专利名称：预应变光纤光栅及其传感器的制作方法
技术领域：
本发明是光纤传感领域里的一种发明设计，特别是一种基于预应变的光纤光栅技术及其传感器，属于传感器技术领域。
经预应变技术处理后的光纤光栅，由于具有两个对温度和应变不同响应的反射(或透射)峰，以此研制的光纤光栅传感器可以对温度和应变同时测量。实用中，只要测得两个反射(或透射)峰之间的波长差，由下列应变-温变关系式，即可求得待测体的应变和温度值。ΔλB1ΔλB2=K1(ϵ)K1(T)K2(ϵ)K2(T)×ΔϵΔT---(1)]]>式中的ΔλB1、ΔλB2分别为两段光栅的中心波长的漂移量，Ki(ε)、Ki(T)(i＝1，2)分别是应变传感和温度传感系数，Δε、ΔT分别是整个光栅区域发生的应变和温度变化。
本发明的有益效果是基于预应变技术，仅用一只光纤光栅设计的传感器，在各种场合和场地可同时测量应变和温度。
图1是预应变光纤光栅传感头结构2是由预应变光纤光栅构成的传感器结构示意3(a)是应变为0με状态下的光谱图，(b)是应变为1834.7με状态下的光谱4是不同温度状态下光纤光栅两部分温度传感光谱图，其中(a)是温度为4℃状态下的光谱图，(b)是40℃状态下的光谱图其中光纤光栅传感头5，宽带光源6，波长测试仪7，光纤耦合器8，匹配液9，裸光纤布拉格光栅1，粘贴金属片的光纤布拉格光栅2，衬底金属片3，带包层的光纤4。
传感器所用的光纤布拉格光栅是利用相位掩膜法制作的，其长度为10mm。采用预应变技术制作光纤光栅传感头，即普通单模光纤经载氢处理后，通过紫外侧直写入，在加有一定应力的状态下，将已写好的光纤光栅的一半牢固地粘于铝片上。待应力释放后，裸光栅部分形变恢复，其中心透射波长不变；而粘在铝片上的另一半光纤光栅，由于存在预应变，其栅格周期Λ发生了变化，从而导致该部分光栅的中心反射(或透射)波长改变，因此整个光纤光栅具有了两个透射峰。在室温20℃条件下，两个透射峰的中心波长分别为1558.80nm和1560.04nm。图3(a)是应变为0με状态下的光谱图，此时两个透射损耗峰分开一定距离，裸光纤光栅的透射波长为1558.80nm，粘于铝片上的光纤光栅透射波长为1560.04nm；图3(b)是应变为1834.7με状态下的光谱图，此时两个透射损耗峰重合，其中心透射波长皆为1560.04nm。图4是不同温度状态下光纤光栅两部分温度传感光谱图，其中(a)是温度为4℃状态下的光谱图，(b)是40℃状态下的光谱图。
根据实际测量数据，得到的(1)式测量拟合值为 由(2)式可知，粘贴铝片的光纤光栅的应变传感系数是0nm/με，温度传感系数是5.32×10-2nm/℃；裸光纤光栅的应变传感系数是7×10-4nm/με，温度传感系数是1.07×10-2nm/℃。
在实测应变和温度时，系统首先测量传感光纤光栅的两个透射之间的波长差，然后由相关的软件根据(2)式即可得到应变Δε和温度变化ΔT的具体数值。
权利要求
1.一种预应变光纤光栅，包括光纤布拉格光栅，其特征在于对一根光纤光栅施加一定的预应力，将其一半牢固地粘贴在衬底材料上，另一半裸露，待应力释放后，裸光纤光栅部分形变恢复，整个光纤光栅各部分应变平衡后具有两个反射(或透射)峰。
2.根据权利要求1所述的预应变光纤光栅，其特征在于所述的衬底材料可为金属、合金、或非金属固体。
3.根据权利要求1所述的预应变光纤光栅，其特征在于；所述的光纤光栅衬底材料形状是长方体或圆柱体。
4.根据权利要求1所述的预应变光纤光栅，其特征在于所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅。
5.根据权利要求1所述的预应变光纤光栅，其特征在于裸光纤光栅与施加预应变的光纤光栅两段长度的比是1∶(1-3)，或(1-3)∶1，最佳比例是1∶1。
6.根据权利要求1所述的预应变光纤光栅，其特征在于可将一只光纤光栅分成几段，依次进行预应变技术处理，可以同时测量与线段数相应的几个参数。
7.根据权利要求1所述的预应变光纤光栅制备的传感器，其特征在于包括光纤布拉格光栅，光纤光栅布拉格光栅的一半是裸光纤布拉格光栅(1)，另一半是粘贴铝片的光纤布拉格光栅(2)，铝片衬底(3)，带包层的光纤(4)，宽带光源(6)，波长测试仪(7)，2×2光纤耦合器(8)，匹配液(9)；连接方式2×2光纤耦合器(8)一侧的两根光纤，一根插入匹配液(9)，另一根连接传感头5(光纤布拉格光栅1和2)，并将其与应变、温度控制装置相连；2×2光纤耦合器(8)另外一侧的两根光纤，一根接宽带光源(6)，另一根接波长测试仪(7)。
8.根据权利要求6所述的其传感器，其特征在于所述的光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器。
全文摘要
本发明的名称是预应变光纤光栅及其传感器，是光纤传感领域里的一种发明设计，特别是一种基于预应变技术对应变和温度同时测量的单光纤光栅传感器，属于传感器技术领域。对一根光纤光栅施加一定的预应力，将其一半牢固地粘贴在金属片上，另一半裸露不封装。待应力释放后，裸光纤光栅部分形变恢复，整个光纤光栅各部分应变平衡后，就具有两个反射(或透射)峰。该传感器包括宽带光源、带包层的光纤、波长测试仪、光纤耦合器、匹配液及光纤连接器等。经预应变技术处理后的光纤光栅受到外界作用时，其两个反射(或透射)峰对温度和应变具有不同的响应属性。实用中，只要测得两个反射(或透射)峰之间的波长差，即可实现应变和温度的同时测量。
文档编号G01K5/00GK1415935SQ0215917
公开日2003年5月7日 申请日期2002年12月30日 优先权日2002年12月30日
发明者开桂云, 张伟刚, 董孝义 申请人:南开大学