光纤布拉格光栅传感器及光纤布拉格光栅传感装置的制作方法

本发明属于传感技术领域，特别涉及一种光纤布拉格光栅传感器及光纤布拉格光栅传感装置。

背景技术：

目前的各种光纤布拉格光栅压强传感器(FBG)大多数采用一些机械增敏设计，如图1所示的菱形悬臂梁设计，通过对菱形悬臂梁施加向下的压力，使中间部位的光纤光栅拉伸变长，进而使入射波经过光纤内部的布拉格光栅反射的反射波波长发生变化，根据该波长变化确定压强大小。这种结构使得传感器的厚度较大，不利于薄型化。如直接通过纵向施压导致轴向变形的方式使得光纤光栅随外力变化呈线性变化，就需要装入各种弹性器件，将光纤设置于弹性器件上且对应受力部位横向设置，这样也无法做到超薄，难以用于特殊应用场合，如高速运行物体的正面风压测量(风洞，飞机，高铁，火箭)，高速运行的水下物体的动态压力测量(如潜艇)等。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种光纤布拉格光栅传感器，旨在解决传统该类传感器厚度较大的问题。

本发明是这样实现的，一种光纤布拉格光栅传感器，包括圆柱状的弹性体以及光纤布拉格光栅，所述弹性体包括相互平行的两个端面以及连接于所述两个端面之间的柱状的侧面，一个所述端面用于接受压力，另一所述端面贴合于受力物体表面，所述光纤布拉格光栅嵌于所述弹性体上且形成与所述侧面同轴的圆形，所述光纤布拉格光栅的栅长小于或等于所述光纤布拉格光栅嵌于所述弹性体上的长度，所述光纤布拉格光栅的两端伸出所述弹性体。

本发明的另一目的在于提供一种光纤布拉格光栅传感装置，包括多个所述的光纤布拉格光栅传感器，多个所述光纤布拉格光栅传感器串联。

本发明采用在圆柱状弹性体上设置光纤布拉格光栅形成传感器，利用了纵向形变与横向形变之间的关系，采用沿着弹性体的端面施压产生轴向应变进而导致横向应变的方式使光纤布拉格光栅的长度发生应变，即将纵向的压力转换为横向的应变，这样，可以将弹性体的高度设计的较小，即采用较薄(高度远小于直径)的弹性体配置光纤布拉格光栅实现压强的检测。该光纤布拉格光栅传感器可以做的超薄，因此较适用于一些特殊环境，例如高速运行物体的正面风压测量(风洞，飞机，高铁，火箭)，高速运行的水下物体的动态压力测量(如潜艇)等。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光纤布拉格光栅传感器的立体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的光纤布拉格光栅传感器的横剖结构示意图；

图3是本发明实施例提供的光纤布拉格光栅传感器的纵剖结构示意图；

图4是本发明实施例提供的光纤布拉格光栅传感装置的线形结构示意图；

图5是本发明实施例提供的光纤布拉格光栅传感装置的阵列结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

请参阅附图1～3，本发明实施例提供一种光纤布拉格光栅传感器，包括圆柱状的弹性体10以及光纤布拉格光栅20，弹性体10包括相互平行的两个端面101以及连接于两个端面101之间的柱状的侧面102，一个端面101用于接受压力，另一端面101贴合于受力物体表面，光纤布拉格光栅20嵌于弹性体10上且形成与侧面102同轴的圆形或弧形结构201，光纤布拉格光栅20的栅长(即光栅部分2011的长度)小于或等于光纤布拉格光栅20嵌于弹性体10上的圆形或弧形结构201的长度，光纤布拉格光栅20的端部202伸出弹性体10。该光纤布拉格光栅20是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束光经过光纤布拉格光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤布拉格光栅继续传输。当布拉格光栅的栅长发生改变时，其反射波的波长会相对入射时发生偏移，因此根据该偏移量可以确定光纤布拉格光栅20的长度改变，如该长度改变是由外部压强导致的，则应存在压强与长度变化量的对应关系，根据该对应关系可以确定压强大小。

本实施例采用上述光纤布拉格光栅20传感器测量外部压强，弹性材料在弹性变形范围内，受到压力时会发生形变，假设形变量为ΔL，原长度为L，协变ε＝ΔL/L，当受到纵向压力时，其纵向应变与横向应变成正比，即，材料在受到纵向应力而产生变形的同时，其横向也随之变形。横向应变εx与纵向应变εy之间存在下列关系：εx＝-νεy，公式中的ν称为泊松比。本实施例基于这个原理设计了上述薄型的压强(压力)传感器—光纤布拉格光栅传感器。具体原理如下：

圆柱形的弹性体10贴设于物体表面，其一端面101与物体表面贴合，另一端面101外露，用于接受压力，当外力垂直作用在该受力端面101时，使弹性体10轴向压缩，同时根据上述关系式，其同时发生横向扩张，进而，嵌入弹性体10内部的与弹性体侧面102同轴的圆形或弧形光纤布拉格光栅20也随之发生扩张，其直径得以增大，且不同方向上的增大幅度相同，本实施例假设弹性体10在自然状态下的高度和高度的变形量分别为L和ΔL，自然状态下的直径和直径的变形量分别为D和ΔD，有ΔD＝-νΔL，光纤布拉格光栅20在自然状态下的栅长和栅长变化量分别为d和Δd，外力压强为P，光纤布拉格光栅20在自然状态下的反射波长为λ，变形后的反射波长变化量为Δλ。那么，弹性体10的周长增大了ΔDπ，那么布拉格光栅的栅长部分的协变为Δd/d＝ΔDπ/Dπ＝Δλ/λ，根据上式可知：ΔD/D＝Δλ/λ，进而ΔD＝DΔλ/λ。由于压强P＝E*(ΔL/L)，ΔL＝ΔD/ν，推出压强大小P＝E*ΔD/νL＝E*DΔλ/vLλ。其中，E为弹性体10的弹性模量，Δλ可由测量得到，E、D、λ、ν、L为预知量，这样，可以通过上述公式及反射波长的变化量确定压强的大小。

本发明实施例采用在圆柱状弹性体10上设置光纤布拉格光栅20形成传感器，利用了纵向形变与横向形变之间的关系，采用沿着弹性体10的端面101施压产生轴向应变进而导致横向应变的方式使光纤布拉格光栅20的长度发生应变，即将纵向的压力转换为横向的应变，这样，可以将弹性体10的高度设计的较小，即采用较薄(高度远小于直径)的弹性体10配置光纤布拉格光栅20实现压强的检测。该光纤布拉格光栅20可以做的超薄，因此较适用于一些特殊环境，例如高速运行物体的正面风压测量(风洞，飞机，高铁，火箭)，高速运行的水下物体的动态压力测量(如潜艇)等。

在本发明实施例中，可以根据不同需要，选取不同弹性模量的弹性体10。低压强用途可采用硅胶，量程0-1Mpa；中等量程可采用铍铜、尼龙，量程0-10Mpa；更大量程可使用弹性模量更大的材料如钢材。量程选择的原则是，选择在屈服强度一半以内。如紫铜的屈服强度为33.3Mpa，则选择量程不要超过15Mpa。

在本实施例中，弹性体10的材料要求其泊松比稳定一致，有良好的高低温性能和长期的稳定性，不易受到紫外线破坏，有较低的温度敏感性。在制作时可以通过注塑工艺将光纤布拉格光栅20固化到弹性体10内，或使用胶水将光纤布拉格光栅20呈环形固定在弹性体10内，光纤需拉直、绷紧，但不能有过大应力。通过治具，保证光栅的位置精度和一致性。由于裸光纤很脆，弹性体10的直径不宜过小，优选大于10mm，例如但不限于10-20毫米，厚度优选但不限于为0.5-5毫米。

在本实施例中，光纤布拉格光栅20优选贴近侧面102的表面设置，使其产生较大的形变，进而提升其检测的范围。

具体地，光纤布拉格光栅20可以嵌入弹性体10内部，靠近弹性体10的侧面102的内表面设置。例如将制作弹性体10的材料与光纤布拉格光栅20通过注塑工艺一体成型而出。在其他实施例中，如图2，光纤布拉格光栅20可以贴设于弹性体侧面102的表面且通过固化胶30包覆固定。在另一实施例中，如图3，可以在侧面102开设与侧面102同轴的环槽40，光纤布拉格光栅20设置于环槽40内且由胶体50密封。另外，在弹性体的一个端面101表面可以设置粘接层60，用于将弹性体10安装在物体表面。

在本实施例中，光纤布拉格光栅20伸出弹性体10的端部202由覆盖物覆盖于受力物体的表面，该光纤布拉格光栅20的直径远小于覆盖物的厚度，以免被高压风或高压水冲击破坏，其可以有效防止光纤碎裂，在外观上也较为美观。优选地，光纤布拉格光栅20的直径为0.125mm，但不限于该尺寸。上述覆盖物可以为油漆或胶水。当然，该光纤的端部也可以焊接或镶嵌在被测物体表面，以为长期测量之用。

在本实施例中，可以采用裸光纤并将其外露部分覆盖以进行保护，而有些场合不需掩埋、隐藏，则需要有保护套的光纤传感器。为达到抗拉、防鼠咬、防撞击等要求，可使用铠装光纤作为本实施例的引出光纤。

本发明实施例提供的光纤布拉格光栅传感器可以单独使用，也可通过波分多址级联。因此，本发明进一步提供一种光纤布拉格光栅传感装置，如图4和图5，包括多个上述的光纤布拉格光栅传感器，多个光纤布拉格光栅传感器串联，具体可为线形，也可以为阵列形。具体地，多个光纤布拉格光栅传感器通过伸出其弹性体10外的光纤段串联，或者共用一根光纤70，光纤嵌入每个弹性体10内的部分具有预定的栅长。即采用一根光纤70串联多个传感器，而这多个传感器的光纤布拉格光栅20的中心波长可以相同，也可以不同。例如第一个传感器的中心波长为1540nm，第二个传感器的中心波长为1542nm，第三个传感器的中心波长为1544nm，可以串联几个、几十个、几百个甚至更多。接收解调仪接收到不同的光谱，测量出每一个光谱的位移以完成测量。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。