专利名称：评估地震破坏的有效应变计的制作方法
1.发明领域本发明一般涉及光波导传感器，尤其涉及能监视超过2000με应变的温度不敏感的光波导传感器。
2.相关技术的描述在一些国家的有些地区，必须在正常负符条件和发生地震、洪水等灾害后评估重要基础设施环境(即道路、桥梁与建筑物)的状况，比如州交通部与建筑公司可运用这类信息将修理费用减至最少，减少管道破裂，避免或探知灾害性事故。这类数据还可用来向应急队员告知结构内的危险状态，提供危险结构故障警告，并且或者给出供结构修理使用的详尽损坏信息。自动化诊断监视系统可通过实时处理该信息，监视结构的完整性并评估损伤情况，极少人工干预。
电气应变计包括电阻型应变计及其诸如压电、半导体与电容型应变计等同类产品，它们都是相当小巧的高度精密的应变测量装置，但缺点是动态范围很小，有一定滞后。传统的电阻应变传感器的应变系数小于4。潮气与温度等环境条件明显影响了电阻应变计的性能，因而这类应变要经常校正。如果原始电阻因环境效应而发生明显变化，应变计就显现不出其申明的校正系数，将会引入测量误差。对于传统的应变测量方法，若观察时间保持很短，则可减轻温度变化造成的应变计稳定性问题，否则除了应变以外，还要把该响应看作是温度(因而也是时间)的函数。与传统的电阻应变计相比，光学方法因其应变系数大而显得有经济效果，而且还与光纤通信系统相容，能以可靠的方法从远地访问。
基于光纤的传感器已应用于许多场合，包括位移(位置)、温度、压力，声音与应变。应用中，通常可把光学传感器的数据采集分成基本的两大类相位调制与光强调制。光强调制传感器一般与位移或其它一些同该传感器互作用的物理扰动有关联。扰动造成接收光强的变化，而光强与监视的参数相关。相位调制传感器将光在检测路径上的相位与基准相位作比较，相位差能以极高的灵敏度测得，但信号处理往往要求复杂的电子线路。而且，相位调制传感器一直用于测量温度，因此当应用于应变场合时，要求作温度校正。这类光学传感器的应用包括在现场监视薄膜淀积厚度。相位调制传感器通常比光强调制传感器更精密，但往往更昂贵，而且对温度等环境效应极为敏感。
本发明的光波导传感器克服了上述现有技术应变计的种种缺点。
发明内容
广义地讲，本发明包括一种光波导传感器，其机壳具有内外表面。机壳外表面施加至少两层，第1层包含低折射率材料，第二层包含高反射性材料。第一与第二光纤与机壳连通，一条已知光强的光束经机壳通过第一光纤而被第二光纤接收。该光束根据其通过机壳所经历的“反跳”或反射次数(由机壳的构造决定)而衰减，机壳构造则与其经历的弯曲应变直接相关。检测光束光强度变化的装置与第二光纤连通，后者的监视能力高达至少2000με。
在本发明一较佳实施例中，光波导传感器包括一根柔性的空心玻璃管，在其外侧淀积了一聚酰亚胺吸收层，再淀积一层铝等高反光层。被监视的参数是光束通过传感器管后出射光的光强。该光束根据其经历的“反跳”或反射次数(也是空心管传感器曲率半径的函数)而衰弱。管的曲率半径与管经历的弯曲应变直接相关，通过监视出射光束的光强，可以推算施加的应变。本发明的稳定性、坚固性与简便性有利于其应用于遥感场合。由于光纤技术能用来发送和接收光信号，所以能监视瞬时应变，并经传输链路立即将它中继或存贮下来供以后检索。
在本发明的另一较佳实施例中，本发明的光波导对超过2000με的应变具有约500的应变系数。机壳包括一空心玻璃波导，尺寸约0.5mm(内径)×0.8mm(外径)×100mm(长)。
该光波导传感器的机壳形状与普通电信设备相容，因而有利于将机壳配入智能系统阵列，在大楼、道路与桥梁等结构内作损伤评估。光纤把激发光信号送入机壳并从机壳里引出响应信号。在一较佳实施例中，机壳是一根小直径的玻璃管，它作为多个薄膜层的基片，薄膜层可优化成对预定的应变漂移提供最大动态范围。本发明包括涂有薄膜层玻璃管的光波导传感器，通过衰减激发信号的光强对弯曲应变作出响应，且很少或无滞后。
本发明的光波导传感器具有约500的大应变系数，对温度不敏感，即传感器在正常室外温度范围内(-20～50℃)对温度变化不作响应，造价低，不受电磁场影响，在化学上对潮气与酸雨等环境状况无反应，因而能将传感器埋在混凝土结构里而不用担心与混凝土起化学反应，并且易同光纤通信设备接口，即光纤与检测区之间的连接可以气密密封在光纤与毛细管之间。
附图简介
图1是本发明光波导传感器一实施例示意图。
图2是用于测试光波导传感器一实施例的结构示意图。
图3是光波导传感器应变响应曲线图，传感器包括的毛细管分别不涂覆、涂铝、涂聚酰亚胺和涂聚酰亚胺加铝。
图4是包括涂ITO和铝毛细管的光波导传感器的应变响应曲线图。
图5是对图3和4所示各类传感器列出应变系数的表格。
较佳实施例的描述参照图1，图示为本发明的光波导传感器10。机壳12有内表面14与外表面16。外表面16包括至少一层低折射率材料24和至少一层高反射性材料26。机壳12和层28与30的膨胀系数极小，如9×10-6in/in℃。在通常遇到的环境温度范围内，传感器10沿应变方向的基本尺寸不变。机壳12同第一与第二光纤28与30连通。当光通过机壳12、在机壳12内反射与折射并被第二光纤30接收时，用检测光强变化的装置(未示出)与第二光纤30相连通。
在本发明的该较佳实施例中，第一层24的低折射率材料是聚酰亚胺，第二层26的高反射性材料是铝。
实验本发明包括一种坚固的波导应变传感器，能监视高达至少2000με的应变。该传感器的有效应变元件包括其上沉积了光学活性材料薄膜的空心玻璃管。
10cm长的空心玻璃波导购自商家。评估的管型尺寸是防护白玻璃管，5mm内直径，0.20mm壁厚(Fisher Scientific，Pittsburgh PA)；以及涂了16～35μm聚酰亚胺的玻璃管，壁厚0.09mm，0.175mm，0.1075mm，管内直径分别为0.32mm、0.45mm与0.53mm(Alltech公司，Deerfield NY)。管子先用商业氨基玻璃清洁剂清洗，再用丙酮、甲醇与去离子水冲洗，接着在滤清的氮气中吹干。清洗后将它们置于臭氧等离子体室中2小时，去除任何剩余的有机表面污物。对光敏层评估了三种不同的薄膜涂层厚度为0.1～40μm的聚酰亚胺、氧化铟锡和氧化锌。认为适用于本发明目的的其它涂层包括硅与锗。
聚酰亚胺涂层是“普通”膜，由气相色谱供应室为柱毛细管提供。后两种材料由RF反应溅射法淀积。提供了活性涂层后，同样用反应溅射淀淀积铝质反射性外层(～0.5μm)。认为适合的其它反射层包括银、铂与钯。然后将源与检测器光纤用环氧树脂粘合剂管子的任一端。应用普通工业技术分别制备源和检测器光纤28与30的端部，形成与光纤和传感器轴线垂直的平面。
参照图2，实验设备的主要元件有1)在632～633nm范围内发射光能的氦氖激光源40，2)微操纵架42中将激光聚焦到源光纤28上的显微镜物镜，3)基准光电二极管束检测器44，4)检测束光电二极管检测器46，5)内置有位置检测50与比较器52的四点弯曲设备48。应用光束斩波与频率敏感放大法系统相对线路电源和激光器扰动而稳定。约4％的激光经光路中的分束器52导向基准二极管检测器44。以电子技术将基准信号分成传感器输出信号，以进一步减少随机噪声。用商业多模光纤把光源引到传感器输入端，并将传感器出射的光送到输出检测器。运用带可编程步进电机的四点弯曲设备ASTM C-1341-97制造应变，步进尺寸一般为0.25mm。
对于四点弯曲的棒或管而言，应变与偏转的关系为ϵ=δδ2+a2d-----(1)]]>式中δ是偏离管中心平衡的偏转，d是管外径，a是四点弯曲设备两可动(内部)柱之间距离的一半(本例中2a＝2.92cm)。
公式(1)给出了基于四点弯曲设备几何结构的应变测量值。量δ可直接测出，或通过建立一条δ与内部柱位移的校正曲线而精密地确定。在弯曲必须达到2000με的范围内，δ与位移成线性关系，故通过内部柱的直线位移能直接推算出δ。
结果该智能光学应变传感器应用的空心玻璃波导支架，在玻璃外部与反射(铝)外涂层之间设置了活性敏感材料。应变系数或应变响应计算如下G=ΔII0·1Δϵ---(2)]]>式中ΔI是光检测器二极管在两个应变级测得的光强变化，Δε为应变变化，I0为不应变状态的光强。由于光强与应变响应特性在测试应变范围内基本上是线性的，因而通过把I与ε曲线的斜率除以数据最佳拟合直线的I轴交点，可算出应变系数。实践中，被测参数是放大器的输出电压，而该放大器用来测量对传感器输出检测器二极管的光强变化的响应。将该电压除以基准二极管放大器的输出，再把这两个电压比给制成应变的函数。
当对传感器结构添加ITO层时，虽然减小了应变系数，但是明显扩大了量程。用于图4响应曲线的具体结构，是通过在涂覆聚酰亚胺的0.53mm内径管上先溅射0.9μm ITO再溅射0.5μm铝而形成的。该传感器结构的应变系数为410，信号在从不应变到2000με的变化外推于90％(减小)。与之相反地，对于无ITO活性层的各种试样(图3)，在同样应变范围内观察到的信号减小一般为50％。图5在表中归纳于图3和4结构的有关应变系数。
对传感器作循环应变，试验该光学传感器的再现能力。对于同样内径的管上制作的同样薄膜结构，从零到最大应变循环四次，应变计的再现性优于1％。
讨论光学应变波导传感器基于光损耗，这在激光束撞击波导内壁、横移过该壁(和其上的任何涂层)、从镜面外层(铝)反射并再次横移过波导涂层与壁时发生。当光撞击毛细管内表面时，有些被反射，有些被散射(非镜面反射)，而有些透射(折射)入管壁。这些过程也出现了后继的界面，根据菲涅耳与斯涅耳定律，其反射/透射比取决于堆层中每种材料的折射率。此外，根据吸收度，每种材料都吸收一定的光。因此，一次互作用以后，初始光强I0就减小为I1＝(1-f)I0，其中f是一次互作用的百分数损失。若有N次互作用，则最后光强为IN＝(1-f)NI0。若在外侧设置高度反射性涂层，实际上只有吸收与散射减小不束的光强，因为光波到达空间某一点时，反射与折射仅影响其相位。
当对传感器施加弯曲应变时，曲率增大，使光束与波导间的“反跳”或互作用次数增多，而每次反跳都有损失。公式(3)给出了反跳次数N作为曲率半径R的函数的方程N=12+ϵL2dcos-1(11+c)-----(3)]]>其中d为管子外径，ε为应变，L是应变计长度。
当对该结构把铝反射层用作外涂层时，逃逸的光很少，因而应变系数减小。这种情况得到了这样一种事实的支持，即涂有铝反射器的防护白玻璃毛细管呈现出最小的应变系数。射入管内的几乎所有光都到达出射端的检测器光纤。另一方面，完全不涂覆的防护白玻璃，每次反跳会损失大部分光强，因为光会全部逃离管子。因此，完全不涂覆的结构具有最大的应变系数。对有和设有反射外涂层的涂聚酰亚胺毛细管，情况也如此。因此，有人可能得出这样的结论，即“最佳的”传感器便是不涂覆的防护白玻璃，这对于最大应变小于1000με的应用可能如此(例如，在公路上用埋在道路中的光学传感器统计交通通道，可能要求传感器的响应对400με作优化)。然而，还有其它要考虑的因素。首先，防护白玻璃管的坚固性还不是以可靠地记录2000με而无故障。若壁部更薄，虽能承受更大的弯曲，但变得过脆弱而难以处置。对于气相色谱行业而言，增强措施是加装聚酰亚胺层。聚酰亚胺层提高了毛细管的柔性，允许减小壁厚度和更小的弯曲半径而无故障。作为评估的一部分，试验了三种尺寸涂聚酰亚胺的管子。
相信内径为0.53±0.012mm、壁厚为0.085±0.012mm、聚酰亚胺层为24±4μm厚的传感器，能与现在使用的多模光纤相配。应用这种特定的毛细管，应变很容易超过5000με。若要求作甚至更高应变的测量，可用更小更薄涂聚酰亚胺的壁的毛细管。
对于设计和最终应用于特定动态范围的光学传感器，可通过添加吸收层并修改其厚度而扩展它的动态范围。理想的是，最大应变将是导致光强减小为初始值的百分之几。
本发明的波导传感器是一种坚固、化学与热学稳定的波导，该传感器能监视超过2000με的应变，容易配入光纤数据采集系统。传感器上活性涂层的光学特性可对稳定的最大应变指优化成最大动态范围。涂聚酰亚胺的毛细管的应变至少达5000με，且具有更佳的容限控制。
上述说明限于本发明的一特定实施例，然后显然可对本发明作出变化与更改，并实现本发明的某些或全部优点。因此，所附权利要求书的目的在于包罗所有这类符合本发明的精神和范围的变化与更改。
权利要求
1.一种光波导传感器，其特征在于包括机壳，所述机壳有内表面和外表面，外表面至少有两层，第一层包括低折射率材料，而第二层包括高反射性材料；与机壳连通的第一光纤；与机壳连通的第二光纤；和在光通过机壳、在机壳内反射与折射且被第二光纤接收时检测其光强变化的装置，当机壳受应力时，所述光波导传感器能测量至少2000με。
2.如权利要求1所述的光波导传感器，其特征在于，机壳具有相对的第一与第二端，第一光纤与第一端连通，第二光纤与第二端连通。
3.如权利要求1所述的光波导传感器，其特征在于，第一层包括聚酰亚胺。
4.如权利要求1或3所述的光波导传感器，其特征在于，第二层包括铝。
5.如权利要求1所述的光波导传感器，其特征在于，第一层选自由聚酰亚胺、硅和锗组成的组。
6.如权利要求1或5所述的光波导传感器，其特征在于，第二层选自由铝、银、铂和钯组成的组。
7.如权利要求1所述的光波导传感器，其特征在于，传感器在-20～50℃范围内对温度不敏感。
8.如权利要求1所述的光波导传感器，其特征在于，光纤是多模光纤。
9.如权利要求1所述的光波导传感器，其特征在于，机壳包括玻璃。
10.如权利要求9所述的光波导传感器，其特征在于，机壳为圆柱形。
11.如权利要求10所述的光波导传感器，其特征在于，机壳尺寸为内径0.5mm×外径1mm×长100mm。
12.如权利要求11所述的光波导传感器，其特征在于，光波导传感器的应变系数为490。
全文摘要
一种光波导传感器(10),其机壳(12)具有外表面(16)和内表面(14),外表面(16)至少涂覆了两层,第一层是低折射率材料(24),第二层是高反射性材料(26)。机壳与第一光纤(28)、第二光纤(30)连通。
文档编号G01L1/24GK1345412SQ00805470
公开日2002年4月17日 申请日期2000年1月25日 优先权日1999年1月26日
发明者O·J·格雷戈里, W·B·于勒 申请人:罗得岛及普罗维登斯属地高等教育管理委员会