专利名称：一种高灵敏度光纤光栅载重量测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤光栅传感器领域，特别是涉及一种高灵敏度光纤光栅载重量 测量仪。
背景技术：
光纤光栅作为一种光学器件，是在光纤中建立起一种空间折射率周期分布，使在 其中的光的传播特性得以改变的器件。根据弹性力学的相关理论，光纤在外加轴向力的作 用下，将发生弹性形变，弹光效应会引起材料光学折射率的改变，使光纤中光栅的透射谱特 性发生变化。布喇格光纤光栅(Bragg光纤光栅)和长周期光纤光栅是两种最普通和最常 用的光纤光栅，两者在传感器领域具有突出的应用价值。但是，由于普通石英光纤特别纤细，其外径约为125 μ m,主要成分是SiO2,因此特 别脆弱，尤其它的抗剪切能力很差，直接将光纤光栅作为传感器在工程实际应用中遇到了 布设工艺的大难题。另外，因受限于光纤石英材料的固有特性，普通布喇格光纤光栅在轴向 应变为ε时，波长漂移仅为IX 10_3nm左右；普通长周期光纤光栅在轴向应变为1 μ ε 时，波长漂移也仅为(3 5) ΧΙΟ—3 ，这限制了光纤光栅的波长漂移对其轴向应变的灵敏 度。同时，也使得光纤光栅传感器在测量重量、压强、应变等这一类物理力学参量时的分辨 率受到限制，要达到较高的分辨率，通常需使用代价较大的高分辨率波长解调系统。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度光纤光栅载重量测量仪，补 足传统机电式载重量测量仪或传感器的欠缺之处，实现载重量的动态、在线高灵敏度传感测量。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种高灵敏度光纤光栅载 重量测量仪，包括宽带光源、光纤偏振分离器、偏振控制器、长周期光纤光栅、光纤光谱仪和 环氧树脂平板，所述的宽带光源输出光依次进入所述的光纤偏振分离器、偏振控制器和含 有长周期光纤光栅的光纤，所述的长周期光纤光栅的透射光进入所述的光纤光谱仪中；所 述的长周期光纤光栅封装在环氧树脂平板中；所述的高灵敏度光纤光栅载重量测量仪的长周期光纤光栅作为传感元件，所述的 光纤光谱仪作为波长信号解调元件。所述的高灵敏度光纤光栅载重量测量仪的环氧树脂平板的杨氏模量为2. 5 3. 5GPa0所述的高灵敏度光纤光栅载重量测量仪的长周期光纤光栅由高频CO2激光器制 作。有益效果由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，具有以下的优点和积 极效果利用杨氏模量小的材料封装含有长周期光纤光栅的光纤，增强了传感头的抗剪切能力，降低了因光纤光栅断裂而导致传感器或相关测量失败的风险，同时使得光纤光栅作 为传感头在实际应用工程布设时的难度大大降低，易布设性大大提高。利用含有长周期光 纤光栅的光纤中传输的光信号的波长值作为传感信号的编码，具有不受电磁干扰的优点， 同时具有不受光源输出功率波动影响的优点。因此，本实用新型具有较高的性价比。本实用新型只需一个光纤光栅作为传感元件就能实现载重量的动态、在线测量， 根据长周期光纤光栅透射谱中双峰分离的程度，即可得知待测物的重量或平板上的载重 量。本实用新型可在环氧树脂固化前，先将光纤光栅埋入环氧树脂中，待环氧树脂固 化后，光纤光栅和环氧树脂融为一体，这大大提高封装材料和光纤之间的应变传递性能，可 认为光纤光栅的轴向应变和与树脂封装板在光纤轴线方向上的应变相同，因此该传感器的
测量误差较小。本实用新型全部由光纤和光纤无源器件构成，性能稳定可靠。所有元器件的工艺 水平都已非常成熟，制作方便可行，便于推动光纤光栅传感技术的产业化进程，可以广泛用 于各种领域。
图1是本实用新型的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本 实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容 之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申 请所附权利要求书所限定的范围。本实用新型的实施方式涉及一种高灵敏度光纤光栅载重量测量仪，如图1所示， 包括宽带光源1、光纤偏振分离器2、偏振控制器3、长周期光纤光栅4、光纤光谱仪5和环氧 树脂平板6，所述的宽带光源1输出光依次进入所述的光纤偏振分离器2、偏振控制器3和 含有长周期光纤光栅4的光纤，所述的长周期光纤光栅4的透射光进入光纤光谱仪5中；所 述的长周期光纤光栅4封装在环氧树脂平板6中；在测量载重量时，所述的长周期光纤光栅 4作为传感元件，所述的光纤光谱仪5作为波长信号解调元件。所述的高灵敏度光纤光栅载 重量测量仪的环氧树脂平板6的杨氏模量为2. 5GPa 3. 5GPa。所述的高灵敏度光纤光栅 载重量测量仪的长周期光纤光栅4由高频CO2激光器制作。在测量载重量时，长周期光纤光 栅4作为传感元件被封装入环氧树脂平板6中，待测重物7被放置于环氧树脂平板6上时， 环氧树脂平板6发生应变并传递给光纤。由于进入长周期光纤光栅4的光为经过偏振分离 的光，当光纤发生应变后，长周期光纤光栅4透射谱中的损耗峰发生双峰分离，双峰分离的 程度反映了被测重物7的重量大小，且两峰的波长间隔随重量呈线性变化。经过简单计算 和适当定标，即可得出双峰分离值(双峰波长间隔)与载重量的一一对应关系。其具体原理如下本实用新型利用长周期光纤光栅作为载重量的传感元件。该测量仪中的含有长周 期光纤光栅的光纤被封装入环氧树脂平板状材料中。待测重物被置于该平板上，由于平板与光纤紧密黏结、并且融合性好，平板受到应力时将对光纤光栅产生带动作用，并可近似认 为平板在光纤轴线方向上的应变与光纤的轴向应变相同。由于使用了杨氏模量较小的材料 封装光纤，通过应力传递，待测重量有微小变化时，光纤即有较大的应变。当经过偏振分离 器和偏振控制器的偏振光经过长周期光纤光栅时，由于双折射，长周期光纤光栅的透射谱 具有非常明显的谐振峰分离。长周期光纤光栅的透射谱谐振峰的分离程度即两峰的波长间 隔量与被测载重量具有线性关系，且具有较高的灵敏度。其中，杨氏模量的定义为 上式中，σ为应力(压强)，即环氧树脂平板状材料单位面积上的受力；ε为应 变，即光纤的变形量与原始尺寸的比值，当光纤发生轴向应变时4 = #。当石英光纤的杨
氏模量与环氧树脂材料杨氏模量的比值为η时，载重测量的灵敏度可大约提高η倍。例如， 在本实用新型中环氧树脂材料的杨氏模量约为2. 5 3. 5GPa ；而光纤材料(主要成分为 SiO2)的杨氏模量约为70 80GPa，因此利用经过环氧树脂封装的光纤光栅载重量测量仪 比直接使用裸光纤光栅作为载重测量敏感元件的灵敏度可大约提高30倍。待测重量增大时，谐振损耗峰中双峰分离的程度增大，即两种状态波峰谐振波长 位移量逐渐增大，且两者保持良好的线性关系。只要在线解调出长周期光纤光栅透射谱的 双峰分离量，即可得知被测载重量。下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。如图1所示，本实用新型的特征构成是一宽带光源1的输出光经光纤偏振分离器 2和偏振控制器3，通过含有长周期光纤光栅4的光纤。长周期光纤光栅4的透射光进入光 纤光谱仪5。而传感元件长周期光纤光栅4被封装入杨氏模量较小的环氧树脂平板6中，待 测重物7被置于环氧树脂平板6上面。本实用新型将长周期光纤光栅4作为传感元件，光纤光谱仪5作为波长信号解调 元件。当测量重物7的重量时，重物7被置于封装有长周期光纤光栅4的环氧树脂平板6 上，其位置如图1所示的。本实用新型中的长周期光纤光栅4是由高频CO2激光器制作的，其谱形稳定。当 其被封装入环氧树脂平板6中时，环氧树脂平板6可将应变传递给光纤。当光纤发生轴向 应变时，其纤芯光栅区折射率调制的周期发生变化，由于进入光纤的光为偏振光，从而出现 了双峰的分离。双峰分离的程度(两峰的波长间隔)随被测重物的重量而线性变化。当测量重物的重量时，信号的传输过程是这样的宽带光源1的输出光经光纤偏 振分离器2和偏振控制器3，进入长周期光纤光栅4。长周期光纤光栅4的透射光进入光纤 光谱仪5。本实用新型的信号解调直接采用光纤光谱仪5测量长周期光纤光栅4透射谱中 双峰分离的波长间隔，如图1所示。本实用新型采用的波长信号直接解调与其他解调方式 (如，波长到光强再到电信号转换解调)相比，具有以下优点1)测量值不受光源输出功率 的影响；2)测量值不受电磁信号影响。
权利要求一种高灵敏度光纤光栅载重量测量仪，包括宽带光源(1)、光纤偏振分离器(2)、偏振控制器(3)、长周期光纤光栅(4)、光纤光谱仪(5)和环氧树脂平板(6)，其特征在于，所述的宽带光源(1)输出光依次进入所述的光纤偏振分离器(2)、偏振控制器(3)和含有长周期光纤光栅(4)的光纤，所述的长周期光纤光栅(4)的透射光进入光纤光谱仪(5)中；所述的长周期光纤光栅(4)封装在所述的环氧树脂平板(6)中。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤光栅载重量测量仪，其特征在于，所述的长周 期光纤光栅(4)作为传感元件，所述的光纤光谱仪(5)作为波长信号解调元件。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤光栅载重量测量仪，其特征在于，所述的环氧 树脂平板(6)的杨氏模量为2. 5 3. 5GPa。
4.根据权利要求1或2所述的高灵敏度光纤光栅载重量测量仪，其特征在于，所述的长 周期光纤光栅(4)由高频CO2激光器制作。
专利摘要本实用新型涉及一种高灵敏度光纤光栅载重量测量仪，包括宽带光源、光纤偏振分离器、偏振控制器、长周期光纤光栅、光纤光谱仪和环氧树脂平板，所述的宽带光源的输出的光进入依次连接的光纤偏振分离器、偏振控制器和含有长周期光纤光栅的光纤，所述的长周期光纤光栅的透射光进入光纤光谱仪中，其中，长周期光纤光栅封装在环氧树脂平板中。通过光纤光谱仪对长周期光纤光栅的透射光进行光谱分析，根据长周期光纤光栅透射谱中双峰分离的程度，得知待测重物的重量。本实用新型具有不受电磁干扰、不受光源输出功率波动影响、灵敏度高的优点。
文档编号G02B6/02GK201662424SQ20092021341
公开日2010年12月1日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者余木火, 詹亚歌 申请人:东华大学