一种基于碳纤维封装的光纤光栅应力传感器的制作方法

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及基于碳纤维封装的光纤光栅应力传感器

背景技术：

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。在纤芯传输的光在每个光栅面处发生散射，满足布喇格条件的光将被反射，不满足布喇格条件的光将继续传输。FBG在传感领域中具有十分广泛的应用，用于一些重要物理参数(如应变、温度、压力、超声波等)的测量。

碳纤维(carbon fiber，CF)，是一种含碳量在95％以上的高强度，高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。碳纤维与传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多，它与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右，在有机溶剂、酸、碱中有突出的耐腐蚀性。

光纤光栅应力传感器的调制方法大多是利用一些传统材料和新型结构来进行应力调制，如将光纤光栅粘在压电陶瓷的左右两端，通过加压使压电陶瓷左右两段膨胀，来使光纤光栅的周期变大，来测应力变化。还有采用悬臂梁结构和简支梁结构，悬臂梁结构为一端固定，另一端自由的梁，将布拉格光纤光栅粘在距梁固定端一定距离的地方，当梁的自由端发生位移时，梁的下表面受拉伸作用，上表面受压缩作用产生压应变，由此来测应力变化。简支梁结构中，横梁采用杨氏模量较小的材料，横截面成等腰三角形。光纤光栅粘接在杆的棱线上并靠近杆的中部，在杆的中部有精密位移进给装置施以侧向压力，使杆产生弯曲形变，则杆内外两侧分别产生压缩及拉伸，从而实现应力传感。这些结构虽可实现大范围的调制，而且可使Bragg波长增大或减小，但在使用过程中，光纤光栅受力分布不均匀，结构复杂，光栅易出现啁啾现象。当FBG较长或应变较大时，啁啾现象明显，使得反射率下降，带宽变宽，而且成本高，不利于实际应用。

针对上述光想光栅应力传感头封装结构复杂、光纤光栅易受力不均匀、成本高、易损坏、易产生啁啾现象等问题，本实用新型提出一种基于碳纤维封装的光纤光栅应力传感器。本实用新型以碳纤维封装好的FBG作为应力传感头，利用碳纤维作为应力带动层，因其良好的弹性，保证了线性度，并利用其高轴向强度实现对高强度应力变化的监测，提高灵敏 度和检测范围。因此，本实用新型提出的以基于碳纤维封装的光纤光栅应力传感器，结构简单，成本低，并具有很高的杨氏模量，有效提高应力测量范围，具有很强的实用价值。

技术实现要素：

针对上述光想光栅应力传感头封装结构复杂，光纤光栅易受力不均匀、成本高、易产生啁啾现象等问题，本实用新型提出了一种结构简单、高强度、低成本、实用性强的基于碳纤维封装的光纤光栅应力传感器。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案：

基于碳纤维封装的光纤光栅应力传感器，包括：宽带光源、碳纤维封装的光纤光栅应力传感器、单模光纤、光谱仪、2×1耦合器、测力计。

将2×1耦合器两端口的一端接宽带光源，另一端接光谱仪，将2×1耦合器一端口的一端接碳纤维封装的光纤光栅应力传感器，碳纤维封装的光纤光栅应力传感器的另一端接测力计。光谱仪作为此应力传感器的解调器。

碳纤维封装的光纤光栅应力传感器的特征在于将带状碳纤维缠绕在FBG上，并配合树脂胶将碳纤维紧紧的粘在FBG表面，使FBG完全在碳纤维的包裹下，形成一个复合体即应力传感头。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型利用碳纤维作为FBG的封装材料，利用碳纤维的高轴向强度和耐腐蚀特性，将碳纤维配合树脂粘贴月FBG表面，形成一个复合体，共同承受轴向应力变化，线性度得到了很好的保障，碳纤维作为应力带动层，使光纤光栅对应力的承受范围的得到很大提升，进而提高整个传感器件的应力测试范围和使用寿命。

本实用新型利用碳纤维作为封装材料，因其低密度高强度的特点，可承受高强度的应力变化又不会增加传感器重量，又因其良好的耐腐蚀性及弹性，使得整个传感器的使用寿命得到提升，并且可以重复使用。

本实用新型中将碳纤维层缠绕粘贴在光纤光栅上，结构紧凑简单，操作方便。

附图说明

图1基于碳纤维封装的光纤光栅应力传感器应力测试结构。图2为基于碳纤维封装的光纤光栅应力传感器传感头。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型进一步描述。

如图1所示，基于碳纤维封装的光纤光栅应力传感器，包括碳纤维封装的光纤光栅应力传感器(如图2所示光纤布拉格光栅1，带状碳纤维2)，宽带光源1，光谱仪2，2×1耦合器3，单模光纤4，测力计5。图2所示的是将带状碳纤维7缠绕在FBG 6上，并配合树脂胶将带状碳纤维2紧紧的粘在FBG1表面，使FBG1完全在带状碳纤维2的包裹下，形成一个复合体。在应力传感器的两头将余出的碳纤维做成两个套环，可与测力计或者一些待测结构相连，使带状碳纤维2作为整个传感器核心部件的受力及保护层。将2×1耦合器3两端口的一端经单模光纤4接宽带光源1，另一端经单模光纤4接光谱仪2，将2×1耦合器3一端口的一端经单模光纤4接被碳纤维包裹下的FBG，碳纤维包裹下的FBG的另一端经单模光纤4接测力计5；光谱仪2作为信号解调部分。

本实用新型的工作方式为：将碳纤维封装的FBG应力传感器安装在待测结构处，将两个碳纤维套环作为受力点。宽带光源1发出的光经单模光纤4通过2×1耦合器3传输到带状碳纤维包裹下的光纤布拉格光栅上，反射光被光纤布拉格光栅反射经单模光纤4通过2×1耦合器3耦合到光谱仪2中进行解调。对碳纤维封装的FBG应力传感器施加轴向应力，利用碳纤维的带动作用，轴向应力会使FBG的光栅周期发生改变，进而反射波长也会发生相应的漂移，通过光谱仪可看到反射峰的变化，测力计则会显示此时的拉力值，因光纤光栅中心反射波长的相对变化与外界压力呈良好的线性关系，可通过波峰的漂移量和测力计的示数之间的关系可以用来对应力进行传感。

该装置能够实现基于碳纤维封装的光纤光栅应力传感器的关键技术有：

1、FBG的制作。利用激光刻写FBG，且FBG对谐振波长的反射率大于等于95％，消光比大于等于10dB；FBG是应力传感的核心器件，利用其反射滤波特性可以对微小形变实现实时测量，具有很高的灵敏度。

2、碳纤维层的封装。将抗拉强度极高的带状碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强材料，用环氧树脂粘结剂沿受拉方向均匀的无缝的缠绕粘贴在FBG上，形成一个新的复合体，使整个传感头承受均匀的应力，不会出现啁啾现象，进而提高整个传感器的强度和刚度，保证传感器的线性度。将传感头两端余出的带状碳纤维做成两个大小一致的环用来共同承受轴向应力，碳纤维环大小不一致会使两个环承受的力大小不一致，易损坏。使整个传感装置的受力范围变小，应严格控制两端环的大小。

本实验新型的一个具体实施例中，光源装置的输出波长为1200-1650nm；光谱仪的工作波长覆盖范围为1200-1650nm；光纤布拉格光栅(FBG)，中心波长为1554.52nm，反射10dB；碳纤维封装层的厚度为1.87mm；传感头长度为10cm；测力计测量范围0-20kg。

以上所述及图中所示的仅是本实用新型的优选实施方式。本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本实用新型 的保护范围。