基于复合梁结构的光纤光栅传感实验系统的制作方法

本实用新型涉及光纤光栅技术领域，具体涉及一种基于复合梁结构的光纤光栅传感实验系统。

背景技术：

光纤光栅是一种重要的无源光纤滤波器件，自从1978年诞生以来，因其具有与传输光纤天然兼容的优势和优良的波长编码性能,而被广泛地应用于光纤通信和光纤传感领域。其中，光纤布拉格光栅(FBG)是最典型且应用最广泛的一类光纤光栅，能够利用外界被测量变化引起的窄带反射光谱中心波长(布拉格波长)漂移，而实现应变、压力和温度测量。由于具有良好的温度和应力线性调谐特性，基于FBG可调谐滤波特性的光纤光栅传感技术目前已在石油化工、航空航天、电力电气、煤矿安全和土木建筑等工程应用领域崭露头角。

作为一种典型的波长调制型光纤传感器，光纤光栅传感器具有多参量传感能力，在光纤传感技术中占有重要的一席之地。例如，利用FBG的应变效应，不仅可以直接测量应变、位移和压(重)力等机械量，还可以结合电致或磁致伸缩效应间接测量电压、电流和磁场等电(磁)学量。因此，在光电传感器原理及应用相关课程教学中，设计开发科学、合理的光纤光栅传感实验教学仪器，借此开展内容丰富的光纤光栅传感实验，对于学生深入研究和学习FBG的波长调谐机制，以及理解和掌握光纤光栅传感器的多参量传感机理具有重要意义。

光纤布拉格光栅传感器的物理基础是FBG的可调谐滤波特性。基于各种弹性梁结构的机械调谐式FBG滤波器的相继诞生，有力地推动了光纤布拉格光栅传感器技术的发展。常见的弹性梁结构主要有三种基本类型，即悬臂梁、简支梁和扭梁。其中，扭梁因应变复杂和稳定性差等因素而较少使用，而基于悬臂梁和简支梁结构的FBG波长调谐装置虽各具特点，但均较为广泛地应用于光纤光栅传感器中。因此，在光纤光栅传感技术实验教学中，应该使学生对这两种典型的弹性梁结构及其波长调谐机理和特点都有正确认识。

然而，当前光纤光栅传感相关的商售实验仪器仅有武汉和北京两家公司生产，并且同质化现象非常严重，所使用的机械调谐装置都仅仅是建立在悬臂梁基础上的，并未涉及简支梁结构。此外，由于这种实验仪器主要单元都采用了不可调的固定结构，能够提供给学生自己动手操作的机会相当有限，故可利用其开展的实验项目非常少，尤其是只能开展验证性实验项目，而无法进行以培养学生创新实践能力为目标的探究性实验。

技术实现要素：

本申请通过提供一种基于复合梁结构的光纤光栅传感实验系统，以解决现有光纤光栅传感实验仪器的机械调谐装置都建立在悬臂梁基础上，未涉及到简支梁结构，且主要单元采用不可调的固定结构，无法进行培养创新实践能力的探究性实验的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种基于复合梁结构的光纤光栅传感实验系统，包括宽带光源，第一光纤耦合器，第二光纤耦合器、第三光纤耦合器，光纤光栅解调仪，上位机以及复合梁波长调谐装置，其中，所述复合梁波长调谐装置包括悬臂梁和简支梁，所述悬臂梁的一个固定端和所述简支梁的两个固定端分别固定于三个等高的立柱顶端，所述悬臂梁的自由端紧贴设置于所述简支梁中点的下表面，两根中心波长相同的FBG分别设置于所述悬臂梁和所述简支梁的上表面，所述宽带光源经过所述第一光纤耦合器分成两路信号光，其中一路信号光经所述第二光纤耦合器的一个输入臂输入到悬臂梁上的FBG，该信号光的反射光经所述第二光纤耦合器的另一个输入臂输出到所述光纤光栅解调仪，所述上位机连接所述光纤光栅解调仪采集悬臂梁上的FBG反射光谱，从而获得悬臂梁上的FBG反射光谱中心波长，另一路信号光经所述第三光纤耦合器的一个输入臂输入到简支梁上的FBG，该信号光的反射光经所述第三光纤耦合器的另一个输入臂输出到所述光纤光栅解调仪，所述上位机连接所述光纤光栅解调仪采集简支梁上的FBG反射光谱，从而获得简支梁上的FBG反射光谱中心波长。

进一步地，还包括可拆卸悬空臂，所述可拆卸悬空臂与所述悬梁臂平行设置，所述可拆卸悬空臂的固定端与所述悬梁臂的固定端固定于同一立柱顶端，所述可拆卸悬空臂的悬空端用于安装位移调谐机构或者压力调谐机构。

作为一种优选的技术方案，所述位移调谐机构为螺旋测微头。

作为一种优选的技术方案，所述压力调谐机构为底部带有连杆的托盘。

进一步地，所述第二光纤耦合器的输入端通过法兰盘与所述第一光纤耦合器的一个输出端连接，所述第三光纤耦合器的输入端通过法兰盘与所述第一光纤耦合器的另一个输出端连接，所述第二光纤耦合器的输出端通过法兰盘与一个光纤跳线的一端连接，该光纤跳线的另一端直接连接所述光纤光栅解调仪的输入接口，所述第三光纤耦合器的输出端通过法兰盘与另一个光纤跳线的一端连接，该光纤跳线的另一端直接连接所述光纤光栅解调仪的输入接口。

进一步地，所述悬臂梁的自由端与所述简支梁中点的下表面的接触处设置有小垫块。

作为一种优选的技术方案，所述悬臂梁的自由端与所述简支梁中点的下表面接触处的小垫块为亚克力材料制成。

进一步地，该系统还设置了用于串接多个FBG传感探头的级联接口。

进一步地，所述宽带光源采用1550nm波段宽带光源。

进一步地，所述光纤光栅解调仪为一个双通道光纤光栅解调仪或者两个单通道光纤光栅解调仪。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：该实验系统中将悬臂梁和简支梁两种典型的FBG波长调谐装置及其组成的双光栅复合梁结构集成在同一光纤光栅传感系统中构成差动结构，当被测量变化导致施加在FBG上的应变改变时，复合梁结构中的两个光纤光栅波长分别向长波和短波漂移，从而构成两路差动输出结构，这不仅能够提高应变传感灵敏度、改善输入输出线性关系，而且可以消除温度变化引起的交叉敏感性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为复合梁波长调谐装置结构示意图；

图3为微位移测量实验结果图；

图4为称重实验结果图；

图5为本实用新型的另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于复合梁结构的光纤光栅传感实验系统，以解决现有光纤光栅传感实验仪器的机械调谐装置都建立在悬臂梁基础上，未涉及到简支梁结构，且主要单元采用不可调的固定结构，无法进行培养创新实践能力的探究性实验的技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

光纤布拉格光栅传感器将被测参量的变化通过作用在光栅上的应变或温度的改变，转换为FBG中心波长(布拉格波长)的漂移，然后通过定标就可以由FBG中心波长的变化，获得被测参量的变化。外界应力(应变)和温度的改变都会直接导致FBG反射谱中心波长产生漂移响应，并且FBG反射谱中心波长漂移量与应变和温度变化量理论上均呈良好的线性关系，这是光纤布拉格光栅传感器的基本工作原理。但是，由于FBG中心波长对应变和温度均有响应，因此在实际传感应用过程中，存在应变与温度交叉敏感问题，通常需要采取措施予以消除。

针对当前光纤传感技术实验中存在的问题，本实用新型设计了一种基于复合梁结构的光纤光栅传感实验系统，如图1所示，包括宽带光源，第一光纤耦合器，第二光纤耦合器、第三光纤耦合器，光纤光栅解调仪，上位机以及复合梁波长调谐装置，其中，所述光纤光栅解调仪为一个双通道光纤光栅解调仪或者两个单通道光纤光栅解调仪，在本实施例中，选用了两个单通道光纤光栅解调仪，分别为第一光纤光栅解调仪和第二光纤光栅解调仪，当然也可以选用一个双通道光纤光栅解调仪，其结构示意图如图5所示。

如图2所示，所述复合梁波长调谐装置包括悬臂梁1和简支梁2，所述悬臂梁1的一个固定端101和所述简支梁的两个固定端201,202分别固定于三个等高的立柱3顶端，所述悬臂梁1的自由端102紧贴设置于所述简支梁中点的下表面，两根中心波长相同的FBG分别设置于所述悬臂梁和所述简支梁的上表面，所述1550nm波段的宽带光源发出的信号光首先经过所述第一光纤耦合器(3dB光纤耦合器)分成两路信号光，其中一路信号光经所述第二光纤耦合器(3dB光纤耦合器)的一个输入臂输入到悬臂梁上的FBG，该信号光的反射光经所述第二光纤耦合器的另一个输入臂输出到所述第一光纤光栅解调仪，所述上位机连接所述第一光纤光栅解调仪采集悬臂梁上的FBG反射光谱，从而获得悬臂梁上的FBG反射光谱中心波长，另一路信号光经所述第三光纤耦合器(3dB光纤耦合器)的一个输入臂输入到简支梁上的FBG，该信号光的反射光经所述第三光纤耦合器的另一个输入臂输出到所述第二光纤光栅解调仪，所述上位机连接所述第二光纤光栅解调仪采集简支梁上的FBG反射光谱，从而获得简支梁上的FBG反射光谱中心波长。

当对所述悬臂梁和简支梁这两种不同类型的弹性梁同时施加向下的外力时，悬臂梁上的FBG将受到轴向拉伸应力，而简支梁上的FBG将受到轴向压缩的应力，因此，当被测量变化导致施加在FBG上的应变改变时，复合梁结构中的悬臂梁上的FBG波长向长波长漂移，简支梁上的FBG波长向短波长漂移，从而构成两路差动输出结构，这样不仅能够提高应变传感灵敏度、改善输入输出线性关系，而且可以消除温度变化引起的交叉敏感性。

该实验系统中施加在复合梁结构上的位移调谐机构或者压力调谐机构，采用了基于刚性材料的可拆卸悬空臂4，所述可拆卸悬空臂4与所述悬梁臂1平行设置，所述可拆卸悬空臂4的固定端与所述悬梁臂的固定端101固定于同一立柱顶端，所述可拆卸悬空臂4的悬空端用于安装位移调谐机构或者压力调谐机构。当然，所述可拆卸悬空臂4的悬空端也可以安装电致或磁致伸缩装置，以实现电压、电流或磁场的测量。

本实施例中的位移调谐机构为螺旋测微头(最大量程25mm)。

所述压力调谐机构为底部带有连杆的托盘，通过改变托盘中所放物体的重量来改变施加在弹性梁上的压力，因此，在实际应用中，压力传感实验一般用称重实验来代替，更加直观、方便。

设计科学、合理的基于复合梁结构的FBG波长调谐装置，确保悬臂梁和简支梁上的两路FBG反射光产生差动输出信号光，是充分展现本实用新型设计的光纤光栅传感实验系统的最关键的问题，因此为了使悬梁臂和简支臂能够紧密相连，在相同输入参量情况下同时响应，在所述悬臂梁的自由端与所述简支梁中点的下表面接触处粘贴了一个亚克力材料的小垫块，这不仅可以获得两路差动信号的光输出，而且可以有效改善两路FBG反射信号光的线性输出特性。

其次，该系统所要解决的另一个关键问题是设计结构合理的差动信号光传输光，以保证所实现的光纤光栅传感实验系统具有结构紧凑，便于维护的特点，因此，所述第二光纤耦合器的输入端通过法兰盘与所述第一光纤耦合器的一个输出端连接，所述第三光纤耦合器的输入端通过法兰盘与所述第一光纤耦合器的另一个输出端连接，所述第二光纤耦合器的输出端通过法兰盘与一个光纤跳线的一端连接，该光纤跳线的另一端直接连接所述第一光纤光栅解调仪的输入接口，所述第三光纤耦合器的输出端通过法兰盘与另一个光纤跳线的一端连接，该光纤跳线的另一端直接连接所述第二光纤光栅解调仪的输入接口。

为了实现基于FBG的准分布式光纤传感功能，该系统还设置了用于串接多个FBG传感探头的级联接口。

所述复合梁波长调谐装置的整体框架由刚性材料制成，作为一种优选的技术方案，在本实施例中所述复合梁波长调谐装置的整体框架由6061型铝合金材料制成，包括用于固定复合梁和FBG布线的立柱、用于安装位移调谐机构和压力调谐机构的可拆卸悬空臂，以及用于封装第二光纤耦合器、第三光纤耦合器和FBG尾纤的空心底座。

所述悬臂梁和所述简支梁均采用高弹性材料制成，作为一种优选的技术方案，在本实施例中所述悬臂梁和所述简支梁均采用304型弹性不锈钢材料制成，所述悬臂梁为厚3mm，长150mm，宽25mm的矩形梁，所述简支梁为厚3mm，长150mm，宽25mm的矩形梁，利用M6型螺丝固定在立柱顶端，便于拆卸和调整外界应力施加位置。

接下来利用本实用新型设计的基于复合梁结构的光纤光栅传感实验系统测量微位移的输出特性曲线。如图3所示，在量程为0-4mm范围内，悬臂梁和简支梁单路输出时，位移和FBG中心波长均呈良好的线性关系，经线性拟合可得，悬臂梁和简支梁输出所对应的线性相关性(R²值，下同)分别为0.99903和0.99937，所对应的位移传感灵敏度分别为0.034nm/mm和0.210nm/mm。图3还给出了悬臂梁和简支梁两路差动输出时的特性曲线，其所对应的线性相关性和传感灵敏度分别是0.99958和0.2443nm/mm。对比单路输出和两路差动输出特性，可以明显看出，采用差动传感结构，不仅可以提高位移检测灵敏度(等于两个单路输出对应的灵敏度之和)，而且可以改善输入和输出的线性关系，还可以消除温度交叉敏感性。

压力传感实验在实际应用中一般是用更加直观的称重实验代替。图4所示为利用基于复合梁结构的光纤光栅传感实验系统进行称重实验的输出特性曲线。由图4可见，在量程为0-25.6g范围内，悬臂梁和简支梁单路输出时，被测物体重量值和FBG中心波长都呈良好的线性关系，经线性拟合可得，悬臂梁和简支梁输出所对应的线性相关性分别为0.99744和0.99818，所对应的传感灵敏度分别为0.37pm/g和2.53pm/g。图4还给出了悬臂梁和简支梁两路差动输出时的特性曲线，其所对应的线性相关性和传感灵敏度分别0.99833和2.9pm/g。对比单路输出和两路差动输出特性，同样可以明显看出，采用差动传感结构进行称重(实质上是压力测量)实验，不仅可以提高检测灵敏度、改善输入和输出的线性关系，而且可以消除温度交叉敏感性。

基于复合梁结构的光纤光栅传感实验系统具有的主要功能：

1、开展基于悬臂梁和简支梁的FBG波长调谐实验，借此掌握两种典型的弹性梁机械调谐方法，并分析和比较两者的特点。

2、开展利用光纤光栅传感器进行微位移测量的实验，借此掌握基于两种典型弹性梁结构的光纤光栅位移传感方法，并分析和比较两者的位移传感性能。

3、开展利用光纤光栅传感器进行压力测量的实验，借此掌握基于两种典型弹性梁结构的光纤光栅压力传感方法，并分析和比较两者的压力传感性能。

4、通过比较两路差动输出光信号和单路输出光信号的不同，借此理解差动传感技术在提高传感灵敏度、改善输入输出线性关系和消除交叉敏感性等方面所具有的独特优势。

5、具有良好的扩展功能，包括预留级联接口，可以借此开展基于多个FBG串的准分布式光纤传感实验；

6、通过在易于拆卸的悬空臂上安装电致或磁致伸缩装置，可以开展电压、电流或磁场测量实验。

本实用新型将悬臂梁和简支梁这两种典型的FBG波长调谐装置及其组成的双光栅复合梁结构集成在同一光纤光栅传感实验系统中构成差动结构，使学生可以同时掌握两种典型的FBG波长调谐方法及其特点，加深对差动技术在改善传感器性能方面具有独特优势的认识，除此之外，设计了可独立位移和压力调谐装置，易于拆卸组装，有利于培养学生的动手操作能力，并且具有可拓展性，便于安装电(磁)量检测的电致或者磁致伸缩装置。

本申请的上述实施例中，通过提供一种基于复合梁结构的光纤光栅传感实验系统，包括宽带光源，第一光纤耦合器，第二光纤耦合器、第三光纤耦合器，光纤光栅解调仪，上位机以及复合梁波长调谐装置，其中，复合梁波长调谐装置包括悬臂梁和简支梁，悬臂梁的一个固定端和简支梁的两个固定端分别固定于三个等高的立柱顶端，悬臂梁的自由端紧贴设置于简支梁中点的下表面，两根中心波长相同的FBG分别设置于悬臂梁和简支梁的上表面，该实验系统不仅能够提高应变传感灵敏度、改善输入输出线性关系，而且可以消除温度变化引起的交叉敏感性，对于学生深入研究FBG波长调谐机制，掌握光纤光栅传感器的多参量传感机理具有重要意义。

应当指出的是，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。