一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器的制作方法

本发明涉及一种应变传感测量领域，具体涉及一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器。

背景技术：

光纤布拉格光栅是一种非常有实用价值的光学传感器，具有体积小、抗电磁干扰等优点。目前，光纤布拉格光栅在实际传感测量中，存在应变和温度交叉敏感问题。解决交叉敏感问题的技术方法主要有：双光栅法、光纤布拉格光栅-FP腔法、锥形光栅法、微结构光栅法、不同温度系数材料封装法和负温度膨胀系数封装法等。

双光栅法采用参考光栅、双波长光栅或者长周期光栅与布拉格光栅的组合，通过求解温度与应变的方程组实现应变的传感测量，该方法需要使用多光栅，需要对温度或应变进行隔离，传感器结构较为复杂；光纤布拉格光栅-FP腔法通过测量反射光中峰值波长漂移以及光强变化实现温度和应变同时测量；锥形光纤光栅法通过功率测量实现温度和应变的同时测量，但精度和稳定性受到限制；不同温度材料系数封装法及负温度膨胀系数封装法均通过材料不同的热膨胀系数，消除温度的交叉干扰，但不同材料的匹配设计工艺较为复杂。因此，制作结构简单、消除温度交叉干扰的光纤应变传感器是目前光纤光栅应变传感领域的一个关键问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器，其结构简单同时可以消除温度交叉干扰。

本发明的技术方案是：一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器包括基片、光纤光栅和保护套管。

所述基片包括应变感应区和温度补偿区，所述应变感应区材料与温度感应区材料相同。

所述应变感应区下表面与被测物体表面直接接触，温度感应区下表面未与被测物体表面接触，置于被测物体上空；所述应变感应区和温度补偿区的上表面在同一水平面上，所述应变感应区和温度补偿区上表面设有凹槽。

所述光纤光栅置于凹槽内；所述光纤光栅包括连为一体的第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述第一光纤光栅的自由端和第二光纤光栅的自由端对应的伸出凹槽外。

所述保护套管置于第一光纤光栅和第二光纤光栅两端的自由端处。

优选的，所述基片的材料为铝、铍青铜、不锈钢或合金钢。

优选的，所述应变感应区和温度补偿区的结构是分立式或一体式；应变感应区和温度补偿区结构是分立式，两侧端面通过焊接、高温高压压接或胶接或合页连接方式连接。

优选的，固定光纤光栅的方式还包括直接粘贴于基片的上表面，光纤光栅通过环氧树脂粘贴固定或者玻璃焊料点焊方式固定。

优选的，所述凹槽的形状是U型或V型，U型槽或V型口的深度和宽度为3mm-10mm。

优选的，所述应变感应区和温度补偿区的形状是多边形、圆形或椭圆形。

优选的，所述的第二光纤光栅在应变感应区内，第一光纤光栅在温度补偿区内。

优选的，所述的保护套管搭接在两侧凹槽上并用环氧树脂或玻璃焊固定，所述保护套管材质为金属材质。

优选的，所述应变感应区厚度比温度补偿区厚度厚10mm-15mm，所述应变感应区的厚度为25mm-50mm。

本发明的有益效果是：一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器制作结构简单，通过应变感应区与温度补偿区的厚度不同，温度感应区光纤光栅不感受应力应变变化，实现不受力光栅补偿；应变感应区与温度补偿区材料相同避免不同材料产生的蠕变及温度热膨胀等效应的不一致现象，消除了温度交叉干扰。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示出本发明一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器的结构示意图；

图2示出本发明一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器的基片结构示意图；

图3示出本发明一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器的光纤光栅传感器光谱图；

图4示出本发明当温度不变、应变发生改变时光纤光栅测试光谱图；

图5示出本发明当温度和应变同时发生改变时光纤光栅测试光谱图；

图6a示出本发明一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器的传感器玻璃焊方式安装示意图；

图6b示出本发明一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器的传感器环氧胶粘贴方式安装示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明的工作原理是：由耦合模理论，光纤光栅布拉格的波长可用式(1)表示：

λ_B＝2n_effΛ (1)

n_eff为有效折射率；Λ为光栅周期。

本传感器在应变和温度同时作用下，光谱发生分离，温度补偿区只反映温度变化，用式(2)表示：

Δλ_B1表示固有峰波长漂移；

α表示光纤光栅的热膨胀系数；

ξ表示光纤光栅的热光常数；

应变敏感区反映温度和应变同时作用，用式(3)表示：

Δλ_B2表示自由峰的波长漂移；P_e表示光纤光栅的有效弹性系数；

其中，本发明中采用的光纤光栅P_e,α,ξ三个参数为：

P_e＝～0.22，α＝2.3×10^-6/℃，ξ＝7×10^-6/℃；

α_sub表示基片的材料热膨胀系数；α_sub＝23×10^-6/℃(当基片材料为铝，不同材料这个值不同)

通过测量双峰(固有峰和自由峰)中心波长值，根据式(2)和式(3)建立方程组，将应变区感应到的温度效应减去温度补偿区的温度，即可解算出应变变化ε。

实施例1

图1为本发明一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器的结构示意图，如图1所示包括应变感应区102、温度补偿区101、第一光纤光栅103、第二光纤104、保护套管105和环氧树脂106。

其中图2为本发明基片的结构示意图，如图2所示，基片包括应变感应区102和温度补偿区101，本实施例中应变感应区102和温度补偿区101为一体式，在应变感应区102和温度补偿区101上表面设有U型槽，所述U型槽沿基片长度方向设计，位于基片上表面的几何中心位置，槽深度和宽度5mm与保护套管105尺寸间隙配合。如图2所示本实施例中基片形状为长方形，对应的应变感应区102和温度补偿区101形状为长方形。

其中应变感应区102与温度补偿区101形状不限于是长方形，还可以是其他多边形、圆形或椭圆形。

可以是其他多边形、圆形或椭圆形。

其中应变感应区102和温度补偿区101结构不限于为一体式，还可以是分立式，当应变感应区102和温度补偿区101结构为分立式时，连接处通过通过焊接、高温高压压接或胶接或合页连接方式连接。凹槽不限于是U型槽，还可以是V型槽或者不设计凹槽。

当不设置凹槽时，第一光纤103和第二光纤104直接置于基片上表面，通过环氧树脂或玻璃焊固定。

基片的材料为铝、铍青铜、不锈钢或合金钢，应变感应区102与温度补偿区101材质相同。本实施例中使用的材质为铝。应变感应区铝板厚度为25mm，温度补偿区厚度为15mm，在使用过程中，应变感应区102下表面置于被测物体上表面与被测物体直接接触，由于温度补偿区101与应变感应区102存在厚度差，温度补偿区101置于被测物体表面上空。

如图1所示第一光纤光栅103和第二光纤光栅104为一体置于U型槽内，第一光纤光栅103和第二光纤光栅104的自由端伸出U型槽外，在两个自由端的外围套有保护套管105，置于U型槽内的光纤光栅通过环氧树脂106粘贴固定。保护套管105搭接在U型槽上并用环氧树脂或玻璃焊固定。

图6a为本发明一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器的传感器玻璃焊方式安装示意图；图6b为本发明一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器的传感器环氧胶粘贴方式安装示意图，本实施例中图6b所示方式，使用环氧树脂106固定，保护套管材质为金属材质。

第一光纤光栅103置于温度补偿区101内，第二光纤光栅104置于应变感应区102内，在使用时将基片置于被测物体上方。在作用力作用在被测物体上，温度补偿区101不发生变化，应变感应区102发生应变感应变化，对应光谱会发生分裂，根据分裂谱进行应变和温度的解耦测量。

图3为本发明一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器的光纤光栅传感器光谱图。如图3所示，上图是传感器原始光谱，在没有温度和应变改变时，只有单峰；下图是在有应变作用在基片应变感应区102时，传感器检测到的光谱发生分离。单峰谱分裂为自由锋和固有峰，固有峰为温度补偿区栅区的反射谱。自由峰为应变区栅区反射谱。

自由峰的漂移反映应变和温度的耦合效应，固有峰只感应温度。根据式(2)固有峰波长漂移和式(3)自由峰波长漂移，其中Δλ_B2可以通过光谱仪获得波长量，经过联立两个方程，即可实现温度的补偿解耦，获得应变ε变化。

图4为本发明当温度不变、应变发生改变时光纤光栅测试光谱图。如图4所示，当温度不发生变化，只有应变变化时，应变区光栅感应到应变的作用，光纤光栅有效折射率和光栅周期在应变作用下发生改变，而温度补偿区光栅不发生变化，使得光谱发生分离，拉应变分离的光谱在右边，偏离的大小与应变大小成线性关系；压应变分离的光谱在左边变化，偏离的大小与应变大小成线性关系。

图5为本发明当温度和应变同时发生改变时光纤光栅测试光谱图。如图5所示，温度和应变同时改变时，应变区检测到的分离光谱反映了应变和温度的双重作用，温度补偿区只反映了温度的作用，将应变区检测到结果减去温度影响，即可解决温度交叉敏感问题。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。