過(guò)光纖光柵信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，得出壓力和溫度的變化，實(shí)現(xiàn)單光纖光柵溫度壓力雙參量的同時(shí)區(qū)分測(cè)量。
另外通過(guò)改變光柵粘貼處懸臂梁弧頂厚度和壓力作用點(diǎn)與光柵距離，可適時(shí)調(diào)整壓力測(cè)量范圍及其精度。
權(quán)利要求1.一種壓力與溫度同時(shí)區(qū)分測(cè)量的光纖光柵傳感器，包括懸臂梁(3)、光纖(2)、光纖Bragg光柵(1)、粘接劑(5)，其特征在于懸臂梁(3)上開(kāi)有孔(4)，光纖(2)上設(shè)有光纖Bragg光柵(1)，光纖(2)、光纖Bragg光柵(1)通過(guò)粘接劑(5)粘貼在懸臂梁(3)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓力與溫度同時(shí)區(qū)分測(cè)量的光纖光柵傳感器，其特征在于光纖Bragg光柵(1)中心粘貼于懸臂梁(3)應(yīng)力集中的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓力與溫度同時(shí)區(qū)分測(cè)量的光纖光柵傳感器，其特征在于孔(4)或者是單孔，或者是雙孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓力與溫度同時(shí)區(qū)分測(cè)量的光纖光柵傳感器，其特征在于光纖Bragg光柵(1)粘貼處懸臂梁弧頂厚度和壓力作用點(diǎn)與光纖Bragg光柵1距離可變。
專(zhuān)利摘要一種壓力與溫度同時(shí)區(qū)分測(cè)量的光纖光柵傳感器，包括懸臂梁3、光纖2、光纖Bragg光柵1、粘接劑5，其特征在于懸臂梁3上開(kāi)有孔4，光纖Bragg光柵1直接寫(xiě)在光纖2上，光纖2、光纖Bragg光柵1通過(guò)粘接劑5粘貼在懸臂梁3上，在溫度20℃～100℃和壓力0～800gf(7.8N)的測(cè)量范圍內(nèi)，利用分辨率為0.05nm的光譜分析儀檢測(cè)反射波，溫度分辨率為1.8℃，壓力分辨率為0.5N，Bragg中心反射波長(zhǎng)漂移量和帶寬展寬量隨溫度和壓力的變化呈良好的線性關(guān)系，線性度均高于99.6％。多次測(cè)量展寬波型穩(wěn)定，重復(fù)性好。
文檔編號(hào)E21B47/06GK2833523SQ20052012702
公開(kāi)日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者喬學(xué)光, 傅海威, 賈振安, 王宏亮, 趙大壯 申請(qǐng)人:西安石油大學(xué)