专利名称：轮辐式温度补偿型光纤光栅压力传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种新型轮辐式传感器，并具有温度补偿功能，特别是能够对压力进行高精度感测的光纤光栅传感器。
背景技术：
光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中形成的一种空间周期性折射率分布，这种结构可以改变和控制光波在光纤中的传播行为。光纤光栅传感器是通过对光纤光栅的特殊封装使其对待测参量敏感，并通过光纤光栅波长的变化来感测待测参量的大小及方向。将光纤光栅传感器阵列化并与波分复用和时分复用系统相结合，埋入衬底材料和结构内部或贴装在其表面，可对材料的特性(如温度、应变、压力、位移、速度、加速度等)实现多点监测。光纤光栅传感器已被广泛应用于建筑结构、航天航空、海洋探测及科学研究等诸多领域，属于一种新颖的无损检测技术。
本实用新型是一种新型的具有温度补偿功能的光纤光栅压力传感器。检索结果表明，目前尚没有采用轮辐式结构封装光纤光栅的方式，来实现温度补偿的光纤光栅压力传感器的专利报导。
发明内容
本实用新型的目的旨在设计出一种新型的具有温度补偿功能的光纤光栅压力传感器，并可应用于各种荷载的压力及相关力的精确测量。
感测原理是当荷载作用于嵌入内环顶部的受力柱表面传递到一个轮辐式弹性体上时，该轮辐受到剪应力的作用，使粘贴其上的光纤光栅周期发生变化，通过光探测器(多波长计或光谱仪)可得到传感光栅及补偿光栅的两个反射峰。通过测量两个反射峰的变化量的差值，即可实现温度补偿的高精度压力感测。
其技术方案是首先设计具有抗剪切的对称式轮辐机构；然后，将其中一个光纤光栅粘贴在轮辐侧面中间与中性轴线成一定角度的方向上，作为压力传感光纤光栅(传感光栅)；而另一个光纤光栅则粘贴在不受力作用的基座上，作为温度补偿光纤光栅(补偿光栅)。
这种温度补偿式光纤光栅压力传感器，包括传感部分和测量部分；传感部分是一个圆桶形结构，桶的外环坐落在基座上，内环置于桶的中部，中央是受力柱，但两者下面与基座皆不相连，内环的4个对称式的轮辐连接在外环上；测量部分包括光纤耦合器、光源、光探测器；其特征在于传感部分是一个具有抗剪切的对称式轮辐的圆桶形结构，传感光栅粘贴在轮辐侧面中间与中性轴线成45°度角的方向上作为压力传感光栅，补偿光栅粘贴在不受力作用的基座上作为温度补偿光栅；测量部分，光纤耦合器一侧的两根光纤，一根连接传感光栅，另一根连接补偿光栅；而光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源，另一根连接光探测器。
对于轮辐式传感结构，可以将每对轮辐视为一根两端固定的弹性梁。以四个轮辐为例，每根轮辐上承受的剪应力为所承受荷载的1/4。对于矩形截面的轮辐，剪应力呈抛物线形分布，在中性面上剪应力最大，为平均剪应力的1.5倍。由材料力学平面应力状态下的主应力公式可知与中性面成45°方向的正应力应等于最大剪应力τmax，其计算公式如下τmax=32×P4×1bh=3P16bh---(1)]]>由光纤光栅传感原理可知，当内环顶部表面受到均匀的垂直荷载作用时，荷载产生的压力通过轮辐的剪应变对粘贴其上的传感光栅产生拉伸或压缩效应，导致传感光栅的周期发生变化。由光纤光栅传感原理可知，通过测量传感光栅及补偿光栅中心波长的变化值，即可推测荷载引起的压力的大小。其计算公式如下Δλ1＝KPτmax+KT1ΔT(对传感光栅FBG1) (2)Δλ2＝KT2ΔT(对补偿光栅FBG2) (3)而由荷载引起的光纤光栅中心波长漂移量则为波长差Δλ12＝Δλ1-Δλ2。于是，由(1)～(3)式得到波长差的大小为Δλ12＝η2P+ηTΔT(4)式中η2＝(3KPP)/(16bh)为该传感器的压力灵敏度系数，P为荷载，b为轮辐截面的宽度，h为截面的高度；ηT＝KT1-KT2为传感器的温度灵敏度系数，KT1和KT2分别为传感光栅和补偿光栅的温度灵敏度系数。对于同一粘贴材料，调整光栅的粘贴位置及方位，可使ηT≈0。于是，(4)式变为Δλ12＝η2P (5)由(5)式可知，两个光栅的波长差Δλ12与压力P成正比例函数关系。于是，通过引入补偿光栅，本实用新型可实现具有温度补偿功能的高精度压力感测。
本实用新型的有益效果是，传感基质为两个光纤布喇格光栅，且具有温度补偿功能，结构简洁，易于系统集成。基于光纤光栅本身的优点，这种传感器具有测量精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、适合在恶劣环境下工作等特点。
图1是轮辐式温度补偿型光纤光栅压力传感器传感部分结构图。其中，(a)剖视图；(b)俯视图。
图2是本实用新型的测量装置图。
图3是本实用新型承受荷载的压力典型测量值。
其中1.传感光栅，2.补偿光栅，3.受力柱，4.内环，5.外环，6.轮辐，7.基座，8.单模光纤，9.光纤耦合器，10.光源，11.光探测器。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步说明图1是轮辐式温度补偿型光纤光栅压力传感器传感部分结构图，(a)剖视图；(b)俯视图。
这种温度补偿式光纤光栅压力传感器，包括传感部分和测量部分；传感部分是一个圆桶形结构，桶的外环5坐落在基座7上，内环4置于桶的中部，中央是受力柱3，但两者下面与基座皆不相连，内环的4个对称式的轮辐6连接在外环上；测量部分包括光纤耦合器9、光源10、光探测器11；其特征在于传感部分是一个具有抗剪切的对称式轮辐的圆桶形结构，传感光栅1粘贴在轮辐侧面中间与中性轴线成45°度角的方向上作为压力传感光栅，补偿光栅2粘贴在不受力作用的基座上作为温度补偿光栅；测量部分，光纤耦合器一侧的两根光纤，一根连接传感光栅，另一根连接补偿光栅；而光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源，另一根连接光探测器。
对称式轮辐机构，可为四个轮辐或八个轮辐的对称机构，轮辐横截面为矩形，而外形可为矩形、梯形及弧形。
光纤光栅为光纤布喇格光栅。
光纤为单模光纤。
光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器，或是三端口或四端口的光环行器。
光源是宽带光源或可调谐光纤激光器。
光探测器是多波长计或光纤光谱仪。
四个轮辐选用高弹性耐腐蚀钢材(40CrMoA)。
光纤布喇格光栅是选用石英单模光纤、采用紫外曝光技术和相位掩膜法写制而成。粘贴在轮辐侧面中间与中性轴线成45°度方向上的光纤光栅作为压力传感光栅，而粘贴在不受压力作用的基座上的光纤光栅则作为温度补偿光栅。
光纤为石英单模光纤；光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器；光环行器是三端口或四端口光环行器。
实施例在图2中，受力柱的直径为35mm，内环直径为37mm，它们的高度为32mm。外环内直径为70mm，外环外直径为100mm，高度为35mm。轮辐材料为高弹性的耐腐蚀钢材，其高为15mm，厚为2mm。嵌入内环中的受力柱顶端为弧状，高于内环5mm；内环底端距外环底端3mm，基座厚度为5mm。传感光栅和补偿光栅的长度分别为12mm和11mm，它们的布喇格自由波长分别为155236nm和1554.63nm，峰值反射率分别为96％和95％，带宽分别为0.22nm和0.25nm。
在-20℃～75℃之间，对该传感器施加荷载的压力传感测量，在扣除温度影响后测得的压力灵敏度值为0.091nm/KN，如图3所示。在上述温度范围内，用测量精度为0.02nm的多波长计进行对比测量，通过引入补偿光栅对双光栅波长差的测量表明在上述温度范围内，温度变化对压力的测量结果无影响，因此该传感器具有温度补偿的功能。
在实际应用中，通过光电转换器将光信号转换为电信号，再用计算机进行数据处理，则对压力感测的灵敏度之提高大有益处。
权利要求1.一种轮辐式温度补偿型光纤光栅压力传感器，包括传感部分和测量部分；传感部分是一个圆桶形结构，桶的外环(5)坐落在基座(7)上，内环(4)置于桶的中部，中央是受力柱(3)，但两者下面与基座皆不相连，内环的4个对称式的轮辐(6)连接在外环上；测量部分包括光纤耦合器(9)、光源(10)、光探测器(11)；其特征在于传感部分是一个具有抗剪切的对称式轮辐的圆桶形结构，传感光栅(1)粘贴在轮辐侧面中间与中性轴线成45°度角的方向上作为压力传感光栅，补偿光栅(2)粘贴在不受力作用的基座上作为温度补偿光栅；测量部分，光纤耦合器一侧的两根光纤，一根连接传感光栅，另一根连接补偿光栅；而光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源，另一根连接光探测器。
2.根据权利要求1所述的轮辐式温度补偿型光纤光栅压力传感器，其特征在于对称式轮辐机构，可为四个轮辐或八个轮辐的对称机构，轮辐横截面为矩形，而外形可为矩形、梯形及弧形。
3.根据权利要求1所述的轮辐式温度补偿型光纤光栅压力传感器，其特征在于光纤光栅为光纤布喇格光栅。
4.根据权利要求1所述的轮辐式温度补偿型光纤光栅压力传感器，其特征在于光纤为单模光纤。
5.根据权利要求1所述的轮辐式温度补偿型光纤光栅压力传感器，其特征在于光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器，或是三端口或四端口的光环行器。
6.根据权利要求1所述的轮辐式温度补偿型光纤光栅压力传感器，其特征在于光源是宽带光源或可调谐光纤激光器。
7.根据权利要求1所述的轮辐式温度补偿型光纤光栅压力传感器，其特征在于光探测器是多波长计或光纤光谱仪。
专利摘要本实用新型涉及一种新型轮辐式温度补偿型光纤光栅压力传感器，并具有温度补偿功能，特别是能够对压力进行高精度感测的光纤光栅传感器。本实用新型设计具有抗剪切的对称式轮辐机构，压力传感光栅粘贴在轮辐侧面中间与中性轴线成一定角度的方向上，温度补偿光栅粘贴在不受压力作用的基座上。当荷载作用于嵌入内环顶部的受力柱表面传递到一个轮辐式弹性体上时，该轮辐受到剪应力的作用，使粘贴其上的光纤光栅周期发生变化，通过光探测器可得到传感光栅及补偿光栅的两个反射峰。通过测量两个反射峰的变化量的差值，即可实现温度补偿的高精度压力感测。该传感器可用于荷载的高精度压力测量。并且，通过优化设计传感机构，亦可对液体和气体进行高精度压力感测。
文档编号G01L1/24GK2727720SQ20042002899
公开日2005年9月21日 申请日期2004年5月19日 优先权日2004年5月19日
发明者张伟刚, 开桂云, 李红民, 涂勤昌, 刘波, 曹晔, 罗建花, 董孝义, 袁树忠 申请人:南开大学