高精度高灵敏度光纤光栅应变传感器的制作方法

本发明涉及应变传感器领域，尤其涉及一种高精度高灵敏度光纤光栅应变传感器。

背景技术：

近年来，随着光纤传感技术的飞速发展及土木工程领域对结构健康监测需求的迅速增长，光纤光栅传感器相比传统的机械电子式传感器越来越显示出其在土木工程领域的优势。而应变是表征工程结构安全的重要指标，通过对结构应变进行分析，可以获取结构的危险截面和疲劳程度等信息，并可对结构的寿命进行估计。

光纤光栅应变传感器由于其本征安全、波长编码、结构轻巧、耐腐蚀、抗电磁干扰、组网方便、远程实时在线监测等突出优势得到了广泛应用。

大部分光纤光栅应变传感器都是利用了光纤光栅本身的应变特性，即对光栅进行拉伸或挤压致使光栅周期发生变化，光纤本身所具有的弹光效应使得有效折射率也随着外界应力状态的变化而改变。光纤光栅本身的应变特性，即1.2με/pm的灵敏度，若光纤光栅解调仪的精度为3pm，除去传感器误差，那么整套传感系统的误差大约为3.6με，在对应变精度要求较高的场合则无法满足其监测要求。

针对实际工程结构健康应变监测的应用，目前光纤光栅应变传感器的封装结构如图1所示(图1中11为传感器固定位置，12为光纤封装位置，13为裸光纤，14为丙烯酸酯涂覆层光纤，15为传感器弹性体)。

采用普通丙烯酸酯涂覆层光纤，如图2所示(图2中21为bragg光栅，22为光纤纤芯，23为包层，24为机械裂纹，25为丙烯酸酯涂覆层，a为入射光，b为返射光)，由于现有刻栅技术限制光栅的栅区处必须要剥除丙烯酸酯涂覆层，导致光栅处为裸光栅，并通过环氧树脂胶粘接的方式，将光栅两端的光纤固定在弹性体上，光栅两端的光纤固定位置点与传感器使用过程中的固定位置即标距的比例几乎为1:1。这种结构的传感器的分辨率即为裸光栅的分辨率1.2με/pm，由于采用普通光纤光栅以及传感器弹性体的金属材料的线膨胀系数的限制使得无法对其增敏，通常量程为±3000微应变的光纤光栅应变传感器在室外环境使用时，由于被测材料的热膨胀系数，导致实际的测量量程在±4000微应变左右，已经是普通光栅承载的极限，其封装结构很大程度只起到了保护光栅不损坏以及安装方便的作用。

这种分辨率1.2με/pm传感器再叠加上传感器本身的误差与仪器解调的误差，一般传感器在使用时实际测量误差在±5pm左右，在一些对精度要求比较高的地方，难以满足需求。

技术实现要素：

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种高精度高灵敏度光纤光栅应变传感器及其制作方法，其测量精度提高三倍，应变监测范围达到±3000με，且能提升传感器的抗拉强度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种高精度高灵敏度光纤光栅应变传感器，包括：

光纤，其表面具有聚酰亚胺涂覆层，该光纤的纤芯上设有由飞秒激光刻栅制成的光栅，所述光栅两端的光纤分别经低熔点玻璃焊料焊接固定在所述弹性体的两个基座上。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的高精度高灵敏度光纤光栅应变传感器，其有益效果为：

由于采用表面具有聚酰亚胺涂覆层的光纤，光纤上的光栅是由飞秒激光刻栅制成，而且光栅两端的光纤是由低熔点玻璃焊料焊接在两个基座上，使得形成的光纤光栅应变传感器的抗拉强度更高，监测精度提高至现有同类传感器的三倍，满足了工程应用中高精度高灵敏大应变监测范围的要求。而且由于使用了低熔点玻璃焊料焊接，封装工艺中可直接将金属管套与光纤密封，无需将光纤表面金属化，浸润性良好，能够达到气密封装；化学稳定较好，熔封过程中不产生气体，熔封后无残留物；气密封接温度比较低，封接温度范围为330℃～380℃，易于操作；适用性强，相对传统封装，使用该产品封装后的元件寿命长。较常规环氧树脂胶的封装工艺，光纤光栅依靠低熔点玻璃焊接，接触点稳定性好，消除了蠕变造成的波长零点的漂移。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为现有技术提供的现有光纤光栅应变传感器的封装结构示意图；

图2为现有技术提供的丙烯酸酯涂覆层的光纤光栅结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光纤光栅应变传感器的整体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的飞秒激光刻栅、聚酰亚胺涂覆层光纤光栅结构示意图；

图1中：11-传感器固定位置；12-光纤封装位置；13-裸光纤；14-丙烯酸酯涂覆层光纤；15-传感器弹性体；

图2中：21-bragg光栅；22-光纤纤芯；23-包层；24-机械裂纹；25-丙烯酸酯涂覆层；a-入射光；b-返射光；

图3中：31-飞秒激光刻栅的聚酰亚胺涂覆层的光栅；32-弹性体；33-低熔点玻璃焊接点；34-基座；

图4中：41-飞秒激光刻栅的bragg光栅；42-光纤纤芯；43-包层；44-聚酰亚胺涂覆层；c-入射光；d-返射光。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图3、4所示，本发明实施方式提供一种高精度高灵敏度光纤光栅应变传感器，包括：

光纤，其表面设有聚酰亚胺涂覆层，该光纤的纤芯上设有由飞秒激光刻栅制成的光栅，所述光栅两端的光纤分别经低熔点玻璃焊料焊接固定在所述弹性体的两个基座上。

上述应变传感器中，弹性体采用弹性合金体，该弹性合金体的常温下抗拉强度不小于1225mpa，延伸率不小于5％；

上述应变传感器中，本发明中将两个基座通过螺栓固定在所述弹性体上形成预应力结构，通过调整螺栓能对基座上的光栅预先施加预应力，进而实现该应变传感器的负应变监测功能。

本发明实施例还提供一种高精度高灵敏度光纤光栅应变传感器的制作方法，包括：

通过飞秒激光刻栅在表面设有聚酰亚胺涂覆层的光纤纤芯上制成光栅，利用低熔点玻璃焊料将光栅两端的光纤分别焊接在两个基座上，将两个基座和光纤放置在弹性体上，两个基座分别通过螺丝固定在基座上；

将光纤一段连接到光纤光栅解调仪上读取常温静态下的波长数值并记录，通过扭动其中一个基座的螺丝来调节预拉，边调节边看波长数据调至增大3nm，用螺纹胶固定基座的螺丝；

将上述结构整体放入温箱进行老化，然后按照工艺流程制作成光纤光栅应变传感器。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

如图3、4所示，图3中的标号31为飞秒激光刻栅的聚酰亚胺涂覆层的光栅，32为弹性体，33为低熔点玻璃焊接点，34为基座；图4中的标号41为飞秒激光刻栅的bragg光栅，42为光纤纤芯，43为包层，44为聚酰亚胺涂覆层，c为入射光，d为返射光。该光纤光栅应变传感器中，采用飞秒激光刻栅及带有聚酰亚胺涂覆层的光纤光栅，提高传感器的抗拉强度，提高工程结构健康监测中应变监测的实用性；采用独特的应变增敏封装结构，使得光纤光栅应变传感器测量精度提高三倍，应变监测范围扩展至±3000με。本发明的光纤光栅应变传感器由于保证了封装基片以及封装胶的大应变承受能力，其测量范围为±3000με能满足大应变量传感的要求。

该光纤光栅应变传感器中，基座、弹性体材料选用弹性合金，具有高的弹性模量、高强度、耐高温、耐腐蚀、无磁性，在一定温度范围内弹性模量基本不变，膨胀系数小，品质因素高等特性。常温下抗拉强度不小于1225mpa，延伸率不小于5％。

利用飞秒激光脉冲诱导光纤纤芯产生折射率变化刻写光纤光栅的优势在于：飞秒激光的非线性光学效应产生极端稳定的不可擦除的光栅作为传感器件；至1000摄氏度的极端稳定性；透过涂覆层直写，保留光纤更好的机械强度，保留特殊涂覆层的优异性能，远高于常规剥离-再涂覆法光纤光栅的机械强度。

采用具有聚酰亚胺涂覆层的光纤，由于聚酰亚胺是一类耐高温材料，具有极高的耐热性、优异的化学稳定性、良好的电绝缘性和高机械强度等性能，能保证在低熔点玻璃270℃焊接温度下涂覆层不会被烧坏。

本发明中采用的低熔点玻璃是一种低温封接玻璃焊料，封装工艺中可直接将金属管套与光纤密封，无需将光纤表面金属化，浸润性良好，能够达到气密封装；化学稳定较好，熔封过程中不产生气体，熔封后无残留物；气密封接温度比较低，封接温度范围为330℃～380℃，易于操作；适用性强，相对传统封装，使用该产品封装后的元件寿命长。较常规环氧树脂胶的封装工艺，光纤光栅依靠低熔点玻璃焊接，接触点稳定性好，消除了蠕变造成的波长零点的漂移。

本发明的应变传感器在封装光纤光栅的过程中，首先，利用低熔点玻璃焊料将两个基座焊接在飞秒激光刻栅、聚酰亚胺涂覆层的光栅两端；其次，将封装好的基座与光栅一起放置于弹性体上，背面使用螺丝将基座固定；再次，将光纤一段连接到光纤光栅解调仪上读取常温静态下的波长数值并记录；最后，通过扭动其中一个基座背后的螺丝来调节预拉，边调节边看波长数据调至增大3nm左右，点螺纹胶固定螺丝。整体放入温箱进行老化，然后按照工艺流程制作成光纤光栅应变传感器。

将预拉后的此点波长作为零点波长，当光纤光栅应变传感器受到轴向压缩时，传感器会将波长变化传送到解调仪自动换算为负应变；当光纤光栅应变传感器受到轴向拉伸时，传感器会将波长变化传送到解调仪自动换算为正应变。

由于低熔点玻璃焊接解决了零点漂移的问题；飞秒激光刻栅、聚酰亚胺涂覆层光栅具有很高的抗拉强度；标距不变的前提下，缩短光栅两端固定点的距离，使得光纤光栅应变传感器的灵敏度由原来的1.2με/pm提高到0.4με/pm，工程应用应变监测量程由原来的±1500με扩展到±3000με。

实验室里，将本发明的光纤光栅应变传感器放置在标定架上进行标定实验，光纤光栅应变传感器应变测量范围为±3000με，满足工程结构健康大应变结构健康监测的需求；波长变化量为3nm，飞秒激光刻栅、聚酰亚胺涂覆层的光栅在承受如此大的波长变化量；精度为1％f.s，监测应变更为准确。

本发明的光纤光栅应变传感器，具有以下有益效果：

光纤光栅应变传感器采用飞秒激光刻栅、聚酰亚胺涂覆层光栅，结合低熔点玻璃焊接技术，使得该应变传感器的抗拉强度更高，监测精度提高至原来的三倍，满足了工程应用中高精度高灵敏大应变监测范围的要求。使用低熔点玻璃焊料焊接，封装工艺中可直接将金属管套与光纤密封，无需将光纤表面金属化，浸润性良好，能够达到气密封装；化学稳定较好，熔封过程中不产生气体，熔封后无残留物；气密封接温度比较低，封接温度范围为330℃～380℃，易于操作；适用性强，相对传统封装，使用该产品封装后的元件寿命长。较常规环氧树脂胶的封装工艺，光纤光栅依靠低熔点玻璃焊接，接触点稳定性好，消除了蠕变造成的波长零点的漂移。提高了传感器的抗拉强度，提高工程结构健康监测中应变监测的实用性；采用特定的应变增敏封装结构，使得光纤光栅应变传感器测量精度提高三倍，应变监测范围扩展至±3000με。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。