专利名称：一种光纤应变盘及其制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤应变盘制作技术领域，尤其涉及一种光纤应变盘及其 制作方法。利用该方法制作的光纤应变盘可以用于设计、制作光纤传感器。 该方法简单可行、易操作，制作的平面光纤应变盘可以根据具体测量目标 进行基体材料、几何尺寸、安装方式等方面进行改进，用于对压力(包括 液压、声压、水声压、油气田井压)、振动等信号进行精密的检测和计量。
背景技术：
传统的压力传感器是在充当弹性换能器件的平膜片上粘贴应变计，在 外界信号如压力等作用下，膜片产生相应的挠曲，即膜片上不同位置产生 相应的应变，进而带动用粘贴等方法固化在上面的应变计，通过检测应变 计即可反推外界压力的大小。已知传统传感器所用的应变计一般是电阻式、硅压阻等方式。这些发 方法有着下述种种不足之处1. 电绝缘性能差2. 强电场和强磁场下不能正常工作3. 用于特殊场所如油库等会诱发不安全因素光纤传感技术可以在提供精确的测量同时避免上述的种种不足之处。
光纤传感技术是现代通信的产物，是随着光纤及通信技术的发展而逐步发 展起来的一门崭新技术。光在传输过程中，光纤易受到外界环境的影响， 如温度、压力等，从而导致传输光的强度、相位、频率、偏振态等光波量 发生变化，从而通过监测这些量的变化可以获得相应的物理量。光纤传感 器具有下列特点-1. 不受潮湿环境影响，能避免电磁场的干扰，电绝缘性好；2. 耐久性好，具有抵抗包括高温在内的恶劣环境及化学侵蚀的能力；3. 质量轻，体积小，对结构影响小，易于布设；4. 光纤传输信号衰减小，易于组网复用，便于阵列应用等优点 用于振动、压力测量的干涉式光纤传感器，通过不同的弹性换能元件将外界信号如振动加速信号高效的转化为光纤内传输信号的相位变化，再 通过干涉的方法将相位的变化转化为光强的变化，最终实现信号的还原。 实现这种功能的主要有两种方式，如芯轴式(如文献A 3-component fiber-optic accelerometer for well logging, Optics Communications 234 (2004) 153—162)和盘片式(如文献High-Responsivity Fiber-Optic Flexural Disk Accele薩eters JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 18, NO. 9, SEPTEMBER 2000)两种。区别于芯轴式在一个弹性桶或者弹性柱上缠绕光纤，盘片式光纤传感 器核心元件采用平面螺旋状的光纤盘，即光纤应变盘。此类传感器的特点 不仅仅有上述光纤传感的特点如动态范围大、精度高外，制成的传感器体 积更加小巧，质量轻，厚度仅有几个毫米，且粘贴光纤的盘片一般采用金 属材料，相对于芯轴式弹性材料(一般为橡胶等其他非金属材料，材料的
力学性能受温度等外界环境变化的影响大)，在温度发生大幅变化情况下 碟片式传感器仍然能够正常工作，因此具有巨大的发展潜力，在某些场合 替代传统的传感器已经成为必然趋势。但是，怎样将几米、数十米甚至上百米的光纤紧密的形成一个致密的 螺旋光纤盘并固定于换能器上成为摆在广大工程设计人员面前的难题，且 在平面上粘贴致密螺旋状的光纤盘的技术还未发现有关报道，这也势必影 响了盘片式传感器发展步伐。发明内容(一) 要解决的技术问题有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种制作光纤应变盘的方法， 以解决将光纤紧密的形成一个致密的螺旋光纤盘并固定于换能器的难题。 本发明的另一个目的在于提供一种光纤应变盘。(二) 技术方案为达到上述一个目的，本发明提供了一种制作光纤应变盘的方法，该 方法包括A、 计算所需要的光纤长度和所需要盘绕区域的尺寸，在带有黏性的 底板上标记待缠绕区域的内外边沿线；B、 将光纤依照一定的走向沿内边沿线放上，边放边施加一定的力将 光纤粘接并固定在内边沿线上，直到光纤布满整个内边沿线一圈，形成光 纤盘的最内圈； C、 继续将待缠绕光纤紧靠最内圈相切放下并同样施加一定的力使光 纤粘贴在黏性底板上，直到光纤布满从内环数第二圈，依此反复进行，直到将预定长度的光纤缠绕完毕；D、 用黏合剂将上述缠绕好的光纤盘和用于换能的弹性元件粘贴在一 起，固化后去掉黏性底板，制成用作弹性敏感元件的光纤应变盘。步骤A中所述计算所需要的光纤长度和所需要盘绕区域的尺寸根据 实际测量任务需要进行确定，所述待缠绕区域为圆形、圆角矩形、椭圆形 或跑道形。所述步骤A进一步包括在黏性底板缠绕区域的内边沿线上开一个小 孔，用于预留尾纤并固定第一圈光纤；然后将尾纤先后穿过黏性底板的小 孔和基座的中孔，并预留适当长度，将固定有螺旋状光纤盘的黏性底板放 置到基座中央，在基座下方固定尾纤；而后将黏性底板固定于基座上。步骤B中所述一定的走向为顺时针方向或逆时针方向。步骤D中所述黏合剂的粘接强度大于黏性底板的粘接强度。 步骤D中所述弹性元件为弹性应变片。为达到上述一个目的，本发明提供了一种光纤应变盘，该光纤应变盘 包括光纤盘和由基体材料制成的换能机构，所述光纤盘和换能机构之间存 在有效的应变传递能力。所述换能机构为弹性盘，起换能作用。(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
1、 本发明提供的这种制作光纤应变盘的方法，不需要复杂的机械缠 绕装置，简单可行、易操作，制作的平面光纤应变盘可以根据具体测量目 标进行基体材料、几何尺寸、安装方式等方面进行改进，用于对压力(包 括液压、声压、水声压、油气田井压)、振动等信号进行精密的检测和计 量，解决了将光纤紧密的形成一个致密的螺旋光纤盘并固定于换能器的难 题。
2、 本发明提供的这种制作光纤应变盘的方法，能够制作将外界信号 (如各种压力、振动等)转化为光纤应变的薄平板结构。
3、 利用本发明提供的这种制作光纤应变盘的方法制作的光纤应变盘， 不局限于圆形，还可以根据需要制成圆角矩形、椭圆形、跑道形等。
4、 利用本发明提供的这种制作光纤应变盘的方法制作的光纤应变盘， 不受大小限制，根据使用目的可以制作任意大小的光纤应变盘，应用于不 同的灵敏度和频响范围。
5、 利用本发明提供的这种制作光纤应变盘的方法制作的光纤应变盘， 可以方便的进行组合，如形成推挽结构，可消除外界环境噪声影响又能增 加灵敏度。
6、 利用本发明提供的这种制作光纤应变盘的方法制作的光纤应变盘， 可以方便的进行多个级联，用于灵敏度的倍增。
7、 利用本发明提供的这种制作光纤应变盘的方法制作的光纤应变盘， 可以方便的进行改进，如在应变盘上适当的位置加装质量块等，用以改变 系统的灵敏度和响应频率。
8、 利用本发明提供的这种制作光纤应变盘的方法制作的光纤应变盘，
使用范围广，可以作为弹性敏感元件用于多种光纤传感器中。
图1为本发明提供的制作光纤应变盘总体技术方案的方法流程图； 图2为依照本发明实施例用于固定黏性底板的基座的俯视图； 图3为依照本发明实施例用于固定黏性底板的基座的侧视图； 图4为依照本发明实施例从内向外缠绕光纤第一圈的示意图； 图5为依照本发明实施例从内向外缠绕光纤第n圈的示意图； 图6为依照本发明实施例光纤在黏性底板上缠绕完毕后的示意图；图7为依照本发明实施例制成的用于弹性应变的光纤盘的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图1所示，图1为本发明提供的制作光纤应变盘总体技术方案的方法流程图，该方法包括以下步骤步骤101:计算所需要的光纤长度和所需要盘绕区域的尺寸，在带有 黏性的底板上标记待缠绕区域的内外边沿线；步骤102:将光纤依照一定的走向沿内边沿线放上，边放边施加一定 的力将光纤固定并粘接在内边沿线上，直到光纤布满整个内边沿线一圈， 形成光纤盘的最内圈；步骤103:继续将待缠绕光纤紧靠最内圈相切放下并同样施加一定的 力使光纤粘贴在黏性底板上，直到光纤布满从内环数第二圈，依此反复进 行，直到将预定长度的光纤缠绕完毕；步骤104:用黏合剂将上述缠绕好的光纤盘和用于换能的弹性元件粘 贴在一起，固化后去掉黏性底板，制成用作弹性敏感元件的光纤应变盘。基于图1所述的制作光纤应变盘总体技术方案的方法流程图，以下结 合具体的实施例对本发明制作光纤应变盘的方法进一步详细说明。 实施例在本实施例中，以圆形光纤盘为例，结合附图进一步说明本发明提供 的制作光纤应变盘的详细方法和步骤。在实际应用中，光纤盘的形状不局 限于圆形，还可以根据需要制成圆角矩形、椭圆形、跑道形等。步骤1、准备工作首先根据测量任务的需要计算所需要的粘贴区域的大小并在黏性底 板上做标记内外边沿线5、 11，即光纤环的内外半径，且在待缠绕区域的 内边沿打一小孔7，以方便预留尾纤9，并起到固定第一圈光纤的作用。步骤2、处理具有黏性的底板将尾纤9先后穿过黏性底板的小孔7和基座的中孔2，并预留适当长 度以方便同其他器件的连接。将固定有螺旋状光纤盘的黏性底板4放置到 基座1中央，在基座1下方固定尾纤9;而后将黏性底板4固定于基座1 上，方便后续的缠绕、粘接、固化。其中，图2为依照本发明实施例用于 固定黏性底板的基座的俯视图，图3为依照本发明实施例用于固定黏性底 板的基座的侧视图。 步骤3、盘绕光纤如图4所示，将光纤从黏性底板4上的小孔7处开始，按照一定方向(如逆时针方向，当然也可以为顺时针方向)，逐段放置在待盘绕区域的内边沿线5上，同时施加一定的力使已经放置在边沿线上的光纤能够紧紧的粘贴在黏性底板4上，反复操作直到第一圈光纤形成一个圆；然后，如 图5所示，再将剩余光纤紧靠第一圈已经粘贴好的光纤逐段放下，并施加 一定的力使光纤能够紧紧粘贴在黏性底板4上，直到第二圈、第三圈等直到将光纤盘绕完毕并固定尾纤于基座1上。光纤在黏性底板上缠绕完毕后的示意图如图6所示。 步骤4、粘贴光纤盘在已经盘绕完毕的光纤盘6和弹性应变片10上相应部位涂黏合剂， 将两部分对准、粘合。所述黏合剂的粘接强度远大于黏性底板的粘接强度， 弹性应变片即为弹性换能元件。步骤5、固化，去黏性底板在黏合剂固化完毕后，释放步骤2中固定在基座1下的尾纤9，去掉 黏性底板4。即制成具有将外界信号转化为光纤应变的光纤应变盘(即粘 贴有光纤盘的应变片)。制成的用于弹性应变的光纤盘的示意图如图7所示。从上述的操作过程可以看出，该方法步工艺简单，可操作性强。 再参照图7，本发明提供的光纤应变盘包括光纤盘和由基体材料制成的换能机构，所述光纤盘和换能机构之间存在有效的应变传递能力。所述换能机构为弹性盘，起换能作用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1. 一种制作光纤应变盘的方法，其特征在于，该方法包括A、计算所需要的光纤长度和所需要盘绕区域的尺寸，在带有黏性的底板上标记待缠绕区域的内外边沿线；B、将光纤依照一定的走向沿内边沿线放上，边放边施加一定的力将光纤粘接并固定在内边沿线上，直到光纤布满整个内边沿线一圈，形成光纤盘的最内圈；C、继续将待缠绕光纤紧靠最内圈相切放下并同样施加一定的力使光纤粘贴在黏性底板上，直到光纤布满从内环数第二圈，依此反复进行，直到将预定长度的光纤缠绕完毕；D、用黏合剂将上述缠绕好的光纤盘和用于换能的弹性元件粘贴在一起，固化后去掉黏性底板，制成用作弹性敏感元件的光纤应变盘。
2、 根据权利要求1所述的制作光纤应变盘的方法，其特征在于，步 骤A中所述计算所需要的光纤长度和所需要盘绕区域的尺寸根据实际测 量任务需要进行确定，所述待缠绕区域为圆形、圆角矩形、椭圆形或跑道 形。
3、 根据权利要求1所述的制作光纤应变盘的方法，其特征在于，所 述步骤A进一步包括在黏性底板缠绕区域的内边沿线上开一个小孔，用于预留尾纤并固定第一圈光纤；然后将尾纤先后穿过黏性底板的小孔和基座的中孔，并预留 适当长度，将固定有螺旋状光纤盘的黏性底板放置到基座中央，在基座下 方固定尾纤；而后将黏性底板固定于基座上。
4、 根据权利要求1所述的制作光纤应变盘的方法，其特征在于，步 骤B中所述一定的走向为顺时针方向或逆时针方向。
5、 根据权利要求1所述的制作光纤应变盘的方法，其特征在于，步骤D中所述黏合剂的粘接强度大于黏性底板的粘接强度。
6、 根据权利要求1所述的制作光纤应变盘的方法，其特征在于，步 骤D中所述弹性元件为弹性应变片。
7、 一种光纤应变盘，其特征在于，该光纤应变盘包括光纤盘和由基 体材料制成的换能机构，所述光纤盘和换能机构之间存在有效的应变传递 能力。
8、 根据权利要求7所述的光纤应变盘，其特征在于，所述换能机构 为弹性盘，起换能作用。
全文摘要
本发明公开了一种制作光纤应变盘的方法，包括A.计算所需要的光纤长度和所需要盘绕区域的尺寸，标记待缠绕区域的内外边沿线；B.将光纤依照一定的走向沿内边沿线放上，将光纤粘接并固定在内边沿线上，直到光纤布满整个内边沿线一圈，形成光纤盘的最内圈；C.继续将待缠绕光纤紧靠最内圈相切放下使光纤粘贴在黏性底板上，直到光纤布满从内环数第二圈，依此反复进行，直到将预定长度的光纤缠绕完毕；D.用黏合剂将上述缠绕好的光纤盘和用于换能的弹性元件粘贴在一起，固化后去掉黏性底板，制成用作弹性敏感元件的光纤应变盘。本发明同时公开了一种光纤应变盘。利用本发明，解决了将光纤紧密的形成一个致密的螺旋光纤盘并固定于换能器的难题。
文档编号G01D5/26GK101210833SQ200610171659
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月31日 优先权日2006年12月31日
发明者刘育梁, 芳 李, 王永杰 申请人:中国科学院半导体研究所