基于光纤光栅的温度不敏感二维应力传感器的制作方法

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感器，具体涉及温度不敏感的高精度二维应力光纤光栅传感器。

背景技术：

随着紫外光刻写光栅技术的成熟，光纤光栅作为优质的传感单元具有体积小，可远距离传感被用在工程项目的各个场景中。光纤光栅的传感测量中，最重要的就是温度和应力的交叉敏感问题，光纤光栅的传感参数收到光栅光程的影响，而外界温度和应力会交叉、综合作用于光纤光栅上，引起光栅中光程的变化，影响单变量的测量准确性。

公知的光纤光栅传感器（例如：CN1334920A），其设计方法与现实技术侧重于应变、位移等物理量的一维传感测量。公知的光纤光栅传感器（例如：CN1412527A、CN1654926A），其设计目的也为温度不敏感应力传感器，设计者运用了一根光栅作为单轴应力传感测量，运用串联光栅的方式实现温度消除，虽然实现温度不敏感二维应力测量传感器设计，由于串联了光纤光栅结构，设计的传感器尺寸较大，单根光纤光栅测量精度不高，而且传感器的性能不稳定。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题提供一种基于光纤光栅的温度

不敏感二维应力传感器，该传感器解决了光纤光栅封装尺寸过大、测量精度不高、温度应力交叉敏感和传感器件不稳定的问题。

本发明提供的技术方案是：

基于光纤光栅的温度不敏感二维应力传感器，包括空心弹性管、实心弹性管、第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅以及一分四光纤耦合器；所述实心弹性管为圆柱形，其上对称的刻有ZC轴方向和YC轴方向上两组固定光纤光栅的对称刻槽，第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅分别用双组份环氧树脂胶粘贴于实心弹性管的对称刻槽内的中间位置，所述空心弹性管套于实心弹性管的外壁，空心弹性管和实心弹性管之间的缝隙用环氧树脂胶填充，一分四耦合器的四端口分别与所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅相熔接。

具体的，所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅符合如下条件：设定YC轴上第一光纤光栅的中心波长为Δλ _A1，则第二光纤光栅的中心波长Δλ _A2=Δλ _A1±Δλ；设定ZC轴上第三光纤光栅中心波长Δλ _B1，第四光纤光栅的中心波长Δλ _B2=Δλ _B1±Δλ；其中2nm≤Δλ≤4nm，10nm≤ |Δλ _A1- Δλ _B1|≤20nm。

具体的，所述空心弹性管和实心弹性管的材质为弹性金属、有机弹性玻璃、弹性塑料或尼龙中的一种。

本发明提供二维应力传感器利用两组不同波长的光纤光栅进行二维应力的实时传感，光纤光栅分布分为第一光纤光栅和第二光纤光栅为一组测试YC轴的力分量，第三光纤光栅和第四光纤光栅为一组测试ZC轴的力分量。

当应变和温度变化不是很大时，波长的变化与温度和应变存在如下一阶线性关系，温度改变 ΔT , 所受应力产生应变Δε分解YC和ZC方向，在YC方向产生形变为 Δε_y，在ZC方向产生形变为 Δε_Z，则有：

Δλ_A1 =K_TΔT +K_εΔε_y (1) Δλ_A2 =K_TΔT –K_εΔε_y (2)

Δλ_B1 =K_TΔT +K_εΔε_Z (3) Δλ_B2 =K_TΔT –K_εΔε_Z (4)

式(1)、(2)相减得：Δλ_A1-Δλ_A2 =2K_εΔΔε_y

式(3)、(4)相减得：Δλ _B1-Δλ_B2 =2K_εΔΔε_Z

则合应变为：Δε=[（Δε_y）^2 +（Δε_Z）^2]^0.5

其中YC轴上第一光纤光栅的中心波长为Δλ _A1，第二光纤光栅的中心波长为

Δλ _A2；ZC轴上第三光纤光栅中心波长为Δλ _B1，第四光纤光栅的中心波长为Δλ _B2，K_T为温度系数，K_ε为应力系数。

从上述公式中看出每组光纤光栅中心反射波长的差值与两倍的形变 Δε成线性关系, 在小挠度条件下，不但有效的补偿了温度变化对应变测量的影响，而且将应变测量灵敏度提高了一倍，实现了高精度的线性传感解调。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明的一个维度受力的反射谱；

图3是本发明的3D示意图。

1空心弹性管 2对称刻槽 3 第一光纤光栅 4第二光纤光栅

5 第三光纤光栅 6 第四光纤光栅 7双组份环氧树脂胶 8 实心弹性管

9一分四耦合器。

具体实施方式

如图1所示为本具体实施方式提供的基于光纤光栅的温度不敏感二维应力传感器的结构示意图，包括空心弹性管 1、实心弹性管8、第一光纤光栅3、第二光纤光栅4、第三光纤光栅5、第四光纤光栅6以及一分四光纤耦合器9，所述空心弹性管1和实心弹性管8的材质为弹性金属；所述实心弹性管8为圆柱形，其上对称的刻有ZC轴方向和YC轴方向上两组固定光纤光栅的对称刻槽2，第一光纤光栅3、第二光纤光栅4、第三光纤光栅5和第四光纤光栅6分别用双组份环氧树脂胶7粘贴于实心弹性管8的对称刻槽2内的中间位置，所述空心弹性管1套于实心弹性管8的外壁，空心弹性管1和实心弹性管8之间的缝隙用环氧树脂胶7填充，一分四耦合器9的四端口分别与所述第一光纤光栅3、第二光纤光栅4、第三光纤光栅5和第四光纤光栅6相熔接，图3是3D示意图。

所述第一光纤光栅3、第二光纤光栅4、第三光纤光栅5和第四光纤光栅6符合如下条件：设定YC轴上第一光纤光栅3的中心波长为Δλ _A1，则第二光纤光栅4的中心波长Δλ _A2=Δλ _A1±Δλ；设定ZC轴上第三光纤光栅5中心波长Δλ _B1，第四光纤光栅6的中心波长Δλ _B2=Δλ _B1±Δλ；其中2nm≤Δλ≤4nm，10nm≤ |Δλ _A1- Δλ _B1|≤20nm。

本发明提供的二维应力传感器在做解调测试的时候，需要使用环形器、光谱仪，在这里列举两种测量方法：一种是光谱测量，将宽谱光源的光输入进环形器输入端口，环形器传输端口接本发明提供的二维应力传感器传感结构中的一分四耦合器的公共端，环形器输出端口接光谱仪实时测量；另一种为拍平测量，即宽谱光源的光输入进环形器输入端口，环形器传输端口接本发明提供的二维应力传感器传感结构中的一分四耦合器的公共端，环形器输出端口接光电探测器，光电探测器的电输出端接频谱仪。

当对本发明提供的基于光纤光栅的温度不敏感二维应力传感器做应力测量时，需要给本发明所述的传感器右下角方向的力，应力传感结构将外力分解为相互垂直的ZC和YC轴方向的力；YC轴方向的力通过第一光纤光栅3和第二光纤光栅4传感测量，由于本发明提供的传感器在受力时，第一光纤光栅3被拉伸，其栅长变长，反射波长变长，同时第二光纤光栅4被压缩，栅长变短，在小挠度的情况下，第一光纤光栅3与第二光纤光栅4的反射波长差与应变成线性关系；ZC轴方向的力通过第三光纤光栅5和第四光纤光栅6传感测量，由于本发明提供的传感器在受力时，第三光纤光栅5被拉伸，栅长变长，反射波长变长，同时第四光纤光栅6被压缩，栅长变短（其反射图谱如图3所示），在小挠度的情况下，同一纬度内的两根光纤光栅的反射波长差与应变成线性关系；通过对YC、ZC方向波长差的数据处理，获得相应方向的应力值，再经过力学合成，获得对外界二维应力的测量。其他方向的力作用下，通过相似的力学分解可以测量其他方向的受力情况。

由于在一个维度上使用了两根光纤光栅，当外界环境温度值发生变化时，两根光纤光栅是同步变化，即温度的变化对两根光栅的影响是等同的。

当应变和温度变化不是很大时，波长的变化与温度和应变存在如下一阶线性关系，令所处温度改变为 ΔT , 所受应力产生应变Δε分解YC和ZC方向，在YC方向产生形变为 Δε_y，在ZC方向产生形变为 Δε_Z，则有：

Δλ_A1 =K_TΔT +K_εΔε_y (1) Δλ_A2 =K_TΔT –K_εΔε_y (2)

Δλ_B1 =K_TΔT +K_εΔε_Z (3) Δλ_B2 =K_TΔT –K_εΔε_Z (4)

式(1)、(2)相减得：Δλ_A1-Δλ_A2=2K_εΔε_y

式(3)、(4)相减得：Δλ_B1-Δλ_B2=2K_εΔε_z

则合应变为：Δε=[（Δε_y）^2+（Δε_z）^2]^0.5

Δλ _A1为第一光纤光栅3的实时反射波长，Δλ _A2为第二光纤光栅4的实时反射波长，Δλ _B1为第三光纤光栅5的实时反射波长，Δλ _B2为第四光纤光栅6的实时反射波长，K_T为温度系数，K_ε为应力系数。

通过公式可以看出测量系统在原理上排除了温度对光纤光栅应力测量的影响，同时将传统的光纤光栅传感器的解调精度提高了2倍，从而实现了温度不敏感的高精度二维应力测量。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。