本發(fā)明涉及一種應(yīng)變傳感測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器。

背景技術(shù)：

光纖布拉格光柵是一種非常有實(shí)用價(jià)值的光學(xué)傳感器，具有體積小、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。目前，光纖布拉格光柵在實(shí)際傳感測(cè)量中，存在應(yīng)變和溫度交叉敏感問(wèn)題。解決交叉敏感問(wèn)題的技術(shù)方法主要有：雙光柵法、光纖布拉格光柵-FP腔法、錐形光柵法、微結(jié)構(gòu)光柵法、不同溫度系數(shù)材料封裝法和負(fù)溫度膨脹系數(shù)封裝法等。

雙光柵法采用參考光柵、雙波長(zhǎng)光柵或者長(zhǎng)周期光柵與布拉格光柵的組合，通過(guò)求解溫度與應(yīng)變的方程組實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的傳感測(cè)量，該方法需要使用多光柵，需要對(duì)溫度或應(yīng)變進(jìn)行隔離，傳感器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；光纖布拉格光柵-FP腔法通過(guò)測(cè)量反射光中峰值波長(zhǎng)漂移以及光強(qiáng)變化實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量；錐形光纖光柵法通過(guò)功率測(cè)量實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量，但精度和穩(wěn)定性受到限制；不同溫度材料系數(shù)封裝法及負(fù)溫度膨脹系數(shù)封裝法均通過(guò)材料不同的熱膨脹系數(shù)，消除溫度的交叉干擾，但不同材料的匹配設(shè)計(jì)工藝較為復(fù)雜。因此，制作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、消除溫度交叉干擾的光纖應(yīng)變傳感器是目前光纖光柵應(yīng)變傳感領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單同時(shí)可以消除溫度交叉干擾。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器包括基片、光纖光柵和保護(hù)套管。

所述基片包括應(yīng)變感應(yīng)區(qū)和溫度補(bǔ)償區(qū)，所述應(yīng)變感應(yīng)區(qū)材料與溫度感應(yīng)區(qū)材料相同。

所述應(yīng)變感應(yīng)區(qū)下表面與被測(cè)物體表面直接接觸，溫度感應(yīng)區(qū)下表面未與被測(cè)物體表面接觸，置于被測(cè)物體上空；所述應(yīng)變感應(yīng)區(qū)和溫度補(bǔ)償區(qū)的上表面在同一水平面上，所述應(yīng)變感應(yīng)區(qū)和溫度補(bǔ)償區(qū)上表面設(shè)有凹槽。

所述光纖光柵置于凹槽內(nèi)；所述光纖光柵包括連為一體的第一光纖光柵和第二光纖光柵，所述第一光纖光柵的自由端和第二光纖光柵的自由端對(duì)應(yīng)的伸出凹槽外。

所述保護(hù)套管置于第一光纖光柵和第二光纖光柵兩端的自由端處。

優(yōu)選的，所述基片的材料為鋁、鈹青銅、不銹鋼或合金鋼。

優(yōu)選的，所述應(yīng)變感應(yīng)區(qū)和溫度補(bǔ)償區(qū)的結(jié)構(gòu)是分立式或一體式；應(yīng)變感應(yīng)區(qū)和溫度補(bǔ)償區(qū)結(jié)構(gòu)是分立式，兩側(cè)端面通過(guò)焊接、高溫高壓壓接或膠接或合頁(yè)連接方式連接。

優(yōu)選的，固定光纖光柵的方式還包括直接粘貼于基片的上表面，光纖光柵通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘貼固定或者玻璃焊料點(diǎn)焊方式固定。

優(yōu)選的，所述凹槽的形狀是U型或V型，U型槽或V型口的深度和寬度為3mm-10mm。

優(yōu)選的，所述應(yīng)變感應(yīng)區(qū)和溫度補(bǔ)償區(qū)的形狀是多邊形、圓形或橢圓形。

優(yōu)選的，所述的第二光纖光柵在應(yīng)變感應(yīng)區(qū)內(nèi)，第一光纖光柵在溫度補(bǔ)償區(qū)內(nèi)。

優(yōu)選的，所述的保護(hù)套管搭接在兩側(cè)凹槽上并用環(huán)氧樹(shù)脂或玻璃焊固定，所述保護(hù)套管材質(zhì)為金屬材質(zhì)。

優(yōu)選的，所述應(yīng)變感應(yīng)區(qū)厚度比溫度補(bǔ)償區(qū)厚度厚10mm-15mm，所述應(yīng)變感應(yīng)區(qū)的厚度為25mm-50mm。

本發(fā)明的有益效果是：一種溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器制作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)應(yīng)變感應(yīng)區(qū)與溫度補(bǔ)償區(qū)的厚度不同，溫度感應(yīng)區(qū)光纖光柵不感受應(yīng)力應(yīng)變變化，實(shí)現(xiàn)不受力光柵補(bǔ)償；應(yīng)變感應(yīng)區(qū)與溫度補(bǔ)償區(qū)材料相同避免不同材料產(chǎn)生的蠕變及溫度熱膨脹等效應(yīng)的不一致現(xiàn)象，消除了溫度交叉干擾。

附圖說(shuō)明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示出本發(fā)明一種溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出本發(fā)明一種溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器的基片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3示出本發(fā)明一種溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器的光纖光柵傳感器光譜圖；

圖4示出本發(fā)明當(dāng)溫度不變、應(yīng)變發(fā)生改變時(shí)光纖光柵測(cè)試光譜圖；

圖5示出本發(fā)明當(dāng)溫度和應(yīng)變同時(shí)發(fā)生改變時(shí)光纖光柵測(cè)試光譜圖；

圖6a示出本發(fā)明一種溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器的傳感器玻璃焊方式安裝示意圖；

圖6b示出本發(fā)明一種溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器的傳感器環(huán)氧膠粘貼方式安裝示意圖。

具體實(shí)施方式

通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開(kāi)的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書(shū)的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類(lèi)似的部件，或者相同或類(lèi)似的步驟。

本發(fā)明的工作原理是：由耦合模理論，光纖光柵布拉格的波長(zhǎng)可用式(1)表示：

λ_B＝2n_effΛ (1)

n_eff為有效折射率；Λ為光柵周期。

本傳感器在應(yīng)變和溫度同時(shí)作用下，光譜發(fā)生分離，溫度補(bǔ)償區(qū)只反映溫度變化，用式(2)表示：

Δλ_B1表示固有峰波長(zhǎng)漂移；

α表示光纖光柵的熱膨脹系數(shù)；

ξ表示光纖光柵的熱光常數(shù)；

應(yīng)變敏感區(qū)反映溫度和應(yīng)變同時(shí)作用，用式(3)表示：

Δλ_B2表示自由峰的波長(zhǎng)漂移；P_e表示光纖光柵的有效彈性系數(shù)；

其中，本發(fā)明中采用的光纖光柵P_e,α,ξ三個(gè)參數(shù)為：

P_e＝～0.22，α＝2.3×10^-6/℃，ξ＝7×10^-6/℃；

α_sub表示基片的材料熱膨脹系數(shù)；α_sub＝23×10^-6/℃(當(dāng)基片材料為鋁，不同材料這個(gè)值不同)

通過(guò)測(cè)量雙峰(固有峰和自由峰)中心波長(zhǎng)值，根據(jù)式(2)和式(3)建立方程組，將應(yīng)變區(qū)感應(yīng)到的溫度效應(yīng)減去溫度補(bǔ)償區(qū)的溫度，即可解算出應(yīng)變變化ε。

實(shí)施例1

圖1為本發(fā)明一種溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示包括應(yīng)變感應(yīng)區(qū)102、溫度補(bǔ)償區(qū)101、第一光纖光柵103、第二光纖104、保護(hù)套管105和環(huán)氧樹(shù)脂106。

其中圖2為本發(fā)明基片的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，基片包括應(yīng)變感應(yīng)區(qū)102和溫度補(bǔ)償區(qū)101，本實(shí)施例中應(yīng)變感應(yīng)區(qū)102和溫度補(bǔ)償區(qū)101為一體式，在應(yīng)變感應(yīng)區(qū)102和溫度補(bǔ)償區(qū)101上表面設(shè)有U型槽，所述U型槽沿基片長(zhǎng)度方向設(shè)計(jì)，位于基片上表面的幾何中心位置，槽深度和寬度5mm與保護(hù)套管105尺寸間隙配合。如圖2所示本實(shí)施例中基片形狀為長(zhǎng)方形，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變感應(yīng)區(qū)102和溫度補(bǔ)償區(qū)101形狀為長(zhǎng)方形。

其中應(yīng)變感應(yīng)區(qū)102與溫度補(bǔ)償區(qū)101形狀不限于是長(zhǎng)方形，還可以是其他多邊形、圓形或橢圓形。

可以是其他多邊形、圓形或橢圓形。

其中應(yīng)變感應(yīng)區(qū)102和溫度補(bǔ)償區(qū)101結(jié)構(gòu)不限于為一體式，還可以是分立式，當(dāng)應(yīng)變感應(yīng)區(qū)102和溫度補(bǔ)償區(qū)101結(jié)構(gòu)為分立式時(shí)，連接處通過(guò)通過(guò)焊接、高溫高壓壓接或膠接或合頁(yè)連接方式連接。凹槽不限于是U型槽，還可以是V型槽或者不設(shè)計(jì)凹槽。

當(dāng)不設(shè)置凹槽時(shí)，第一光纖103和第二光纖104直接置于基片上表面，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂或玻璃焊固定。

基片的材料為鋁、鈹青銅、不銹鋼或合金鋼，應(yīng)變感應(yīng)區(qū)102與溫度補(bǔ)償區(qū)101材質(zhì)相同。本實(shí)施例中使用的材質(zhì)為鋁。應(yīng)變感應(yīng)區(qū)鋁板厚度為25mm，溫度補(bǔ)償區(qū)厚度為15mm，在使用過(guò)程中，應(yīng)變感應(yīng)區(qū)102下表面置于被測(cè)物體上表面與被測(cè)物體直接接觸，由于溫度補(bǔ)償區(qū)101與應(yīng)變感應(yīng)區(qū)102存在厚度差，溫度補(bǔ)償區(qū)101置于被測(cè)物體表面上空。

如圖1所示第一光纖光柵103和第二光纖光柵104為一體置于U型槽內(nèi)，第一光纖光柵103和第二光纖光柵104的自由端伸出U型槽外，在兩個(gè)自由端的外圍套有保護(hù)套管105，置于U型槽內(nèi)的光纖光柵通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂106粘貼固定。保護(hù)套管105搭接在U型槽上并用環(huán)氧樹(shù)脂或玻璃焊固定。

圖6a為本發(fā)明一種溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器的傳感器玻璃焊方式安裝示意圖；圖6b為本發(fā)明一種溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器的傳感器環(huán)氧膠粘貼方式安裝示意圖，本實(shí)施例中圖6b所示方式，使用環(huán)氧樹(shù)脂106固定，保護(hù)套管材質(zhì)為金屬材質(zhì)。

第一光纖光柵103置于溫度補(bǔ)償區(qū)101內(nèi)，第二光纖光柵104置于應(yīng)變感應(yīng)區(qū)102內(nèi)，在使用時(shí)將基片置于被測(cè)物體上方。在作用力作用在被測(cè)物體上，溫度補(bǔ)償區(qū)101不發(fā)生變化，應(yīng)變感應(yīng)區(qū)102發(fā)生應(yīng)變感應(yīng)變化，對(duì)應(yīng)光譜會(huì)發(fā)生分裂，根據(jù)分裂譜進(jìn)行應(yīng)變和溫度的解耦測(cè)量。

圖3為本發(fā)明一種溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器的光纖光柵傳感器光譜圖。如圖3所示，上圖是傳感器原始光譜，在沒(méi)有溫度和應(yīng)變改變時(shí)，只有單峰；下圖是在有應(yīng)變作用在基片應(yīng)變感應(yīng)區(qū)102時(shí)，傳感器檢測(cè)到的光譜發(fā)生分離。單峰譜分裂為自由鋒和固有峰，固有峰為溫度補(bǔ)償區(qū)柵區(qū)的反射譜。自由峰為應(yīng)變區(qū)柵區(qū)反射譜。

自由峰的漂移反映應(yīng)變和溫度的耦合效應(yīng)，固有峰只感應(yīng)溫度。根據(jù)式(2)固有峰波長(zhǎng)漂移和式(3)自由峰波長(zhǎng)漂移，其中Δλ_B2可以通過(guò)光譜儀獲得波長(zhǎng)量，經(jīng)過(guò)聯(lián)立兩個(gè)方程，即可實(shí)現(xiàn)溫度的補(bǔ)償解耦，獲得應(yīng)變?chǔ)抛兓?/p>

圖4為本發(fā)明當(dāng)溫度不變、應(yīng)變發(fā)生改變時(shí)光纖光柵測(cè)試光譜圖。如圖4所示，當(dāng)溫度不發(fā)生變化，只有應(yīng)變變化時(shí)，應(yīng)變區(qū)光柵感應(yīng)到應(yīng)變的作用，光纖光柵有效折射率和光柵周期在應(yīng)變作用下發(fā)生改變，而溫度補(bǔ)償區(qū)光柵不發(fā)生變化，使得光譜發(fā)生分離，拉應(yīng)變分離的光譜在右邊，偏離的大小與應(yīng)變大小成線性關(guān)系；壓應(yīng)變分離的光譜在左邊變化，偏離的大小與應(yīng)變大小成線性關(guān)系。

圖5為本發(fā)明當(dāng)溫度和應(yīng)變同時(shí)發(fā)生改變時(shí)光纖光柵測(cè)試光譜圖。如圖5所示，溫度和應(yīng)變同時(shí)改變時(shí)，應(yīng)變區(qū)檢測(cè)到的分離光譜反映了應(yīng)變和溫度的雙重作用，溫度補(bǔ)償區(qū)只反映了溫度的作用，將應(yīng)變區(qū)檢測(cè)到結(jié)果減去溫度影響，即可解決溫度交叉敏感問(wèn)題。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說(shuō)明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。