專(zhuān)利名稱(chēng)：輪輻式溫度補(bǔ)償型光纖光柵壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種新型輪輻式傳感器，并具有溫度補(bǔ)償功能，特別是能夠?qū)毫M(jìn)行高精度感測(cè)的光纖光柵傳感器。
背景技術(shù)：
光纖光柵是一種新型的光子器件，它是在光纖中形成的一種空間周期性折射率分布，這種結(jié)構(gòu)可以改變和控制光波在光纖中的傳播行為。光纖光柵傳感器是通過(guò)對(duì)光纖光柵的特殊封裝使其對(duì)待測(cè)參量敏感，并通過(guò)光纖光柵波長(zhǎng)的變化來(lái)感測(cè)待測(cè)參量的大小及方向。將光纖光柵傳感器陣列化并與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，埋入襯底材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)部或貼裝在其表面，可對(duì)材料的特性(如溫度、應(yīng)變、壓力、位移、速度、加速度等)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)。光纖光柵傳感器已被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、航天航空、海洋探測(cè)及科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域，屬于一種新穎的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。
本實(shí)用新型是一種新型的具有溫度補(bǔ)償功能的光纖光柵壓力傳感器。檢索結(jié)果表明，目前尚沒(méi)有采用輪輻式結(jié)構(gòu)封裝光纖光柵的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵壓力傳感器的專(zhuān)利報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的旨在設(shè)計(jì)出一種新型的具有溫度補(bǔ)償功能的光纖光柵壓力傳感器，并可應(yīng)用于各種荷載的壓力及相關(guān)力的精確測(cè)量。
感測(cè)原理是當(dāng)荷載作用于嵌入內(nèi)環(huán)頂部的受力柱表面?zhèn)鬟f到一個(gè)輪輻式彈性體上時(shí)，該輪輻受到剪應(yīng)力的作用，使粘貼其上的光纖光柵周期發(fā)生變化，通過(guò)光探測(cè)器(多波長(zhǎng)計(jì)或光譜儀)可得到傳感光柵及補(bǔ)償光柵的兩個(gè)反射峰。通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)反射峰的變化量的差值，即可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)母呔葔毫Ω袦y(cè)。
其技術(shù)方案是首先設(shè)計(jì)具有抗剪切的對(duì)稱(chēng)式輪輻機(jī)構(gòu)；然后，將其中一個(gè)光纖光柵粘貼在輪輻側(cè)面中間與中性軸線(xiàn)成一定角度的方向上，作為壓力傳感光纖光柵(傳感光柵)；而另一個(gè)光纖光柵則粘貼在不受力作用的基座上，作為溫度補(bǔ)償光纖光柵(補(bǔ)償光柵)。
這種溫度補(bǔ)償式光纖光柵壓力傳感器，包括傳感部分和測(cè)量部分；傳感部分是一個(gè)圓桶形結(jié)構(gòu)，桶的外環(huán)坐落在基座上，內(nèi)環(huán)置于桶的中部，中央是受力柱，但兩者下面與基座皆不相連，內(nèi)環(huán)的4個(gè)對(duì)稱(chēng)式的輪輻連接在外環(huán)上；測(cè)量部分包括光纖耦合器、光源、光探測(cè)器；其特征在于傳感部分是一個(gè)具有抗剪切的對(duì)稱(chēng)式輪輻的圓桶形結(jié)構(gòu)，傳感光柵粘貼在輪輻側(cè)面中間與中性軸線(xiàn)成45°度角的方向上作為壓力傳感光柵，補(bǔ)償光柵粘貼在不受力作用的基座上作為溫度補(bǔ)償光柵；測(cè)量部分，光纖耦合器一側(cè)的兩根光纖，一根連接傳感光柵，另一根連接補(bǔ)償光柵；而光纖耦合器另外一側(cè)的兩根光纖，一根接光源，另一根連接光探測(cè)器。
對(duì)于輪輻式傳感結(jié)構(gòu)，可以將每對(duì)輪輻視為一根兩端固定的彈性梁。以四個(gè)輪輻為例，每根輪輻上承受的剪應(yīng)力為所承受荷載的1/4。對(duì)于矩形截面的輪輻，剪應(yīng)力呈拋物線(xiàn)形分布，在中性面上剪應(yīng)力最大，為平均剪應(yīng)力的1.5倍。由材料力學(xué)平面應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力公式可知與中性面成45°方向的正應(yīng)力應(yīng)等于最大剪應(yīng)力τmax，其計(jì)算公式如下τmax=32×P4×1bh=3P16bh---(1)]]>由光纖光柵傳感原理可知，當(dāng)內(nèi)環(huán)頂部表面受到均勻的垂直荷載作用時(shí)，荷載產(chǎn)生的壓力通過(guò)輪輻的剪應(yīng)變對(duì)粘貼其上的傳感光柵產(chǎn)生拉伸或壓縮效應(yīng)，導(dǎo)致傳感光柵的周期發(fā)生變化。由光纖光柵傳感原理可知，通過(guò)測(cè)量傳感光柵及補(bǔ)償光柵中心波長(zhǎng)的變化值，即可推測(cè)荷載引起的壓力的大小。其計(jì)算公式如下Δλ1＝KPτmax+KT1ΔT(對(duì)傳感光柵FBG1) (2)Δλ2＝KT2ΔT(對(duì)補(bǔ)償光柵FBG2) (3)而由荷載引起的光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移量則為波長(zhǎng)差Δλ12＝Δλ1-Δλ2。于是，由(1)～(3)式得到波長(zhǎng)差的大小為Δλ12＝η2P+ηTΔT(4)式中η2＝(3KPP)/(16bh)為該傳感器的壓力靈敏度系數(shù)，P為荷載，b為輪輻截面的寬度，h為截面的高度；ηT＝KT1-KT2為傳感器的溫度靈敏度系數(shù)，KT1和KT2分別為傳感光柵和補(bǔ)償光柵的溫度靈敏度系數(shù)。對(duì)于同一粘貼材料，調(diào)整光柵的粘貼位置及方位，可使ηT≈0。于是，(4)式變?yōu)棣う?2＝η2P (5)由(5)式可知，兩個(gè)光柵的波長(zhǎng)差Δλ12與壓力P成正比例函數(shù)關(guān)系。于是，通過(guò)引入補(bǔ)償光柵，本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)具有溫度補(bǔ)償功能的高精度壓力感測(cè)。
本實(shí)用新型的有益效果是，傳感基質(zhì)為兩個(gè)光纖布喇格光柵，且具有溫度補(bǔ)償功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易于系統(tǒng)集成?；诠饫w光柵本身的優(yōu)點(diǎn)，這種傳感器具有測(cè)量精度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、適合在惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)。


圖1是輪輻式溫度補(bǔ)償型光纖光柵壓力傳感器傳感部分結(jié)構(gòu)圖。其中，(a)剖視圖；(b)俯視圖。
圖2是本實(shí)用新型的測(cè)量裝置圖。
圖3是本實(shí)用新型承受荷載的壓力典型測(cè)量值。
其中1.傳感光柵，2.補(bǔ)償光柵，3.受力柱，4.內(nèi)環(huán)，5.外環(huán)，6.輪輻，7.基座，8.單模光纖，9.光纖耦合器，10.光源，11.光探測(cè)器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說(shuō)明圖1是輪輻式溫度補(bǔ)償型光纖光柵壓力傳感器傳感部分結(jié)構(gòu)圖，(a)剖視圖；(b)俯視圖。
這種溫度補(bǔ)償式光纖光柵壓力傳感器，包括傳感部分和測(cè)量部分；傳感部分是一個(gè)圓桶形結(jié)構(gòu)，桶的外環(huán)5坐落在基座7上，內(nèi)環(huán)4置于桶的中部，中央是受力柱3，但兩者下面與基座皆不相連，內(nèi)環(huán)的4個(gè)對(duì)稱(chēng)式的輪輻6連接在外環(huán)上；測(cè)量部分包括光纖耦合器9、光源10、光探測(cè)器11；其特征在于傳感部分是一個(gè)具有抗剪切的對(duì)稱(chēng)式輪輻的圓桶形結(jié)構(gòu)，傳感光柵1粘貼在輪輻側(cè)面中間與中性軸線(xiàn)成45°度角的方向上作為壓力傳感光柵，補(bǔ)償光柵2粘貼在不受力作用的基座上作為溫度補(bǔ)償光柵；測(cè)量部分，光纖耦合器一側(cè)的兩根光纖，一根連接傳感光柵，另一根連接補(bǔ)償光柵；而光纖耦合器另外一側(cè)的兩根光纖，一根接光源，另一根連接光探測(cè)器。
對(duì)稱(chēng)式輪輻機(jī)構(gòu)，可為四個(gè)輪輻或八個(gè)輪輻的對(duì)稱(chēng)機(jī)構(gòu)，輪輻橫截面為矩形，而外形可為矩形、梯形及弧形。
光纖光柵為光纖布喇格光柵。
光纖為單模光纖。
光纖耦合器是2×2或1×2光纖耦合器，或是三端口或四端口的光環(huán)行器。
光源是寬帶光源或可調(diào)諧光纖激光器。
光探測(cè)器是多波長(zhǎng)計(jì)或光纖光譜儀。
四個(gè)輪輻選用高彈性耐腐蝕鋼材(40CrMoA)。
光纖布喇格光柵是選用石英單模光纖、采用紫外曝光技術(shù)和相位掩膜法寫(xiě)制而成。粘貼在輪輻側(cè)面中間與中性軸線(xiàn)成45°度方向上的光纖光柵作為壓力傳感光柵，而粘貼在不受壓力作用的基座上的光纖光柵則作為溫度補(bǔ)償光柵。
光纖為石英單模光纖；光纖耦合器是2×2或1×2光纖耦合器；光環(huán)行器是三端口或四端口光環(huán)行器。
實(shí)施例在圖2中，受力柱的直徑為35mm，內(nèi)環(huán)直徑為37mm，它們的高度為32mm。外環(huán)內(nèi)直徑為70mm，外環(huán)外直徑為100mm，高度為35mm。輪輻材料為高彈性的耐腐蝕鋼材，其高為15mm，厚為2mm。嵌入內(nèi)環(huán)中的受力柱頂端為弧狀，高于內(nèi)環(huán)5mm；內(nèi)環(huán)底端距外環(huán)底端3mm，基座厚度為5mm。傳感光柵和補(bǔ)償光柵的長(zhǎng)度分別為12mm和11mm，它們的布喇格自由波長(zhǎng)分別為155236nm和1554.63nm，峰值反射率分別為96％和95％，帶寬分別為0.22nm和0.25nm。
在-20℃～75℃之間，對(duì)該傳感器施加荷載的壓力傳感測(cè)量，在扣除溫度影響后測(cè)得的壓力靈敏度值為0.091nm/KN，如圖3所示。在上述溫度范圍內(nèi)，用測(cè)量精度為0.02nm的多波長(zhǎng)計(jì)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，通過(guò)引入補(bǔ)償光柵對(duì)雙光柵波長(zhǎng)差的測(cè)量表明在上述溫度范圍內(nèi)，溫度變化對(duì)壓力的測(cè)量結(jié)果無(wú)影響，因此該傳感器具有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?br> 在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，則對(duì)壓力感測(cè)的靈敏度之提高大有益處。
權(quán)利要求1.一種輪輻式溫度補(bǔ)償型光纖光柵壓力傳感器，包括傳感部分和測(cè)量部分；傳感部分是一個(gè)圓桶形結(jié)構(gòu)，桶的外環(huán)(5)坐落在基座(7)上，內(nèi)環(huán)(4)置于桶的中部，中央是受力柱(3)，但兩者下面與基座皆不相連，內(nèi)環(huán)的4個(gè)對(duì)稱(chēng)式的輪輻(6)連接在外環(huán)上；測(cè)量部分包括光纖耦合器(9)、光源(10)、光探測(cè)器(11)；其特征在于傳感部分是一個(gè)具有抗剪切的對(duì)稱(chēng)式輪輻的圓桶形結(jié)構(gòu)，傳感光柵(1)粘貼在輪輻側(cè)面中間與中性軸線(xiàn)成45°度角的方向上作為壓力傳感光柵，補(bǔ)償光柵(2)粘貼在不受力作用的基座上作為溫度補(bǔ)償光柵；測(cè)量部分，光纖耦合器一側(cè)的兩根光纖，一根連接傳感光柵，另一根連接補(bǔ)償光柵；而光纖耦合器另外一側(cè)的兩根光纖，一根接光源，另一根連接光探測(cè)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪輻式溫度補(bǔ)償型光纖光柵壓力傳感器，其特征在于對(duì)稱(chēng)式輪輻機(jī)構(gòu)，可為四個(gè)輪輻或八個(gè)輪輻的對(duì)稱(chēng)機(jī)構(gòu)，輪輻橫截面為矩形，而外形可為矩形、梯形及弧形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪輻式溫度補(bǔ)償型光纖光柵壓力傳感器，其特征在于光纖光柵為光纖布喇格光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪輻式溫度補(bǔ)償型光纖光柵壓力傳感器，其特征在于光纖為單模光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪輻式溫度補(bǔ)償型光纖光柵壓力傳感器，其特征在于光纖耦合器是2×2或1×2光纖耦合器，或是三端口或四端口的光環(huán)行器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪輻式溫度補(bǔ)償型光纖光柵壓力傳感器，其特征在于光源是寬帶光源或可調(diào)諧光纖激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪輻式溫度補(bǔ)償型光纖光柵壓力傳感器，其特征在于光探測(cè)器是多波長(zhǎng)計(jì)或光纖光譜儀。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種新型輪輻式溫度補(bǔ)償型光纖光柵壓力傳感器，并具有溫度補(bǔ)償功能，特別是能夠?qū)毫M(jìn)行高精度感測(cè)的光纖光柵傳感器。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)具有抗剪切的對(duì)稱(chēng)式輪輻機(jī)構(gòu)，壓力傳感光柵粘貼在輪輻側(cè)面中間與中性軸線(xiàn)成一定角度的方向上，溫度補(bǔ)償光柵粘貼在不受壓力作用的基座上。當(dāng)荷載作用于嵌入內(nèi)環(huán)頂部的受力柱表面?zhèn)鬟f到一個(gè)輪輻式彈性體上時(shí)，該輪輻受到剪應(yīng)力的作用，使粘貼其上的光纖光柵周期發(fā)生變化，通過(guò)光探測(cè)器可得到傳感光柵及補(bǔ)償光柵的兩個(gè)反射峰。通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)反射峰的變化量的差值，即可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)母呔葔毫Ω袦y(cè)。該傳感器可用于荷載的高精度壓力測(cè)量。并且，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)傳感機(jī)構(gòu)，亦可對(duì)液體和氣體進(jìn)行高精度壓力感測(cè)。
文檔編號(hào)G01L1/24GK2727720SQ20042002899
公開(kāi)日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2004年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月19日
發(fā)明者張偉剛, 開(kāi)桂云, 李紅民, 涂勤昌, 劉波, 曹曄, 羅建花, 董孝義, 袁樹(shù)忠 申請(qǐng)人:南開(kāi)大學(xué)