一种温度自补偿光纤光栅微力传感器及其制备方法与流程

技术特征：

1.一种温度自补偿光纤光栅微力传感器，其特征在于，包括受力端盖(1)、传感器上壳体(2)和传感器下壳体(11)，传感器上壳体(2)和传感器下壳体(11)内部设置有支撑筒(4)、圆形弹性膜片(6)和硬芯；其中：

硬芯包括硬芯螺钉(5)和硬芯螺母(7)，支撑筒(4)顶部穿过传感器上壳体(2)，底部与硬芯螺钉(5)的上部固定连接，受力端盖(1)套装在支撑筒(4)的顶部；圆形弹性膜片(6)的外圈被传感器上壳体(2)和传感器下壳体(11)夹紧，硬芯螺钉(5)的底部穿过圆形弹性膜片(6)的中心孔与硬芯螺母(7)套接，使圆形弹性膜片(6)的内圈被硬芯螺钉(5)和硬芯螺母(7)夹紧；

传感器的支撑筒(4)内还设置有一根光纤(9)，光纤(9)的顶部与传感器上壳体(2)的顶部相连，光纤(9)穿过支撑筒(4)和硬芯后与传感器下壳体(11)的底部相连；光纤(9)上设置有第一光纤光栅(3)和第二光纤光栅(8)，第一光纤光栅(3)设置在硬芯的上端面的上方，且第一光纤光栅(3)处于预拉伸状态；第二光纤光栅(8)设置在硬芯的下端面的下方，且第二光纤光栅(8)处于自由状态。

2.根据权利要求1温度自补偿光纤光栅微力传感器，其特征在于，传感器上壳体(2)的顶部、传感器下壳体(11)的底部、硬芯螺钉(5)的顶部和硬芯螺母(7)的底部均在轴心位置开设有小通孔；光纤(9)穿过小通孔，并通过粘接剂(10)与各个位置的小通孔固定。

3.根据权利要求1温度自补偿光纤光栅微力传感器，其特征在于，硬芯螺钉(5)包括上段、中段和下段，上段设置有螺纹，上段的螺纹与支撑筒(4)下部的内螺纹配合连接；下段也设置有螺纹，下段的螺纹与硬芯螺母(7)配合连接。

4.根据权利要求1温度自补偿光纤光栅微力传感器，其特征在于，传感器上壳体(2)的顶部设置有3个扇形大通孔，支撑筒(4)的下端呈圆筒状，上段呈三爪状，支撑筒(4)的三爪状上端穿过3个扇形大通孔与受力端盖(1)的内侧固定连接。

5.根据权利要求2温度自补偿光纤光栅微力传感器，其特征在于，光纤(9)穿过传感器上壳体(2)顶部的小通孔，多余的尾纤剪去或者保留，保留则用于串接其它的光纤光栅传感器。

6.根据权利要求2温度自补偿光纤光栅微力传感器，其特征在于，光纤(9)穿过传感器下壳体(11)底部的小通孔，多余的尾纤用于连接光纤光栅信号解调设备。

7.根据权利要求1温度自补偿光纤光栅微力传感器，其特征在于，通过探测第一光纤光栅(3)的中心反射波长的漂移量，得到受力端盖(1)的受力变化信息的测量结果；探测通过第二光纤光栅(8)的的中心反射波长的漂移量，得到环境温度变化信息的测量结果。

8.根据权利要求1温度自补偿光纤光栅微力传感器，其特征在于，第一光纤光栅(3)探测到的待测力的变化量为：

$\mathrm{\Δ}F=(E_f{A}_f+\frac{{\mathrm{\πr}}^{2}L}{C})\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}$

其中，Δε为第一光纤光栅(3)由待测力变化ΔF引起的应变变化量，E_f为光纤(9)的弹性模量，A_f为光纤(9)的横截面积，r为硬芯的半径，L为第一光纤光栅(3)两个粘贴点之间的距离；

$C=\frac{3(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{16}\·\frac{R^4}{{\mathrm{Eh}}^3}\·(1-\frac{r^4}{R^4}+4\frac{r^2}{R^2}\ln \frac{r}{R})$

其中，μ圆形弹性膜片(6)的泊松比，r为圆形弹性膜片(6)的硬芯半径，R为圆形弹性膜片(6)的有效外半径，E为圆形弹性膜片(6)的弹性模量，h为圆形弹性膜片(6)的厚度。

9.根据权利要求8温度自补偿光纤光栅微力传感器，其特征在于，光纤光栅微力传感器的灵敏度为：

$k=\frac{{\mathrm{\λ}}_{1}C(1-P_e)}{E_f{A}_{f}C+{\mathrm{\πr}}^{2}L}$

其中，Pe为光纤(9)的有效弹光系数，λ₁为第一光纤光栅(3)中心波长的初始值。

10.一种温度自补偿光纤光栅微力传感器的制备方法，用于制备权利要求1-9温度自补偿光纤光栅微力传感器，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将硬芯螺钉的下段穿过圆形弹性膜片中心的圆形通孔，然后拧上硬芯螺母，夹紧圆形弹性膜片的芯部；

S2、将光纤穿过硬芯螺钉轴心位置的通孔，使得第一光纤光栅和第二光纤光栅分别位于硬芯螺钉的上方和下方，光纤两端都留有足够长的尾纤；

S3、将第一光纤光栅的下端用粘接剂固定在硬芯螺钉的上端面上，将第二光纤光栅的上端用粘接剂固定在硬芯螺钉的下端面上；

S4、将第一光纤光栅上端的尾纤穿过支撑筒内侧，然后将支撑筒下端通过螺纹连接固定在硬芯螺钉的上段；

S5、将第一光纤光栅上端的尾纤穿过传感器上壳体上端面中心的小通孔，同时将支撑筒上端的三爪结构穿过传感器上壳体上端面上的三个扇形孔；

S6、将第二光纤光栅下端的尾纤穿过传感器下壳体下端面中心的小通孔；

S7、将圆形弹性膜片的上表面紧贴于传感器上壳体内部的端面，然后将传感器下壳体通过螺纹拧入传感器上壳体，夹紧圆形弹性膜片的外圈；

S8、对第一光纤光栅上端穿过传感器上壳体上端面中心的小通孔的尾纤向上施加一定的拉力，使得第一光纤光栅处于具有一定的预应力的状态，然后将该尾纤通过粘接剂固定在传感器上壳体上端面中心的小通孔，多余的尾纤则剪去，或者用于串接其它光纤光栅传感器；

S9、将受力端盖固定在支撑筒上端三爪结构上；

S10、在保证第二光纤光栅处于可自由伸缩的状态下，将第二光纤光栅下端穿过传感器下壳体下端面中心的小通孔的尾纤，通过粘接剂固定在传感器下壳体下端面中心的小通孔内，穿出的尾纤则用于连接光纤光栅信号解调设备。