一种可连续测量的布拉格光纤光栅微应力传感器的制作方法

本实用新型属于光纤传感技术领域，涉及一种可连续测量的布拉格光纤光栅微应力传感器。

背景技术：

布拉格光纤光栅(FBG)具有重量轻、体积小、损耗低、兼容性好、灵敏度高、复用能力强、稳定性和可靠性极好等特点，特别适合在易燃、易爆和强电磁等恶劣环境条件下使用，在建筑、电信、制造、医疗、军工、航空、矿业等领域都有着非常重要的应用，因此，布拉格光纤光栅传感器具有广阔的发展和应用前景。

目前，绝大部分的布拉格光纤光栅应力传感器的测量原理都是基于某个应力的变化引起单个布拉格波长的变化，在这种传感器中，当被测量的应力非常微小时，其引起的布拉格波长的变化就很难被分辨，传感器就不能实现对微应力的精准测量。因此，研发一种能够精准测量微应力的布拉格光纤光栅传感器具有重要的应用价值。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，克服背景技术存在的不足，提供一种在应力改变非常微小时，利用布拉格波长移动引起的功率的变化，实现对应力微小变化进行精准测量的传感器。

上述的技术问题通过以下的技术方案实现：

一种可连续测量的布拉格光纤光栅微应力传感器，其结构有广谱光源1、光隔离器2、第一操作平台3、布拉格光纤光栅FBG1和光谱仪5，其特征在于，结构还有第二操作平台4和布拉格光纤光栅FBG2；其中，广谱光源1的输出端通过光纤与光隔离器2的输入端相连，光隔离器2的输出端通过光纤与第一操作平台3上的布拉格光纤光栅FBG1的一端相连，布拉格光纤光栅FBG1的另一端通过光纤与第二操作平台4上的布拉格光纤光栅FBG2的一端相连，布拉格光纤光栅FBG2的另一端通过光纤与光谱仪5的输入端相连；所述的光纤均为单模光纤。

所述的第一操作平台3更具体的是既能固定又能沿轴向拉伸布拉格光纤光栅FBG1的装置，所述的第二操作平台4更具体的是既能固定又能沿轴向拉伸布拉格光纤光栅FBG2的装置。

所述的布拉格光纤光栅FBG1和布拉格光纤光栅FBG2优选透射谱相同、布拉格波长不同。

在光谱仪5接收到的布拉格光纤光栅FBG2的透射谱中，在两个布拉格波长之间的位置出现了一个新峰，称之为“A”峰，如附图2。当通过第一操作平台3轴向拉动布拉格光纤光栅FBG1时，布拉格光纤光栅FBG1就受到了轴向拉力作用，其布拉格波长右移，布拉格光纤光栅FBG2的布拉格波长不变，在布拉格光纤光栅FBG2的透射光谱中，“A”峰的功率也随之增加，如附图3。通过“A”峰的功率输出值来表征布拉格光纤光栅FBG1受到的轴向拉力。随着轴向拉力的增加，“A”峰的功率逐渐增大，当“A”峰的功率接近0时，通过第二操作平台4轴向拉动布拉格光纤光栅FBG2，使光谱仪5接收的布拉格光纤光栅FBG2透射谱的“A”峰功率重新达到初始值，再次通过第一操作平台3轴向拉动布拉格光纤光栅FBG1进行测量。依次重复上述过程，这样就可以实现对布拉格光纤光栅FBG1所受轴向拉力的连续测量。

本实用新型有以下有益效果：

1、本实用新型利用布拉格光纤光栅布拉格波长的微小变化，实现了峰值功率的大幅度变化，将测量信号由传统的布拉格波长转换为功率，进而实现了对微小应力的精确测量。

2、本实用新型相较于传统的基于测量布拉格光纤光栅布拉格波长变化的应力传感器，在测量精度上提高了数百倍。

附图说明：

图1为本实用新型一种可连续测量的布拉格光纤光栅微应力传感器的结构示意图。

图2为本实用新型一种可连续测量的布拉格光纤光栅微应力传感器的输出光谱示意图。

图3为输出光谱随轴向拉力变化的示意图。

图4为“A”峰的功率随轴向拉力的变化关系图。

图5为布拉格光纤光栅FBG1布拉格波长随轴向拉力的变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明

实施例1

装置如附图1所示，布拉格光纤光栅FBG1和FBG2的布拉格波长分别为1551.80nm和1551.66nm，光谱仪5的波长分辨率为0.2nm。布拉格光纤光栅FBG2的透射谱示意图如附图2所示，在两个布拉格波长之间的位置出现了一个新的峰，称之为“A”峰。当通过第一操作平台3轴向拉动布拉格光纤光栅FBG1时，布拉格光纤光栅FBG1就会受到轴向拉力的作用，其布拉格波长右移，而布拉格光纤光栅FBG2的布拉格波长不变，在光谱仪5显示的布拉格光纤光栅FBG2的透射谱中，“A”峰的功率也随之增加，如附图3。因此，可以通过测量“A”峰功率来实现对微小应力的测量。

随着轴向拉力的增加，“A”峰的功率逐渐增大，当“A”峰的功率接近0时，通过第二操作平台4轴向拉动布拉格光纤光栅FBG2，使布拉格光纤光栅FBG2透射谱的“A”峰功率重新达到初始值，再次通过第一操作平台3轴向拉动布拉格光纤光栅FBG1进行测量。重复上述过程四次，对布拉格光纤光栅FBG1所受轴向拉力进行连续测量。“A”峰的功率和轴向拉力之间的关系如附图4所示。

实施例2

本实施例是对比实施例，装置参照附图1，撤掉第二操作平台4并用一段单模光纤替换掉布拉格光纤光栅FBG2，使布拉格光纤光栅FBG1直接与光谱仪5相连，即可得到一个传统的基于布拉格波长变化的应力传感器。在本实施例中，光谱仪5可以直接接收到布拉格光纤光栅FBG1的透射谱，测量其布拉格波长随轴向拉力的变化。布拉格光纤光栅FBG1的布拉格波长和轴向拉力之间的关系如附图5所示。

通过实施例1测量的结果，如附图4所示，可以发现“A”峰的功率和轴向拉力呈现出良好的线性关系。在实施例1中，测量的微小应力范围为0～2.1×10^-3N，“A”峰的功率变化范围为-8～0dBm，测量精度高达1.093×10⁴dBm/N，分辨率为9.149×10^-7N，为量程的0.04％。

通过实施例2测量的结果，如附图5所示。在实施例2中，在和实施例1同样的应力测量范围内，布拉格波长的变化只有0.3nm左右，而现有的光纤光谱仪的最小波长分辨率都在0.02nm左右，所以能够精确测量的点只有15个左右；测量精度只有155nm/N，当测量的微应力改变量小于1.29×10^-4N时，光谱仪就很难分辨出波长的改变，测量出的数据就不会准确，因此，传统的基于布拉格波长变化的应力传感器无法精准测量微应力。

对比实施例1和实施例2，可以看出在同样的应力测量范围内，实施例2能够精准测量的点只有15个左右，而实施例1能够精准测量的点有2500个左右，在测量精度上提高了数百倍。