能够利用单个衍射光栅进行形变和温度测量的埋藏式光学传感器的制作方法

专利名称：能够利用单个衍射光栅进行形变和温度测量的埋藏式光学传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学形变(应变)和温度传感器，尤其涉及利用带有布拉格(Bragg)光栅的在结构上埋藏的光纤的光学传感器。
背景技术：
在形变传感器领域中已知把带有例如布拉格光栅这样的反射元件的光纤埋藏到一个结构之中，如授权给Meltz等人的美国专利No.4,806,012和No.4,761,073，标题分别为“Distributed，Spatially Resolving Optical Fiber Strain Gauge(分布式空间可分辨的光纤应变测量计)”和“Distributed，Spatially Resoving Optical Fiber Strain Gauge(分布式空间可分辨的光纤应变测量计)”，中所描述的。也已经知道，可以把光纤传感器埋藏在组合材料或结构中，由此便能对该结构的形变和/或温度进行测量。
典型地，向光纤中发射一束来自宽波长带光源的光，而光栅只反射光源光的一个窄的波长带。光栅的反射波长(也即反射光中局部极大处的波长)根据光栅所在处的形变和温度两者的变化而发生移动。因此，为了独立于温度变化地确定形变，这种传感器需要一个分开的温度测量装置(例如另一个光栅)。从而，在这种结构中单个光栅(或传感器)既不能提供经过温度补偿的形变测量，也不能提供经过形变补偿后的温度测量。于是，对于埋藏在结构中的传感器同样也存在着不能由单个传感器来进行温度和形变测量的问题。
因此，希望能提供这样一种埋藏式光纤传感器，它能够从单个光栅提供出一些光学信号，根据这些信号可以确定温度和形变两者。
本发明的公开内容本发明的目的包括提供一种埋藏式光纤传感器，它能够用单个光栅来进行温度和形变两者的测量。
根据本发明，一种埋藏式光学传感器含有一个光学波导，用来限制入射光和返回光；至少一个反射元件被设置在光学波导内的入射光光路中，该反射元件具有一个第一横向轴和一个垂直于第一横向的第二横向轴，第一横向轴和第二横向轴两者都垂直于一个纵轴；提供了横向应力装置，用来在反射元件上施加力，以在反射元件中产生不相等的横向应力；不相等的横向应力在反射元件中产生双折射，并且不相等的横向应力随温度而变化，从而引起双折射也随温度变化；双折射引起与反射元件的第一偏振轴相关连的反射元件的第一峰点反射波长和与反射元件的第二偏振轴相关连的反射元件的第二峰点反射波长；存在有一个等于第一峰点和第二峰点之间的波长差的波长间距和存在有一个等于位在第一峰点和第二峰点正中间的波长的平均波长；以及波长间距具有一个对温度和形变的灵敏度，它与平均波长的灵敏度不同，因此便能够用一个反射元件来进行独立的温度和形变测量。
进一步根据本发明，横向应力装置包括一个环绕着反射元件的组合结构。进一步根据本发明，组合结构包括相对于反射元件有预定取向的一些加强丝，以及用来使组合材料结合在一起的结合材料。
进一步根据本发明，相邻于反射元件的那些加强丝的取向不平行于反射元件的纵轴。进一步根据本发明，组合结构包括多个每一层都含有加强丝和结合材料的层。
进一步根据本发明，波导是一个光纤，并且反射元件是一个布拉格光栅。
本发明在下述方面代表了对以往的埋藏式光纤形变和温度传感器的重大改进使单个光栅能够提供这样的信号，由此可以确定温度和形变两者，从而减少了补偿温度变化所需的光栅或其他传感器的数目，并且改善了经温度补偿的形变测量的完整性(因为温度是在所希望的补偿点上测量的)。其结果是，本发明提供了下述可能性从每个光栅来进行温度测量和利用单个光栅的经温度补偿的形变测量或者分开的形变和温度测量。
通过下面对如附图所示的本发明的示范性实施例的详细说明，本发明的上述目的和其他目的以及特点和优点将变得更为明显。
附图的简单说明

图1是根据本发明的一个埋藏式光学传感器的剖视透视图，它示出多个含有加强丝并构成了一个其中埋藏有一个光纤的层状结构的多个层。
图2是根据本发明的一个层的侧视剖视截面图，它示出加强丝和各丝之间的树脂。
图3是根据本发明的含有沿垂直于光纤纵轴方向取向的加强丝的多个层的侧视截面图，它示出了一个富有树脂的区域。
图4是传感器被埋入结构之前的光纤传感器的传感器透射率对波长的曲线图。
图5是根据本发明的传感器被埋入一个结构之后的图4所示光纤传感器的传感器反射率对波长的曲线图，其中的结构具有垂直于光纤的相邻层加强丝。
图6是根据本发明的另一个实施例的含有加强丝的多个层的侧视截面图，其中的加强丝沿着埋藏光纤的纵轴取向。
图7是传感器被埋入一个结构之前的光纤传感器的透射率对波长的曲线图。
图8是根据本发明的传感器被埋入一个结构之后的图7所示的光纤传感器的传感器反射率对波长的曲线图，其中的结构具有平行于光纤的相邻层加强丝。
图9是根据本发明的与埋藏光纤相邻的层的各种可能取向角的顶视图以及光纤的相应侧视截面图和所形成的眼睛状富于树脂的区域。
图10是根据本发明的归一化纵横比和光纤双折射对相邻于埋藏光纤的层的角度的曲线图。
图11是根据本发明的另一个实施例中的含有加强丝的多个层的剖面透视图，这些层组成了其中埋藏有一个光纤的层状结构。
图12是根据本发明的布拉格光栅的反射率曲线，它示出了由于温度和形变的峰点波长分离以及峰点和平均波长的移动。
图13是根据本发明的埋藏式光纤传感器的平均波长变化对施加的结构温度的关系曲线，它呈现出高度的线性关系。
图14是根据本发明的埋藏式光纤传感器的平均波长变化对施加的结构形变的关系曲线，它呈现出高度的线性关系。
图15是根据本发明的埋藏式光纤传感器的峰点波长分离对施加的结构温度的关系曲线，它呈现出响应的两段线性部分。
图16是根据本发明的埋藏式光纤传感器的峰点波长分离对施加的结构形变的关系曲线，它呈现出对结构形变有基本上可以忽略的灵敏度。
图17是根据本发明的用来产生不相等横向应力的一般实施例的图。
实施本发明的最佳模式参见图1，一个埋藏式光纤传感器包括多个层10-20(后面将有讨论)和埋藏在层10和层12之间的一个非双折射光纤21。光纤21含有一个直径约6微米的单空间模掺锗硅芯和一个硅包层，总外径(芯和包层)约为125微米。如果需要可以使用其他组分和尺寸的光纤。而且，如果需要可以使用带有缓冲镀层或不带缓冲镀层的光纤。与前面提到的授权给Meltz等人的美国专利中所讨论的类似，光纤21的芯至少具有一个反射元件28，例如一个布拉格光栅。
层10-20中的每一个层都含有一些由石墨做成的圆柱形加强丝22，它们以预定的取向埋藏在层10-20中。层10-20的每一层内的加强丝22基本上是互相平行的。在各加强丝22之间是聚合物填料24，例如由工业中所熟知的热固性环氧树脂组成。如果需要，可以用其他材料来做加强丝，用其他热固性聚合物填料做加强丝之间的区域。例如，加强丝22可以用玻璃、纤维(如尼龙、棉线)或其他材料来做。一个指定的层也可以用KEVLAR(一种经注册的商品名)，即纤维玻璃加强聚合树脂，或其他材料来做。还有，加强丝也不一定需要是圆柱形的。层10-20也叫做“层堆”，总的结构8也叫做“叠层”(或者多层结构、组合结构)。
对于图1中的叠层，紧邻并包围着光纤21的一对层10和12其加强丝22沿着XYZ坐标轴23的Z轴取向，该方向与光传播所沿方向的光纤21的纵轴(Z轴)成90°角。下一个包围着光纤21的层对14和15其加强丝22沿着与Z轴成+45°的角度取向。层对16和17的加强丝22沿着与Z轴成-45°的角度取向，而最外面的两层18和20的加强丝22沿Z轴取向。
所以，图1叠层的模式为
光纤[90，+45，-45，0]。这种模式叫做“准各向同性对称叠层”。众所周知，准各向同性叠层是一种在层平面内具有一个有效劲度(即面内劲度)的结构，该有效劲度是固定的，与施加给该结构的面内负载的取向无关。还有，图1的叠层被称作“对称”是因为各加强丝22的取向是相对于光纤21以及层对10和12之间的平面对称的。当叠层对称时，所得到的结构具有最小的卷曲。如下面将讨论论的，如果需要，也可以采用其他的加强丝取向和其他的层数。
具有加强丝取向变化的图1叠层可以用许多方法来制作。例如，可以通过使加强丝22预先用树脂24浸渍在其间来预先制作层10-20。然后可以按照所希望的叠层模式把这些层组装起来，同时把光纤21按所需的方向放置在所需的两层之间。然后该组件用密实模压或蒸压工艺压实。或者，可以用密封的树脂注模工艺以相似的方式组装一个干布叠层。不论用哪种工艺，都要把树脂的温度提高到能发生化学反应，以使填料聚合(或固化)，然后它就变硬，接着被冷却。如果需要也可以采用其他的制作工艺。
现在参见图2，实际上每个加强丝22都是一个由比它细得多的石墨纤维(或石墨绳)50所组成的绞合束。加强丝22的典型直径d1约为5至10微米，在一个层内各丝之间的距离d2由所希望的加强石墨占该层的总体积的百分比体积(例如50％-70％)来确定。每一层的厚度t1大致与加强丝22的直径d1相同(或略厚)。如果需要，也可以采用其他的厚度、直径、和百分比体积。此外，加强丝也不一定需要是绞合束，也可以是单根的实体。
需要了解，图2是一个理想化的孤立的层，在多层组合结构中，各个层之间可能不是分得很清楚的。例如，在固化处理时其他层的加强丝也可能会移动，从而变得落在图示的各个加强丝之间，而各个加强丝之间的树脂24又与其他层的树脂相结合，从而消除了各层之间的明确界限。
再次参见图1，我们发现，当层10和12的加强丝22沿着与光纤21成90°的方向时，在结构中便存在有强烈的不相等横向剩余应力，它将在光纤21和光栅28中引起相应的形变。这里所用的“横向”应力一词是指光纤21中沿着叠层的X轴和Y轴方向(垂直于光纤21的纵向Z轴)。具体地说，在层平面内沿着X轴和垂直于层平面(即穿过厚度方向)沿着Y轴都存在有横向剩余应力成分。因为这两种横向应力不相等，所以在光纤21上导致了强烈的差分形变，由此在光纤21和光栅28的埋入结构的部分中产生了双折射。如下面将讨论的，这种双折射使布拉格光栅对各个偏振有不同的反射波长。
我们还发现，这种在光纤21和光栅28中的诱导双折射作为温度的函数而改变。造成这个效应的原因是在光纤区域中的总体结构在光纤21的局部邻域中的X轴方向和Y轴方向上呈现出不同的热胀系数。结果，双折射随温度的变化而变化。对一个给定的结构进行双折射的定标，然后用来确定结构的温度变化，确定经温度补偿的形变，或者同时提供温度信号和形变信号两者。
同在参见图3，如果两个层10和12的加强丝22不平行于光纤21，则环绕着光纤21将形成一个树脂24的眼睛状区域40。形成这个区域的原因是，在压固和聚合处理过程中，加强丝22构成了一个跨越光纤21的弯桥，结果在光纤21周围留下一个空的眼睛状空间。然后在固化阶段这个空间被树脂充填。确定该眼睛状区域40的形状和尺寸的几个因素是光纤21和相邻层10、12中的加强丝22之间的夹角；光纤21的直径；加强丝22的柔性；以及压固时所施加的压力。
由于光纤21、树脂24、加强丝22和叠层整体的热胀系数不同，当组合结构从固化温度冷却到室温时，在光纤21周围便出现了上述不相等的横向剩余应力。这些不相等的应力使光纤呈现出强烈的双折射。由于双折射是剩余热应力造成的，所以当结构的温度变化时，双折射的大小也要变化。
具体地说，参见图4，如其中的点52所示，光纤传感器在被埋入结构之前，它的透射率曲线中在预定波长处，例如1290.79纳米处有单一的局部极小。参见图5，当图4的传感器被埋入一个具有垂直于光纤21的相邻加强丝22的结构(图3)内时，反射率曲线呈现出两个局部反射率峰54、56(第一反射波长54，第二反射波长56)，它们的波长间距b1例如为0.569纳米，两个反射波长分别对应着不同的偏振。上述结构的叠层模式为[相同][90，-45，+45，0，0，+45、-45，90]光纤[90，-45，+45，0，0，+45，-45，90][相同][相同][相同](其中的角度从光纤的纵轴量起)。这种波长的分离是由上述的诱导光纤双折射引起的。
更具体地说，光纤21周围的富于树脂的区域40(图3)以及相邻加强丝22的垂直取向和组合结构中的其他各层给光纤传感器加上了不同的剩余横向应力成分。这种不同的应力部分地是由富于树脂的区域40中的树脂沿着X轴方向和Y轴方向的不同体积所造成的。还有，某一层中树脂的体积百分比也可能是造成光纤上应力集中的一个因素。所有这些因素产生了光纤21中的最大的双折射。
横向应力的成因还在于沿着加强丝长度方向的面内热胀系数大不相同于垂直于加强丝长度方向的净热胀系数(也在于每一层中的不同的两互相垂直的面内净热胀系数)，还在于层10-20的加强丝并不都有相同的取向。尤其是，加强丝的热胀系数不同于树脂的热胀系数。
现在参见图6，如果光纤21的取向平行于相邻层10和12的加强丝22，则基本上不存在图3的眼睛状富于树脂的区域40。这是因为加强丝可以基本上均匀地紧贴环绕着光纤21而不发生偏离。
具体地说，参见图7，如点58所示，光纤在埋入结构之前它的透射率曲线在一个预定波长，例如1284.38纳米处有单一的局部极小。参见图8，当图7的光纤被埋入一个其相邻加强丝22平行于光纤21的结构中时(图6)，则反射率曲线呈现出两个反射率局部峰59、60，它们的波长间距b2较小，例如为0.125纳米，其中的结构的叠层模式为[相同]
光纤
[相同][相同][相同](其中的角度从光纤的纵轴量起)。
存在小波长分离b2(图8)的原因是由于存在着组合结构的的其他层次及它们的取向在光纤中所产生的不同的横向应力。因此，从图5到图8的双折射的巨大变化仅仅起因于相邻层10和12的加强丝相对于光纤的取向。这表明，紧邻着光纤21的上下两层的取向和相应的眼睛状富于树脂区域40的产生(图3)是造成光纤双折射的主要因素。
需要了解，图4和7的透过率曲线表示通过光栅28的光34(图1)的功率和波长分布，图5和8的反射率曲线表示被光栅28反射的光32(图1)的功率和波长分布。
现在参见图9和10，其中在各种不同的相邻层10、12的加强丝相对于光纤的取向的情形下将光线21的直径df与眼睛状区域40的直径de进行了比较。具体地说，当分别如直线62、64、66所示加强丝22相对于光纤21的取向为90、45、22.5度时，眼睛状区域的形状分别如68、70、72所示。对于图1和3中的取向，也即90度相邻加强丝的情形，眼睛状区域的直径de最大，从而双折射也最大。反之，对于图6中的取向，也即0度相邻加强丝的情形，眼睛状区域的直径df最小，从而双折射也最小。
现在参见图10和表1，图10中的归一化纵横差(de-df)/(de-df)max与加强丝取向之间的关系曲线和归一化光纤双折射与加强丝取向之间的关系曲线是根据表1的经验数据导出的。从表1和图10可以看出，归一化双折射和归一化纵横差是互相相关的。
上面讨论了光栅28中的横向应力的产生和随着温度的变化，这直接关系到光栅28的双折射的产生和变化。然而，必须了解，由于温度的变化光纤21在纵方向(Z轴方向)也要膨胀和收缩，众所周知，这将改变光栅的间距(空间周期)和平均折射率，从而将使它的峰点反射波长移动。因此，对于本发明的埋藏式光纤传感器，温度的变化将造成因纵向改变而产生的波长移动，同时将造成双折射的变化，后者表现为两种偏振之间的波长差(波长间距)的变化。
关于外加的应力，我们发现对于沿着Z轴施加的外部拉应力(后面有讨论)来说，它对上述横向应力的影响是可忽略的(从而不产生双折射)。不过，只要对外加应力的灵敏度与对温度的灵敏度不同(后面将有更多讨论)，则即使上述影响不可忽略本发明同样也能很好地工作。
现在参见图11，只要能使光栅中存在有不相同的横向形变，如果需要也可以用其他的叠层来替代图1的叠层。相邻层10和12的加强丝22的取向将取决于所希望的双折射大小。具体地说，图11的模式为
光纤[-45，90，+45，0]。还有，在光纤上方和下方的括号内的层组对光纤双折射有很小的影响。例如，图11的叠层被做成为在光纤的上方和下方分别有8组这样的层组，即[其余相同的7组]
光纤[-45，90，+45，0][其余相同的7组]。现在参见图1和图11，人们知道，当一个带有布拉格光栅的光纤被埋入一个结构内并用作传感器时，如前述授权给Mellz等入的美国专利中所讨论的，向光纤21的一端注入一个宽带的非偏振光30。光栅28反射一个有预定窄波长带的返回光32，由此让其余的波长通过光栅28，如光34所示。返回光32被例如一个光谱分析仪(未示出)所分析，以确定由于光纤所埋藏的结构的形变和温度变化而造成的波长移动。
现在参见图12，对于由本发明的叠层所造成的光栅中的双折射，我们还发现光栅28(图1)的反射率谱在与双折射相关的偏振轴方向有两个特征。具体地说，由于双折射，光纤光栅28(图1)呈现出与双折射所导致的光纤光栅28的第一偏振轴(或偏振态)相关连的中心波长位在λa处的第一反射率曲线80。还有，中心波长位在λb处的第二反射率曲线82则与双折射所导致的光纤光栅28的第二或正交偏振轴(或偏振态)相关连。
反射率曲线80、82各自的峰点反射波长λa。λb之间的波长间距△λ1是光纤光栅28中被诱导的双折射的一个指示。这样，当宽带非偏振光30(图1)入射到光栅28上时，由于光栅28中的双折射，返回光32的最强强度基本上位在两个波长λa、λb上，其中λa沿着第一偏振轴偏振，λa沿着第二偏振轴偏振。需要了解，偏振轴的取向不一定与图1的坐标轴23相一致，而是与加在光纤光栅28中的应力矢量的方向有关。
当该结构暴露在外部形变和/或温度之下时，由于光栅28的周期距离(以及光纤芯平均折射率)的改变，两个峰点正中间的中心波长或平均波长λc将移动到一个新的平均波长λf上，它离λc有一个距离△λ3。同时，两个波长之间的间距也从△λ1改变为△λ2，其中对应于第一偏振轴的反射率曲线80将有一个新的中心波长λd，而对应于正交偏振的反射率曲线82将有一个新的中心波长λe。我们发现，对于上面所讨论的叠层，温度和形变对于平均波长移动△λ3(即λf-λc)的灵敏度不同于它们对于波长峰之间的间距变化△λ2-△λ1的灵敏度。
更具体地说，平均波长的移动△λ3可以由下述公式描述△λ3＝△λshift(△λ移动)＝AT△T＋B∈△∈[公式1]参见图13和14，我们从实验中发现，对于图11的叠层，AT＝9.82×10-3nm/℃，B∈＝1.17×10-3nm/μ∈。
还有，峰点波长间距(或分离)作为温度和形变的函数由下述公式确定(△λ2－△λ1)＝△λspacing(△λ间距)＝CT△T＋D∈△∈[公式2]参见图15，我们从实验中发现，对于图11的叠层，当温度为20℃到75℃之间时CT＝-1.44×10-3nm/℃，当温度大于75℃时CT＝-8.53×10-3nm/℃。还有，如图16(下面另有讨论)的曲线的斜率所示，图11叠层的D∈近似等于零。如果采用不同的材料、叠层、和/或压固工艺，可能会得到公式1和2中系数的不同的值。所以，必须进行定标处理来对给定的叠层、材料和处理组合确定这些系数。
这样，一般来说，本发明提供了用于解出上述两个方程(公式1和2)中的两个未知量(温度和形变)的两个独立的测量。不过，如果象图11的叠层那样D∈可以忽略，则△λspacing直接正比于温度的变化，因此利用前面所指出的系数CT的值就可以仅仅通过测量波长间距的变化来得到温度值。然而，如果D∈不近似等于零，则可以通过把关于峰点波长间距对形变的数据曲线拟合成一个作为温度T的函数的公式来得到系数CT，然后便可以利用已知的技巧来解两个方程(公式1和公式2)，以同时解出温度和形变两者。如果需要，也可以用其他已知技巧来减少图13-16的数据。
此外，应该了解，光纤21(图1)必须与结构8的包围层10-20紧密地连结。
虽然上面本发明是利用图1和11的准各向同性叠层来说明的，但应该了解，只要在光纤21的X轴方向和Y轴方向上的应力是不同的(两个横方向上的应力不同)，从而能在光栅28中产生所需的折射，则也可以采用任何的叠层加强丝22的结构。如前面所讨论的，可以采用对称叠层来抵消跨越整个装置的应力，以由此避免结构的卷曲。
现在参见图17，区域40不一定要有图3所示的眼睛形状，它可以具有任意能让光纤中在有这种不相等横向应力的形状。对于本发明来说只要做到下述几点就足够了有一个能在光纤上施加如箭头90所示的垂直(Y轴)力的介质M1和一个能自身或者与M1一起施加如箭头92所示的基本正交(X轴)的力的介质M2；沿92所施加的力不等于沿90所施加的力；以及这个力的差值随温度而变化。还有，光纤上方的介质94不一定要与光纤下方的介质96相同。再有，介质M1不一定要由加强丝和树脂构成，介质M2不一定要由树脂构成。例如，介质M2实际上可以是一种非固体介质，例如气体或液体。
还有，必须了解，需要存在有双折射的地区仅仅是在光栅28(图1)之中，传感就是在那里发生的(也即，传感不是发生于沿着光纤的其他地点)。因为有两上不同的光波长从光栅返回，所以由于光纤21的其他部位中缺乏双折射而不会妨碍对这两个波长的探测。不过，对于最大信号强度来说，光纤(包括内部结构和外部结构)必须是保偏振的并且在结构内应该适当地取向。对于图1和11的实施例，位在结构内的整段光纤21都与光栅区一样受到同样的不相等剩余横向应力，所以位在结构内的光纤长度上都保持有光纤双折射。
此外，与前述授权给Meltz等人的美国专利中所讨论的相类似，本发明也可用多个互相串连的光栅来实施。再有，如前述授权给Meltz等人的美国专利中所说明的，也可按透射而不是按反射来进行测量。在该情形下，所测量的返回光是透过光栅的光而不是从光栅反射的光，所以，这时测量的是透射波长的谷点而不是反射波长的峰点。需要了解，透射光只不过是反射光的互补物。所以同样的光栅可以适用于这两种模式中的任意一种(或者同时适用于这两种模式)。
还有，也可以使用任何其他在不相等横向剩余应力作用下呈现有双折射特性的反射元件来替代布拉格光栅。再有，也可以使用任何光学波导来代替光纤21向光栅28或从光栅28传送光。此外，光栅(或反射元件)28可以埋藏在任何形式的光学波导，例如薄膜器件，之中。
还有，虽然上面是相对于光纤21的纵轴来讨论相邻加强丝的取向的，但应该了解，因为对于本发明来说重要的是光栅中的双折射，所以上述的取向只需要是相对于光栅(或其他反射元件)的纵轴来说的。
再有，也可以使用双折射光纤来替代在被埋入本发明的结构之前不具有双折射的光纤。在该情形下，由本发明所诱导出的双折射可以加在光纤原有的双折射上或从其中减去。
再有，如果需要，可以在结构中使用不止一根光纤。另外，本发明可以用作一种设计埋藏有光纤的结构的技术，以制造含有这种叠层的小型“贴补”式传感器，它们被结合到另外的结构上以独立地探测另外结构的温度和/或形变。
再有，也可以对每一层用沿二维方向编织的加强丝来替代每一层中的加强丝互相平行的结构，也就是说，只要在光纤横截面上存在有不相等的互相垂直的横向热胀系数，加强丝便可以沿层面内的至少两个方向延伸。或者，也可以采用三维编织结构，只要能在光栅28中导入相交叉的横向应力，加强丝便可以既在层面内沿两个方向延伸，同时又在各层之间穿越。
虽然本发明的说明中使用了含有加强丝和位在它们之间的树脂的层，但使用任何能够使得在光纤横截面上存在有不相同的互相垂直的净横向热胀系数的组合也同样可以使本发明很好地工作。
还有，本发明也可以采用一组安排成法卜里-白洛谐振腔或者利用双折射布局的激光腔的两个或多个反射元件，例如像待审的美国专利申请，流水号No.08/069,231，标题“Active Multipoint Fiber Laser Sensor(主动式多点光纤激光传感器)”中所讨论的那样，其中所有的双折射或部分双折射是由本发明方法所诱导的。
表1图10曲线的数据角度波长间距 归一化(双折射)相对直径(μm)de-df(度) △λ(ne) 波长间距 dedf(de-df)max90 0.61.00 1404130 1.0045 0.47 0.78 1092130 0.760 0.06 0.01130130 0
权利要求
1.一种埋藏式光学传感器，它包括一个光学波导，用来限制入射光和返回光；至少一个设置在上述波导内的上述入射光光路中的反射元件，它反射一部分的上述入射光，上述反射元件有一个第一横向轴和一个垂直于上述第一横向轴的第二横向轴，上述第一和上述第二横向轴都垂直于一个纵轴；横向应力装置，用来向上述反射元件加力，以在上述反射元件中产生不相等的横向应力；上述不相等的横向应力在上述反射元件中产生双折射，并且上述不相等的横向应力随着温度变化而变化，由此使上述双折射也随温度变化；上述双折射引起与上述反射元件的一个第一偏振轴相关连的上述反射元件的第一峰点反射波长和与上述反射元件的一个第二偏振轴相关连的上述反射元件的第二峰点反射波长；波长间距是上述第一峰点和上述第二峰点之间的波长差，平均波长是上述第一峰点和上述第二峰点正中间的波长；以及上述波长间距对温度和形变的灵敏度与上述平均波长对温度和形变的灵敏度不同，由此用上述反射元件可以允许温度和形变两者的测量。
2.根据权利要求1的埋藏式光学传感器，其中上述横向应力装置包括一个包围着上述反射元件的组合结构。
3.根据权利要求2的埋藏式光学传感器，其中上述组合结构包括一些相对于上述反射元件有预定取向的加强丝和使上述结构结合在一起的结合材料。
4.根据权利要求3的埋藏式光学传感器，其中上述加强丝具有一个第一热胀系数，位在上述加强丝之间的上述结合材料具有一个与上述第一热胀系数不同的第二热胀系数。
5.根据权利要求3的埋藏式光学传感器，其中相邻于上述反射元件的上述加强丝沿着不平行于上述反射元件的上述纵轴的方向取向。
6.根据权利要求3的埋藏式光学传感器，其中相邻于上述反射元件的上述加强丝沿着垂直于上述反射元件的上述纵轴的方向取向。
7.根据权利要求5的埋藏式光学传感器，其中上述各加强丝环绕着上述反射元件形成一个空间，该空间沿着上述第二横向轴比沿着上述第一横向轴有较大的体积。
8.根据权利要求7的埋藏式光学传感器，其中上述空间具有一个眼睛的形状。
9.根据权利要求3的埋藏式光学传感器，其中上述组合的结构包括多个层，每一层都包括一些上述加强丝和上述结合材料。
10.根据权利要求9的埋藏式光学传感器，其中上述各层的每一层都具有不相等的互相垂直的净面内热胀系数。
11.根据权利要求9的埋藏式光学传感器，其中上述反射元件被位在上述反射元件上方的4个上述层和位在上述反射元件下方的4个上述层所包围。
12.根据权利要求9的埋藏式光学传感器，其中至少一个上述层的加强丝与其他上述层中的加强丝沿着不同的方向取向。
13.根据权利要求3的埋藏式光学传感器，其中上述结合材料是一种聚合物填料。
14.根据权利要求3的埋藏式光学传感器，其中上述加强丝由石墨做成。
15.根据权利要求3的埋藏式光学传感器，其中上述加强丝包括石墨绳。
16.根据权利要求1的埋藏式光学传感器，其中上述波导是一种光纤。
17.根据权利要求1的埋藏式光学传感器，其中上述反射元件是一个布拉格光栅。
18.一种埋藏式光学传感器，它包括一个光学波导，用来限制入射光和返回光；至少一个设置在上述波导内的上述入射光光路中的反射元件，它反射一部分的上述入射光，上述反射元件有一个第一横向轴和一个垂直于上述第一横向轴的第二横向轴，上述第一和第二横向轴都垂直于一个纵轴；环绕着上述反射元件的多个层，它们形成一个层状结构；每一个上述层以这样的方式来取向并由这样的材料所组成；使得当它们层压在一起之后上述各层将对上述反射元件加力，从而在上述反射元件中产生不相等的横向应力；上述不相等的横向应力在上述反射元件中产生双折射，并且上述不相等的横向应力随着温度变化而变化，由此使上述双折射也随温度变化。上述双折射引起与上述反射元件的一个第一偏振轴相关连的上述反射元件的第一峰点反射波长和与上述反射元件的一个第二偏振轴相关连的上述反射元件的第二峰点反射波长；波长间距是上述第一峰点和上述第二峰点之间的波长差，平均波长是上述第一峰点和上述第二峰点正中间的波长；以及上述波长间距对温度和形变的灵敏度与上述平均波长对温度和形变的灵敏度不同，由此用上述反射元件可以允许温度和形变两者的测量。
19.根据权利要求18的埋藏式光学传感器，其中每一个上述层具有不相等的互相垂直的净面内热胀系数。
20.根据权利要求18的埋藏式光学传感器，其中上述多个层包括一些相对于上述反射元件有预定取向的加强丝和使上述多层结构结合在一起的结合材料。
21.根据权利要求20的埋藏式光学传感器，其中上述加强丝具有一个第一热胀系数，位在上述加强丝之间的上述结合材料具有一个与上述第一热胀系数不同的第二热胀系数。
22.根据权利要求20的埋藏式光学传感器，其中相邻于上述反射元件的上述加强丝沿着不平行于上述反射元件的上述纵轴的方向取向。
23.根据权利要求20的埋藏式光学传感器其中相邻于上述反射元件的上述加强丝沿着垂直于上述反射元件的上述纵轴的方向取向。
24.根据权利要求23的埋藏式光学传感器，其中上述各加强丝环绕着上述反射元件形成一个空间，该空间沿着上述第二横向轴比沿着上述第一横向轴有较大的体积。
25.根据权利要求24的埋藏式光学传感器，其中上述空间具有一个眼睛的形状。
26.根据权利要求18的埋藏式光学传感器，其中上述反射元件被位在上述反射元件上方的4个上述层和位在上述反射元件下方的4个上述层所包围。
27.根据权利要求20的埋藏式光学传感器，其中位在上述反射元件上方的至少两个上述层的上述加强丝沿着不同的方向取向。
28.根据权利要求20的埋藏式光学传感器其中上述结合材料是一种聚合物填料。
29.根据权利要求20的埋藏式光学传感器，其中上述加强丝由石墨做成。
30.根据权利要求20的埋藏式光学传感器，其中上述加强丝包括石墨绳。
31.根据权利要求18的埋藏式光学传感器，其中上述波导是一种光纤。
32.根据权利要求18的埋藏式光学传感器，其中上述至少一个反射元件是一个布拉格光栅。
全文摘要
一种埋藏式光学传感器含有多个层(10-20)和一个设置在层(14，16)之间的带有一个光纤光栅(28)的光纤(21)。层(10-20)包括有一些加强丝(22)和具有不同热胀系数的树脂(24)，并且各加强丝(22)的取向使得能产生通过围绕着光栅(28)的高于树脂的区域的几何形状而作用于光纤(21)中的光栅(28)上的不相等的横向剩余应力。这些不相等的横向剩余应力在光栅(28)中诱导起双折射，由此使光栅(28)反射两个有预定间距的波长的光(32)，其中每个波长的光沿着不同的偏振轴偏振。波长间距与该间距中间的平均波长对温度和形变有不同的灵敏度。由此可以只使用单个光栅来进行独立的温度测量和形变测量。当相邻层(10、12)的加强丝(22)相对于光纤(21)的纵轴(Z轴)成90度地取向时，双折射达到最大。
文档编号G01L1/24GK1144000SQ95192033
公开日1997年2月26日 申请日期1995年3月8日 优先权日1994年3月8日
发明者杰拉尔德·梅尔茨, 莫罗·瓦拉西, 安东内洛·万努奇, 马里奥·西尼奥拉齐, 彼得罗·费拉罗, 萨巴拉·因塞拉·因帕拉托, 克罗迪奥·博托, 詹姆斯·R·邓菲 申请人:联合技术公司