專利名稱：采用在線成型工藝制成的光纖光柵自補償應(yīng)變傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溫度傳自技術(shù)領(lǐng)域。 背景魷
光纖光柵是利用光纖材料的光敏性在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用實 質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾波或反射鏡。光纖光柵具有波長編碼、易于 實現(xiàn)波分復(fù)用、抗電磁干擾、傳輸損耗低、體積小、重量輕等優(yōu)點，是目前極 具發(fā)展前景的光纖無源器件，在光纖傳自lj試領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
光纖光柵xt，和應(yīng)變同時敏感， 一般情況下很難區(qū)分溫度和應(yīng)，傳感
器波長的影響，嚴(yán)驟響其在光纖傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，需要對光柵進(jìn)斤溫 度補償，剔除溫度對光柵波長的影響。
目前主要的溫度補償方法可分為以下兩類
1、 引入一個iX)(t鵬敏感的離補償光柵，對傳繊進(jìn)行驢補償。該
方法實現(xiàn)原理簡單，補償效果也很理想，但該方法的主要問題在于 一個傳感 頭中必須iSA兩個光纖光柵，而目前光柵寫入成本還較高，這樣會導(dǎo)致傳SH 的價格大幅提升，不利于產(chǎn)品的市場化推廣，同時，在進(jìn)行傳感器封裝時也不 利于產(chǎn)品的小型化。
2、 通皿當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)對光纖光柵的纟顯度自補償。該方法一個傳 感頭只需要一根光纖光柵，大幅降低了傳感器的成本，同時還有利于傳 封 裝小型化。例如采用不同熱膨脹系數(shù)材料進(jìn)行封裝的方法，是目前的研究熱點。 但是目前的大部分溫度自補償方法均采用點式粘接的方法進(jìn)行光柵與傳感元 件之間的連接，容易造成光柵粘貼不牢的問題，從而導(dǎo)致傳繊i頓壽命的大 大降低，甚至可能會導(dǎo)致傳感器在服役期內(nèi)提前失效。針對該問題，有研究人 員提出采用負(fù)膨脹材料封裝法，該法將光纖光柵整體粘貼在負(fù)膨脹材料上，實 艦光纖光柵的驢自補償。f鵬法的問題在于:并不能用于制作應(yīng)變傳麟， 目前主要應(yīng)用于光通信領(lǐng)域；此外，該方案僅僅是改善了傳感器的^!l^^抗 老化能力，提高了粘接可靠性，并沒有完全消除由于膠粘工藝帶來的一系列問 題。筆者也提出了一種采用金屬材料封裝的光柵應(yīng)變傳感器，在實現(xiàn)光柵的整 體粘貼的同時，還能實I，變測量。但 匕方案同樣采用了對光柵的膠粘方式， 并不能完全避免膠粘法導(dǎo)致的一系列問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種采用在線成型工藝制成的光纖光柵自補償應(yīng) 變傳感器，其特點是原理獨特，當(dāng)環(huán)衞驢升高或斷氐時，可通過應(yīng)力變形 作用，實5艦光柵波長驢漂移的自動補償，可做到補償精確，工作穩(wěn)定性好， 寸頓方便、可靠、壽命長，可從根本上解決已有技術(shù)中光柵膠粘工藝易蠕變、 易老化、光柵結(jié)合不可靠、壽命短等問題。
本發(fā)明的主要技術(shù)方案是 一種采用在線成型工藝審喊的光纖光柵自補償 應(yīng)變傳感器，其特征在于設(shè)有補償裝置，該補償裝置由件B和實心體串連式 連接構(gòu)成，實心體是采用在線成型工藝將光纖光柵整體埋入固定于其中制成
的，光纖光柵處于串連軸線上或其平行線上；件B和實心體的橫截面積、熱膨
脹系數(shù)中至少有一項互不相同；當(dāng)該補償裝置兩端固定,且溫度變化時，在線 彈性范圍內(nèi)，件B和實心體熱應(yīng)力相互作用導(dǎo)致實心體承受壓應(yīng)變或拉應(yīng)變
導(dǎo)致光柵波長向短波或長波方向移動，實5JW光柵波長M漂移的自動補償。 件B和實心體為線彈性材料，工作范圍在線彈性范圍內(nèi)。
所述的光纖為單模光纖，或用多模光纖。
所述的實心體為具有負(fù)溫度系數(shù)的材料為佳；所述的實心體不局限于具有 負(fù)》鵬系數(shù)的材料，為正驢系數(shù)材料亦可，同樣能實現(xiàn)驗補償；件B為具 有正、鵬系數(shù)的金屬材料為佳。也可以是非金屬材料。
所述的具有負(fù)鵬系數(shù)的材料為芳綸纖維增強樹脂基復(fù)合材料為佳。或為 其他負(fù)皿系數(shù)的材料。
所述的光纖光柵為光纖布拉格光柵為佳。
所述的實心體是按下述制成的:先將光纖光柵整體埋入實心體的生產(chǎn)模具 中，再澆注芳綸纖維增強樹脂基復(fù)合材料在線成型,實現(xiàn)實心體與光纖光柵的結(jié) 構(gòu)一體化。
所述的件B采用在線成型工藝將光纖埋入固定于其中制成的為佳。 所述的補償管的兩端固定在固定架體上為佳。
戶脫的固定架體是可采用金屬材料或復(fù)合材料，實心體的兩端采用樹脂膠 粘接固定于件B和固定架上，件B可為金屬材料管，件B和外管之間或為焊接， 或為粘結(jié)連接等。
所述的實心體和管可滿足下列公式，以實現(xiàn)完全鵬補償<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，《為所使用的光柵的纟鵬敏感系數(shù)，《2為光柵的應(yīng)變敏感系數(shù),實 心體和管的熱膨脹系數(shù)分別為&2、 ^3;實心體和管的長度、橫截面積、彈性
模量分別為丄2、￡3、S2、S3、￡,、 ￡2。
本發(fā)明的積極效果是:本發(fā)明解決了長期以來人們一直想解決而又一直未 能很好地解決的一大技術(shù)難題，與現(xiàn)有無源封裝方式具有完全不同的原理，原 理獨特，當(dāng)環(huán)境溫度升高或降低時，通過應(yīng)力變形作用，可實5JW光柵波長溫 度漂移的自動補償，同對又能徹底解決己有技術(shù)中膠粘工藝導(dǎo)致的光柵與傳感 器結(jié)合不可靠的問題，可做到補償精確，工作穩(wěn)定性好，且體積小巧、成本低 廉、易于加工、{頓方便、可靠、壽命長，性能可靠；成型工藝簡便，能保證 補償性能可靠，從根本上解決了己有技術(shù)中光柵膠粘工藝易蠕變、易老化、光 柵結(jié)合不可靠、壽命短等問題。
以下結(jié)合實施例及附圖作進(jìn)一步詳述，但不作為對本發(fā)明的限定。


圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖l中各標(biāo)號含義為1.外管，2.實心體，3.件B， 4.光纖光柵，5. 焊接結(jié)構(gòu)，6.光纖。 具體實 式
參見圖1 圖3:該溫度自補償功能的光纖光柵應(yīng)變傳感器，設(shè)有補償裝 置，補償裝置由件B3和實心體2串連式連接構(gòu)成，件B3為金屬管；光纖為 多模光纖，光纖光柵4整體埋入固定于實心體2中，光纖從件B 3的內(nèi)孔中通過。 金屬外管1 、件B 3均為具有正溫度系數(shù)的金屬材料。實心體2為具有負(fù)皿 系數(shù)的材料，為芳綸纖維增強樹脂基復(fù)合材料。光纖光柵4為光纖布拉格光柵。 所述的補償管的兩端固定在固定架體上。固定架體為金屬外管l。所述的實心 體2的兩端用雙組分環(huán)氧樹脂膠WI^粘結(jié)層固定于件B 3和金屬外管1上件 B 3為金屬材料管，件B 3和金屬外管1之間為焊接結(jié)構(gòu)6。所述的實心體2 和件B3滿足下列公式<formula>formula see original document page 6</formula>其中，A為所f頓的光柵的驢敏感系數(shù)，&為光柵的應(yīng)變敏感系數(shù),實
心體2和件B 3的熱膨脹系數(shù)分別為"r2 、 "r3;實心體2和件B 3的長度、橫 截面積、彈性模量分別為4、 Z3、 S2、 S3、 ￡,、 ￡2。
用本封裝結(jié)構(gòu)制作的光纖光柵^補償應(yīng)變傳感器^g補償效果如圖2
所示?！幅i補償前，光纖光柵的 驢敏感性為11.7，/°C，鵬補償后，驢 敏感性斷氏至0.6，/""C，僅為封裝前的5%，驢補償效果良好。
使用本發(fā)明的封裝結(jié)構(gòu)制作的光纖光柵應(yīng)變傳繊其應(yīng)變傳賺性如圖3 所示。封裝前，光纖光柵的應(yīng)變敏感性為1.2，//^,封裝后其應(yīng)變敏感性為 1.4戸///"良好的實現(xiàn)了應(yīng)變增敏。經(jīng)鄉(xiāng),效果很好。
成型工藝實施例指實心體2的制作工藝為:先將光纖光柵4整體埋入實 心體2的生產(chǎn)模具中，再澆注芳綸纖維增強樹脂基復(fù)合材料在線成型(澆鑄方 法同已有技術(shù))，實現(xiàn)實心體2與光纖光柵4的結(jié)構(gòu)一體化?；驖沧⑺芰弦嗫?。
度補償基本原理為傳感器各部件間采用上述方式進(jìn)行結(jié)合，彼此間 均存在相互作用力；光纖光柵整體埋入芳綸纖維增強樹脂基復(fù)合材料中。當(dāng)環(huán) 境，改變時，通過傳感器部件間的熱應(yīng)力相互作用產(chǎn)，光纖光柵的應(yīng)變， 可抵消因環(huán)境皿改變造成光柵^漂移。
*^補償主要優(yōu)點在于，采用在線成型工藝將光纖光柵整體植入芳綸纖 維復(fù)合材料中，這樣就完全解決了膠粘造成的粘貼不牢、容易老化失效等問題， 大大提高了傳感器的工作穩(wěn)定性及其i頓壽命。同時，該方案實現(xiàn)原理簡單， 封裝工藝簡便，同時還具有成本低廉、易于加工、體小質(zhì)輕等優(yōu)點。
下面對本發(fā)明的光纖光柵溫度補償原,應(yīng)變傳感原:M行詳細(xì)說明
圖l所示傳感器中，實心體2為傳感器的^g補償元件，件B3起溫度補 償和應(yīng)變傳遞作用，外管1的主要作用是保護(hù)傳感器內(nèi)部元件，以及承受被測 結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，并將其傳遞至實心體2和件B3。設(shè)計時應(yīng)假定外管1不隨內(nèi)部 管件的應(yīng)力作用而變形，僅鈔卜界應(yīng)力的影響。這是因為在實際工程應(yīng)用中， 傳感器一般粘貼在大型結(jié)構(gòu)表面，或是埋入結(jié)構(gòu)體中，隨大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變而發(fā) 生同步變形。傳感器內(nèi)部管件B的應(yīng)力對大型結(jié)構(gòu)體應(yīng)變的影響可以忽略不 計。
該傳感器的溫度補償原理是當(dāng)溫度升高時，件B3會發(fā)生膨脹，而實心 體2的負(fù)熱膨脹系數(shù)的絕對值小于件B 3的熱膨脹系數(shù)，這樣實心體2和件B 3之間便會產(chǎn)生熱應(yīng)力c。在傳 設(shè)計時，使件B 3的剛度(彈性模量Ex 橫截面積S)大于實心體2，故熱應(yīng)力^〉q，件B3擠壓實心體2，結(jié)果導(dǎo) 致實心體2縮短，造成光柵的中心波長向短波方向漂移，就能抵消由于驢上 升所導(dǎo)致的光柵波長改變，實SM光柵的驗補償。驢降低時亦然。
該傳感器的應(yīng)變傳遞原理為當(dāng)外管l承鈔卜界應(yīng)變時，實心體2和件B 3都會發(fā)生變形，m變的方向一致，外管1和實心體2的之間應(yīng)變關(guān)系存 在一定的關(guān)系式。而光纖光柵4與實心體2之間、及外管l與被測結(jié)構(gòu)之間，
均為同步變皿態(tài)，故可根據(jù)光柵所承受的應(yīng)變計算出結(jié)構(gòu)應(yīng)變，實現(xiàn)光纖光
柵的應(yīng)變傳感。此外，皿適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計，可使實心體2上發(fā)生的應(yīng)變^大 于外管1所承受的外界應(yīng)變^ ，從而實現(xiàn)應(yīng)變增敏的效果。
下面分析傳sm^補償原理的具體實施及完全補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計公式
假設(shè)使用的光纖光柵的溫度敏感系數(shù)為A/7m /°C ，應(yīng)變敏感系數(shù)為
^戸/z^ 。即當(dāng)離改變rc時，光柵波長改變?yōu)锳，；光柵承受應(yīng)變?yōu)?/^ 時，光柵波長變化為&，。
若實5艦光纖光柵鵬的完全補償，貝陏
AAT^-^As (1) 其中Ar為光纖光柵溫度的改變量，Ae為對光纖光柵施加的應(yīng)變量。 本發(fā)明4頓的光纖光柵的/^11.7，/。C，《2=1.2，/^，代入可得
^ = -^ = -9.75^廠C。因此，若要實IW光柵驢的完全補償，
△r 1.2
當(dāng)溫度升高1。C時，需要對光柵進(jìn)行9.75/zs的壓應(yīng)變；，降低時亦然。
假設(shè)沒有外界應(yīng)力的作用，傳感器僅受溫度影響，外管l的長度A保持不 變，貝U2縮短的長度等于件B3伸長的長度，艮P AI,-AL2 (2)
在這里有一點需要特別注意在溫度改變的情況下，外管1會由于熱膨脹 的作用發(fā)生長度改變，而把傳S^粘貼在大型結(jié)構(gòu)體上時，由于被測結(jié)構(gòu)一般 由大型混凝土或是鋼鐵構(gòu)成，故也會由于鵬的升高(降低)發(fā)生熱膨脹(收菊。 但是傳感器監(jiān)測的結(jié)構(gòu)體發(fā)生的應(yīng)變應(yīng)該也包括由于溫度影響而造成的結(jié)構(gòu) 體的熱膨脹(或熱收輸。所以在分析驗補償?shù)臅r候，若令傳繊不受外界應(yīng) 變影響，就必須假定外管1的長度不變。外管1長度的樹可改變量~~^管 是由于結(jié)構(gòu)^Mit改變造成的熱膨脹(或熱收勒，還是結(jié)構(gòu)承鈔卜界應(yīng)力所發(fā) 生的變^~tP應(yīng)該由應(yīng)變傳感器如實的反映出來。
由式(1)可知，實心體2的應(yīng)變?yōu)閟2=-^Ar; 件B3的應(yīng)變?yōu)椤?=|^厶7%
K2丄3
引入熱應(yīng)力方程e = ^ + "rAT
五
式中，c7f為熱應(yīng)力，^為材料的熱膨脹系數(shù)，Ar為鵬的變化量。
上式可改寫為
s = ^i+a Ar(3)式中，F(xiàn)r為熱約束力，S為材料的橫截面積。
當(dāng)MS升高時，實心體2和件B 3的熱膨脹系數(shù)為正，都有膨脹伸長的 趨勢，但是由于3剛度比較大，反而擠壓實心體2，導(dǎo)致實心體2發(fā)生壓應(yīng)變。 實心體2的熱應(yīng)力方程為
<formula>formula see original document page 9</formula>(4)
件B3的熱應(yīng)力方程為:
<formula>formula see original document page 9</formula>(5)，因此，可得傳 的結(jié)構(gòu)設(shè)計方程為:
<formula>formula see original document page 9</formula> (6)
式(6)即為當(dāng)實現(xiàn)完全^it補償時，傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計公式。
接下來分析傳感器的應(yīng)變傳感特性。設(shè)傳感器不受溫度影響，傳感器粘貼 在被測結(jié)構(gòu)物上，外管1隨被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變而發(fā)生同步變形，產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)閊 ， 長度改變?yōu)锳L，，且滿足
AI,AL2+Al3 (8)
則(2)與(3)的應(yīng)變之比為 <formula>formula see original document page 9</formula>(9)
又知<formula>formula see original document page 9</formula> (10)，聯(lián)立(9)、 (10)可得:
<formula>formula see original document page 9</formula> (11)
故s,
<formula>formula see original document page 9</formula> (12)
上式整理可得<formula>formula see original document page 10</formula> (13) 式(13)即為傳感器的應(yīng)變傳感公式。
若<formula>formula see original document page 10</formula>，則有E2〉E1，可實現(xiàn)應(yīng)變增敏，能提高測量靈敏度和精度
上述的溫度系數(shù)均指熱膨脹系數(shù)。
權(quán)利要求
1、一種采用在線成型工藝制成的光纖光柵自補償應(yīng)變傳感器，其特征在于設(shè)有補償裝置，該補償裝置由件B(3)和實心體(2)串連式連接構(gòu)成，實心體(2)是采用在線成型工藝將光纖光柵(4)整體埋入固定于其中制成的，光纖光柵處于串連軸線上或其平行線上；件B(3)和實心體(2)的橫截面積、熱膨脹系數(shù)中至少有一項互不相同；當(dāng)該補償裝置兩端固定，且溫度變化時，在線彈性范圍內(nèi)，件B(3)和實心體(2)熱應(yīng)力相互作用導(dǎo)致實心體(2)承受壓應(yīng)變或拉應(yīng)變導(dǎo)致光柵波長向短波或長波方向移動，實現(xiàn)對光柵波長溫度漂移的自動補償。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的采用在線成型工藝制成的光纖光柵自補償應(yīng)變傳 感器，其特征在于所述的光纖為單模光纖或多模光纖。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的采用在線成型工藝制成的光纖光柵自補償應(yīng)變傳 感器，其特征在于所述的實心俠2)為具有負(fù)鵬系數(shù)的材料，件B(3)為具有 正，系數(shù)的金屬材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要^3所述的采用在線成型工藝制成的光纖光柵自補償應(yīng)變傳 感器，其特征在于所述的具有負(fù)溫度系數(shù)的材料為芳綸纖維增強樹脂基復(fù)合材 料。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的采用在線成型工藝制成的光纖光柵自補償應(yīng)變傳 感器，其特征在于所述的光纖光柵(4)為光纖布拉格光柵。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用在線成型工藝制成的光纖光柵自補償應(yīng)變 傳感器，其特征在于所述的實心體(2)是按下述制成的:先將光纖光柵光柵(4) 整體埋入實心俠2)的生產(chǎn)模具中,再澆注芳綸纖維增強樹脂基復(fù)合材料在線成 型,實現(xiàn)實心俠2)與光纖光柵(4)的結(jié)構(gòu)一體化。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用在線成型工藝制成的光纖光柵自補償應(yīng)變 傳感器，其特征在于所述的件B(3)是采用在線成型工藝將光纖埋入固定于其 中制成的。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5、 6或7所述的采用在線成型工藝制成的光 纖光柵自補償應(yīng)變傳感器，其特征在于所述的補償管的兩端固定在固定架體 上。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用在線成型工藝制成的光纖光柵自補償應(yīng)變傳 感器，其特征在于所述的固定架體是一個金屬外管(l)，實心俠2)的兩端采用 樹脂膠粘接固定于件B(3)和金屬外管(1)上，件B("為金屬材料管，件B("和 金屬外管(1)之間焊接連接。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用在線成型工藝制成的光纖光柵自補償應(yīng)變 傳繊，其特征在于所述的實心俠2)和件B(3)滿足下列公式<formula>formula see original document page 3</formula>其中，A為所使用的光柵的鵬敏感系數(shù)，尺2為光柵的應(yīng)變敏感系數(shù)，實心俠2)和管(3)的熱膨脹系數(shù)分別為&2、 "r3;實心倂2)和件B(3)的長度、橫 截面積、彈性模量分別為A、 ￡3、 &、 V ￡。 ￡2。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種采用在線成型工藝制成的光纖光柵自補償應(yīng)變傳感器，涉及溫度傳感器技術(shù)領(lǐng)域。補償裝置由件B和實心體串連式連接構(gòu)成，實心體是采用在線成型工藝將光纖光柵整體埋入固定于其中制成的，件B和實心體的橫截面積、熱膨脹系數(shù)中至少有一項互不相同。本發(fā)明的積極效果是當(dāng)環(huán)境溫度升高或降低時，通過應(yīng)力變形作用，可實現(xiàn)對光柵波長溫度漂移的自動補償，可做到補償精確，工作穩(wěn)定性好，而且體積小巧，成本低廉、易于加工、工作穩(wěn)定性好，使用方便、穩(wěn)定、可靠、壽命長；其成型工藝簡便，能保證補償性能可靠，解決了已有技術(shù)中光柵膠粘工藝易蠕變、易老化、光柵結(jié)合不可靠、壽命短等問題。
文檔編號G01B11/16GK101382420SQ200810079639
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者劉晨曦, 孫寶臣, 李劍芝, 杜彥良 申請人:石家莊鐵道學(xué)院