基于悬芯光纤弱啁啾光栅的强度调制微应力传感器的制作方法

本发明属于测力技术领域，具体涉及到一种基于悬芯光纤弱啁啾光栅的强度调制微应力传感器。

背景技术：

光纤应力传感器是近年来世界上广泛应用的传感器类型，具有许多电传感器不可比拟的优点，如不受电磁场以及外界环境变化的影响，灵敏度高、体积小、绝缘性好、可实现分布测量等，已广泛应用于石油、化工、交通、能量、冶金、医药、医药、军工、食品、核工业等领域。光纤应力传感器是实现长期及实时在线结构健康监测的关键器件，对于保障大型设施的安全、防治恶性以及灾难性事故的发生具有极其重要的意义。

传统的拉力传感器以光纤布拉格光栅应变为测量手段，很难提高很大的位移范围，加之受制于光纤本身的强度光纤光栅的应变量程小于10000微应变，很难达到高测量范围的要求。传统拉力传感器的fp腔解调，使用强度解调的方法，不能直接由峰值强度解调出要测量的量，需要同时关注自由光谱范围和消光比两项数值，且需要较高的灵敏度，要求测得光谱的曲线斜率较高，对于工艺要求过高，且腔长不能过长，可测量范围也相应减少。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种体积小、响应速度快、灵敏度高的基于悬芯光纤弱啁啾光栅的强度调制微应力传感器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：第一光纤保护壳与第二光纤保护壳之间设置有弹簧，第一光纤保护壳和第二光纤保护壳及弹簧连为一体且材质相同，第一单模光纤一端插入到第一光纤保护壳内并用胶固定，第二单模光纤一端依次穿过第二光纤保护壳和弹簧伸入到第一光纤保护壳内与第一单模光纤之间留有间隙形成fp腔a，第二单模光纤另一端与第二光纤保护壳端面平齐并用胶固定，位于弹簧区域内第二单模光纤上刻有弱啁啾光栅。

作为一种优选的技术方案，所述的第一光纤保护壳内第一单模光纤的端部熔接有多模光纤，多模光纤的另一端与第二单模光纤一端之间留有间隙形成fp腔a。

作为一种优选的技术方案，所述的多模光纤的长度为200～400um。

作为一种优选的技术方案，所述的fp腔a长度为50～300um。

作为一种优选的技术方案，所述的第一光纤保护壳与第二光纤保护壳为直径相同的圆柱体其中心位置加工有直径为200～300um的安装孔，弹簧外径与第一光纤保护壳的直径相同为5～30mm，弹簧线径为0.1～1mm、有效圈数为4～30圈、支撑圈数为2圈、弹簧长度为10～30mm。

作为一种优选的技术方案，所述的弱啁啾光栅栅区长度为6～10mm，弱啁啾光栅栅区与伸入到第一光纤保护壳内第二单模光纤端部之间的距离是1～10mm。

作为一种优选的技术方案，所述的第一光纤保护壳的材质为树脂。

本发明的有益效果如下：

本发明采用第一光纤保护壳和第二光纤保护壳之间设置弹簧结构来改变fp腔的腔长，在未拉伸布弱啁啾光栅的前提下提供3mm的腔长可变范围，使得传感器的测量范围大大提升，同时使用不同弹性系数的弹簧，可以根据不同需求改变应力测试范围；本发明第一单模光纤端部设置有多模光纤，光通过多模光纤入射，由于多模光纤纤芯直径更大，控制不同的多模光纤长度可以有效的使光聚焦于本发明轴线处，使光更好的耦合进传感区即弱啁啾光栅栅区内，增大了耦合至第二单模光纤中光的强度；使用弱啁啾光栅光纤，可将光强度精确调制至弱啁啾光栅中心波长处测量，同时避免了其余波长光的强度变化对测量精准度的影响，起到滤波作用；本发明解调方式为能量解调，与传统的波长解调相比，解调成本低，温度串扰小，传感系统搭建更简单；与传统应变传感器的粘胶结构相比，应变测量范围提高至0～30000με；本发明的制作具有高重复性、一体化，具有批量生产和产品化的潜力。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例4的结构示意图。

图3是中心波长附近反射谱变化情况。

图4是光谱傅里叶变换频谱图。

图5传感器频谱峰值能量随应变变化。

其中：第一光纤保护壳1；第一单模光纤2；弹簧3；第二光纤保护壳4；第二单模光纤5；多模光纤6；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。

实施例1

在图1中，本实施例的基于悬芯光纤弱啁啾光栅的强度调制微应力传感器由第一光纤保护壳1、第一单模光纤2、弹簧3、第二光纤保护壳4、第二单模光纤5连接构成。

第一光纤保护壳1、弹簧3、第二光纤保护壳4连为一体且材质均为树脂，第一光纤保护壳1与第二光纤保护壳4为直径相同的圆柱体其中心位置加工有直径为250um的安装孔，弹簧3外径与第一光纤保护壳1的直径相同为20mm，弹簧3线径为0.5mm、有效圈数为20圈、支撑圈数为2、弹簧3长度为20mm，第一单模光纤2外径为125um，第一单模光纤2的一端插入到第一光纤保护壳1内并用胶固定，第二单模光纤5外径为125um，第二单模光纤5一端依次穿过第二光纤保护壳4和弹簧3伸入到第一光纤保护壳1内与第一单模光纤2之间留有间隙形成fp腔a，fp腔a长度为150um，第二单模光纤5另一端与第二光纤保护壳4端面平齐并用胶固定，位于弹簧3区域内第二单模光纤5上刻有弱啁啾光栅，弱啁啾光栅栅区长度为8mm，弱啁啾光栅栅区与伸入到第一光纤保护壳1内的第二单模光纤5端部之间的距离是5mm。

本发明中位于fp腔a两端的第一单模光纤2的端面与第二单模光纤5的端面为两个反射面，由于两反射面之间的空气间隙，使第一单模光纤2的端面反射的光与第二单模光纤5的端面反射的光之间存在相位差，形成干涉，从而仅处于第二单模光纤5上弱啁啾光栅栅区中心波长的光可以被第二单模光纤5端面反射回第一单模光纤2的端面，当拉伸应力作用于本发明两端时，弹簧3区受到应力作用拉伸，fp腔a腔长发生变化，导致被耦合进第二单模光纤5并处于弱啁啾光栅中心波长处的光强度发生变化，配合光谱边带滤波技术，可实时探测应力信号。本发明第一光纤保护壳1和第二光纤保护壳4之间设置为弹簧3，使得应力的测量量程增大，选择劲度系数不同的弹簧3材料可以满足不同应力量程范围的要求；解调方式为能量解调，与传统的波长解调相比，解调成本低，温度串扰小，传感系统搭建更简单；与传统应变传感器的粘胶结构相比，应变测量范围提高至0～30000με；本发明的制作具有高重复性、一体化，具有批量生产和产品化的潜力。

实施例2

在本实施例中，第一光纤保护壳1、弹簧3、第二光纤保护壳4连为一体且材质均为树脂，第一光纤保护壳1与第二光纤保护壳4为直径相同的圆柱体其中心位置加工有直径为200um的安装孔，弹簧3外径与第一光纤保护壳1的直径相同为5mm，弹簧3线径为0.1mm、有效圈数为4圈、支撑圈数为2、弹簧3长度为10mm，第一单模光纤2外径为125um，第一单模光纤2的一端插入到第一光纤保护壳1内并用胶固定，第二单模光纤5外径为125um，第二单模光纤5一端依次穿过第二光纤保护壳4和弹簧3伸入到第一光纤保护壳1内与第一单模光纤2之间留有间隙形成fp腔a，fp腔a长度为50um，第二单模光纤5另一端与第二光纤保护壳4端面平齐并用胶固定，位于弹簧3区域内第二单模光纤5上刻有弱啁啾光栅，弱啁啾光栅栅区长度为6mm，弱啁啾光栅栅区与伸入到第一光纤保护壳1内第二单模光纤5端部之间的距离是1mm。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

实施例3

在本实施例中，第一光纤保护壳1、弹簧3、第二光纤保护壳4连为一体且材质均为树脂，第一光纤保护壳1与第二光纤保护壳4为直径相同的圆柱体其中心位置加工有直径为300um的安装孔，弹簧3外径与第一光纤保护壳1的直径相同为30mm，弹簧3线径为1mm、有效圈数为30圈、支撑圈数为2、弹簧3长度为30mm，第一单模光纤2外径为125um，第一单模光纤2的一端插入到第一光纤保护壳1内并用胶固定，第二单模光纤5外径为125um，第二单模光纤5一端依次穿过第二光纤保护壳4和弹簧3伸入到第一光纤保护壳1内与第一单模光纤2之间留有间隙形成fp腔a，fp腔a长度为300um，第二单模光纤5另一端与第二光纤保护壳4端面平齐并用胶固定，位于弹簧3区域内第二单模光纤5上刻有弱啁啾光栅，弱啁啾光栅栅区长度为10mm，弱啁啾光栅栅区与伸入到第一光纤保护壳1内第二单模光纤5端部之间的距离是10mm。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

实施例4

在以上实施例1～3中，如图2，本实施例的基于悬芯光纤弱啁啾光栅的强度调制微应力传感器由第一光纤保护壳1、第一单模光纤2、弹簧3、第二光纤保护壳4、第二单模光纤5、多模光纤6连接构成。

第一单模光纤2一端端部熔接有多模光纤6，多模光纤6的直径为150um、长度为300um，长度也可以为200um，也可以为400um，该端插入到第一光纤保护壳1内并用胶固定，第二单模光纤5一端依次穿过第二光纤保护壳4和弹簧3伸入到第一光纤保护壳1内与多模光纤6的另一端之间留有间隙形成fp腔a。其他零部件及零部件的连接关系与相应的实施例相同。

本实施例中，光通过多模光纤6入射，由于多模光纤6纤芯直径更大，控制不同的多模光纤6长度可以有效的使光聚焦于本发明轴线处，使光更好的耦合进传感区即弱啁啾光栅栅区内，增大了耦合至第二单模光纤5中光的强度；使用弱啁啾光栅光纤，可将强度精确调制至弱啁啾光栅中心波长处测量，同时避免了其余波长光的强度变化对测量精准度的影响，起到滤波作用。

为了验证本发明的有益效果发明人用实施例4的技术方案进行了拉伸应力测试实验。

本试验的测试系统包括位移台、光纤夹持器、解调仪，本发明通过光纤夹持器安装在位移台上，本发明的第一单模光纤2接入解调仪，激光从解调仪输出，导入本发明中，同时本发明反射光信号传递至解调仪中，经解调仪解调后输出至计算机，当光纤受到应力作用时，fp腔a腔长发生改变，引起反射谱强度发生变化。

试验结果

从初始位置拉动劲度系数为5n/mm的弹簧3从0到1.5mm，每隔0.1mm记录一次数据，即应变范围为0～30000με，得到的中心波长附近反射谱变化情况如图3所示，从图中可以看出传感器共振光谱波长基本保持不变，但共振光谱强度随应变增加逐渐减小；将图3中光谱变化通过傅里叶算法转换至频谱，可获得单一共振频谱随应变变化，如图4所示，从图中可以看出，随着应变量增加，频谱能量逐渐减弱；记录不同应变点的频谱峰值强度，如图5所示，从图可以看出，频谱峰值强度随应变线性变化，线性拟合度>99.6％。测量结果表明，本发明可实现大应变范围0～30000με的高灵敏测量。