具有纵向应变诱导夹套的光纤光栅传感器以及包括这种传感器的传感器系统和结构的制作方法
【专利说明】具有纵向应变诱导夹套的光纤光栅传感器以及包括这种传 感器的传感器系统和结构
[0001] 相关申请数据
[0002] 该申请要求2013年4月26日提交的题为"带有温度补偿的横向力传感器 (TRANSVERSE FORCE SENSOR WITH TEMPERATURE COMPENSATION)" 序列号为 61/816, 466 的 美国临时专利申请的优先权益，所述临时专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。 发明领域
[0003] 本发明一般涉及光纤光栅传感器的领域。具体地，本发明涉及具有纵向应变诱导 夹套的光纤光栅传感器以及包括这种传感器的传感器系统和结构。
[0004] 背景
[0005] 光纤光栅已众所周知，且已经用于测量轴向和横向负载。这些光纤光栅的应用已 经主要用于测量复合材料内和粘接接头内的应变场。为了测量横向负载，一些常规传感器 依靠在光纤上应用横向负载的实施例。横向负载诱导差应变穿过光核心。这引起光核心显 示两种不同的有效的折射率和相对于诱导的折射率差异隔开的两种"有效的"光纤光栅。这 些原理在各种应用中已经应用于测量横向应变/负载。
[0006] 测量横向负载的常规传感器有若干重大问题。一个问题为通过小到中等横向负载 诱导的双折射的数量非常小。需要付出巨大努力准确地读出这些差异且其相应使成本上 升。备选方案为机械地放大横向负载。这导致较大的传感器、增加的成本，且在一些情况下 需要高精度的对齐和制造方法。对于横向负载传感器经受高电场的一些应用，消除空气间 隙是重要的。该要求使得采用一些常规几何图形更加困难，所述常规几何图形包括利用边 孔光纤的几何图形。
[0007] 公开概述
[0008] 在一个实施例中，本公开涉及用于测量压缩负载的传感器，所述传感器包括第一 光纤，其具有经设计和配置以在传感器的使用期间垂直定向于压缩负载的纵轴；第一布拉 格光栅，其应用到第一光纤；以及第一纵向应变诱导夹套，其耦合到第一光纤且沿纵轴延 伸，所述第一纵向应变诱导夹套经选择和配置以根据压缩负载增加的量级在第一布拉格光 栅处诱导第一光纤中增加的轴向拉伸应变。
[0009] 在另一个实施例中，本公开涉及电力变压器，所述电力变压器包括经受夹紧负载 的电力绕组；以及横向压力传感器，其与电力绕组接合以便测量夹紧负载，所述横向压力传 感器包括：分别具有第一和第二对立面的第一和第二加载构件，所述第一和第二对立面限 定第一和第二加载构件之间的间隙；第一光纤，其具有位于间隙内的横向负载感应区域且 具有纵轴；第一布拉格光栅，其应用到横向负载感应区域中的第一光纤；以及第一纵向应 变诱导夹套，其耦合到横向负载感应区域中的第一光纤且沿纵轴延伸，所述第一纵向应变 诱导夹套经选择和配置以根据夹紧负载的变化在第一布拉格光栅处诱导第一光纤中的轴 向应变。
[0010] 附图简述
[0011] 出于说明本发明的用途，附图示出本发明的一个或多个实施例的方面。然而，应该 理解，本发明不限于附图中所示的精确安置和手段，其中：
[0012] 图IA为写到单模光纤上的现有技术均匀光纤光栅的视图，其示出经受均匀横向 负载的光纤；
[0013] 图IB为写到单模光纤上的现有技术均匀光纤光栅的视图，其示出经由非均匀横 向负载的光纤；
[0014] 图2为使用未覆盖的光纤光栅的双光纤基于V型槽的横向负载传感器组件的横向 横截面图；
[0015] 图3为类似于图2所示的传感器的IOmmX4_光纤光栅横向负载传感器的光谱响 应的曲线图，其中所述传感器通过施加400psi横向负载的2英寸直径的圆柱体接合；
[0016] 图4A为包括光纤的横向负载传感器组件的横向横截面图，所述光纤具有转换横 向负载为光纤内的轴向应变的纵向应变诱导（LSI)夹套；
[0017] 图4B为图4A的横向负载传感器组件的纵向横截面图，其示出组件的操作原理；
[0018] 图5A为在100°C下未加载的图4A和图4B的传感器组件的示例的光谱响应的曲线 图；
[0019] 图5B为在100°C下通过二英寸直径的圆柱体以200psi (~1.379MPa)加载的对应 图5A的传感器组件示例的光谱响应的曲线图；
[0020] 图5C为在100°C下通过二英寸直径的圆柱体以400psi (~2. 758MPa)加载的对应 图5A的传感器组件示例的光谱响应的曲线图；
[0021] 图为在100°C下通过二英寸直径的圆柱体以600psi (~4. 137MPa)加载的对应 图5A的传感器组件示例的光谱响应的曲线图；
[0022] 图5E为在100°C下通过二英寸直径的圆柱体以800psi (~5. 516MPa)加载的对应 图5A的传感器组件示例的光谱响应的曲线图；
[0023] 图5F为在100°C下通过二英寸直径的圆柱体以1000 psi (~6. 895MPa)加载的对 应图5A的传感器组件示例的光谱响应的曲线图；
[0024] 图6为波长对用于图4A和图4B的传感器组件的示例的横向负载的曲线图，用于 在 52°C 下从 Opsi (OMPa)增至 1500psi (~10. 342MPa)且然后从 1500psi (~10. 342MPa) 减至Opsi (OMPa)横向加载；
[0025] 图7为波长对用于对应图6的示例的横向负载的曲线图，用于在100 °C下从 Opsi (OMPa)增至 1500psi (~10. 342MPa)横向加载；
[0026] 图8为利用凹槽的本发明的基于LSI夹套的横向负载传感器组件的横向横截面 图，所述凹槽具有弧形横向横截面，而不是V型横截面；
[0027] 图9为利用第一和第二横向负载应用结构上的凹处的本发明的基于LSI夹套的横 向负载传感器组件的横向横截面图，其中所述凹处具有V型横向横截面；
[0028] 图10为利用第一和第二横向负载应用结构上的凹处的本发明的基于LSI夹套的 横向负载传感器组件的横向横截面图，其中所述凹处具有弧形横向横截面；
[0029] 图11为利用多个备有夹套的光纤类负载平衡间隔物的本发明的基于LSI夹套的 横向负载传感器组件的横向横截面图；
[0030] 图12为利用非光纤类负载平衡间隔物的本发明的基于LSI夹套的横向负载传感 器组件的横向横截面图；
[0031] 图13为在应变消除管内包含第二光纤光栅的基于LSI夹套的横向负载传感器的 等距视图；
[0032] 图14为设计有温度补偿和测量水或化学品含量的能力的基于LSI夹套的横向负 载传感器的平面图；
[0033] 图15为基于LSI夹套的横向负载传感器系统的示意图，所述系统包括用于提供测 量光的光谱宽带光源；
[0034] 图16为基于LSI夹套的横向负载传感器系统的示意图，所述系统包括用于提供测 量光的可调谐窄带光源；
[0035] 图17为电力变压器的简化横截面图/示意图，所述电力变压器包括基于LSI夹套 的横向负载/温度/湿度传感器系统；
[0036] 图18为根据本发明制成的可替换的基于LSI夹套的横向负载传感器的横向横截 面图；
[0037] 图19为根据本发明制成的基于光纤光栅的温度传感器的横向横截面图；
[0038] 图20为根据本发明制成的可替换的基于LSI夹套的湿度/化学品传感器的横向 横截面图；以及
[0039] 图21为设计有温度补偿以及测量水或化学品含量的能力的可替换的基于LSI夹 套的横向负载传感器的平面图。
[0040] 详细描述
[0041] 在一些方面，本发明涉及基于光纤的传感器，其包括光纤、应用到光纤的至少一个 布拉格光栅和应用到光纤的一个或多个纵向应变诱导（LSI)覆盖物或其它夹套。每个LSI 夹套经选择以用于在相应的布拉格光栅处通过诱导纵向应变到光纤中测量特定的物理特 性。在横向负载的情况中，夹套拉长从而经过适当设计的传感器的行为引起纵向应变。本公 开的传感器可经设计和配置以测量物理特性的实例包括，但不限于横跨光纤应用的负载、 温度和诸如湿度或特定化学分析物的物质的存在和/或数量及其任意组合。凭借每个LSI 夹套材料自身的性质和/或接合LSI夹套的物理结构的性质，LSI夹套诱导轴向应变到相 应的布拉格光栅的区域中的光纤中，由于由诱导的轴向应变造成的布拉格光栅的变形允许 基于光学的测量由光纤的输出中的变化组成。本文描述用于测量横向轴向应变和用于测量 湿度存在的具体示例性LSI夹套。然而，本领域技术人员将很容易理解如何应用这些传感 器潜在的广泛功能以使用其他LSI夹套设计其它传感器。
[0042] 本公开的其它方面涉及为基于LSI的传感器提供内置的温度补偿功能以允许基 于LSI夹套诱导的轴向应变采取的任何测量，从而在测量时调整传感器的当前温度。本公 开的进一步方面涉及传感器系统，其包括根据本发明制成的基于LSI夹套的传感器。本公 开的更进一步方面包括诸如电力变压器和变压器绕组的结构，所述结构包括整合其中的这 种传感器和/或传感器系统。参考一些示例性实施例，下面详细描述本发明的这些和其它 方面，所述示例性实施例不仅示出具体实例，而且示出本发明潜在的广泛特征和功能。然 而，在转向这些示例性实施例之前，首先提供光纤光栅类横向负载传感器的简要背景。
[0043] 基于光纤的布拉格光栅已众所周知且已经用于测量轴向和横向负载。例如，图IA 示出现有技术光纤10,其具有写到它的核心18上的均匀光纤光栅14。在缺失光纤10的任 何横向加载以及通过平整的宽光谱带光源的光纤光栅14的照度的情况下，从光纤光栅的 反射为单一光谱峰22。当光纤光栅14通过如图1所示的均匀横向负载26充分加载时，由 于通过横向负载诱导的光纤10的双折射，单一光谱峰22分裂为两个光谱峰30。就是说，横 向负载26诱导不同的应变穿过光核心18。这反过来引起核心18内两个不同的有效的折射 率率和根据所诱导的折射率差异间隔的两个"有效的"光纤光栅。这些原理已经在各种应 用中应用于测量横向应变/负载，尤其是复合材料内部和粘接接头内部的应变测量。
[0044] 图IB示出横向负载34不均匀的情况。该结果为沿光纤10的长度的折射率变化 且因此光谱峰38的光谱将分裂。对于许多应用，与现有技术光纤布拉格光栅关联的光谱裂 缝可相当小且可需要高分辨率的光谱分析仪以足够准确地进行测量。增强信号的可替换方 法包括特殊的光纤几何图形以及增加成本和复杂性的机械增强方法。
[0045] 为了制成低成本且有效的横向负载传感器，本发明人对利用与用于横向负载传感 器的电信产