基于FBG的光纤微力传感器、加工方法、测量装置及方法

本发明涉及微力传感器，更具体的，涉及：1，一种基于fbg的光纤微力传感器；2，该种光纤微力传感器的加工方法；3，一种微力测量装置；4，一种微力测量方法。

背景技术：

1、市面上主流的微力传感器大多数以压阻式或者压电式为设计原理。一方面，大部分是进口产品，价格昂贵；另一方面，压阻式和压电式传感器对温度相对敏感，温度的变化会影响其测量精度，抗干扰能力较弱。

2、因此，发明人考虑利用光纤光栅进行微结构的力学测量。但经过调研后发现，现有光纤传感器主要应用在土木工程结构健康监测、或者交通运输行业，来测量大型结构产生的应变，因此，现有的光纤传感器尺寸较大，不适合用于微结构的力学测量。另外，现有的光纤传感器采用一端入射、另一端出射的测量方式，使用这种方式测量微结构的微力时，出射端作为受力端会随微结构形变产生偏移，导致难以测量出射光能量；而且入射光只经过一轮衰减，衰减幅度可能过小而不易分辨，导致测量误差偏大。

3、总的来说，目前缺少适用于测量微结构微力大小的光纤传感器。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对现有技术中缺少适用于微力测量的光纤传感器的问题，提供了基于fbg的光纤微力传感器、加工方法、测量装置及方法。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明公开了一种基于fbg的光纤微力传感器，包括光纤本体、光纤分光器、n个fbg结构、反射膜。

4、光纤分光器设置在光纤本体的一端。光纤分光器的一端作为入射端，并在测量微力时通入入射光。n个fbg结构间隔设置在光纤本体的纤芯中，用于对入射光进行能量衰减。其中，n个fbg结构靠近光纤本体的另一端设置，n＞1；fbg结构所处区域作为微力感应区域。反射膜设置在光纤本体的另一端。反射膜用于将入射光反射回入射端、并形成反射光。反射光从光纤分光器的另一端射出，形成出射光；出射光用于反映出所受微力的大小。

5、其中，入射光采用皮秒激光脉冲，并使前一个脉冲产生的出射光从光纤分光器射出后，后一个脉冲再通入光纤分光器。

6、该种基于fbg的光纤微力传感器实现根据本公开的实施例的方法或过程。

7、第二方面，本发明公开了第一方面的基于fbg的光纤微力传感器的加工方法，包括以下步骤：

8、获取光纤本体；

9、通过飞秒激光直写加工在光纤本体的纤芯中加工出n个间隔的fbg结构；

10、在光纤本体的一端镀上反射膜；

11、在光纤本体的另一端连接上光纤分光器。

12、该种光纤微力传感器的加工方法实现根据本公开的实施例的方法或过程。

13、第三方面，本发明公开了一种微力测量装置，包括：如第一方面公开的基于fbg的光纤微力传感器、光纤夹持器、测量架、出射光测量计。

14、光纤夹持器用于夹持住光纤微力传感器的入射端。测量架包括悬臂梁、底座，悬臂梁设置在底座上；光纤夹持器设置在悬臂梁上，并使光纤微力传感器纵向悬挂。出射光测量计设置在光纤微力传感器一侧，用于检测出射光的光波特性。

15、该种微力测量装置实现根据本公开的实施例的方法或过程。

16、第四方面，本发明公开了一种微力测量方法，应用在第三方面公开的微力测量装置。

17、微力测量方法包括以下步骤：

18、预先对光纤微力传感器进行标定，构建出在设定入射光下的理论受力大小与理论出射光光波特性的映射关系；

19、使用光纤微力传感器的微力感应区域感应实时微力作用，从光纤微力传感器的入射端通入设定入射光，并通过出射光测量计测量出对应的实时出射光光波特性；

20、依据映射关系，计算出实时微力的大小。

21、该种微力测量方法实现根据本公开的实施例的方法或过程。

22、与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

23、1，本发明提供的光纤微力传感器基于光纤本体设计，整体尺寸小，更适合微结构微力的测量；本发明在纤芯中加工出若干个fbg结构，利用fbg结构高灵敏度、大动态范围的特点，可以测量出纳牛级别大小的应力。

24、2，本发明在光纤本体一端设置反射膜，对来自入射端的入射光进行反射，使入射光两次通过fbg结构，可以提高能量衰减幅度，提高传感器的灵敏度；本发明在光纤本体另一端设置光纤分光器，配合通过皮秒激光脉冲的入射光，使用脉冲分时测量，可以避免入射光与出射光同时出现而产生的测量干扰，保证出射光测量的准确性。

25、3，本发明对光纤微力传感器进行加工时采用了飞秒激光直写加工。布拉格光栅量产制备的需要高质量的光谱、良好的制备效率、可靠的一致性以及充分的灵活性。利用了飞秒激光加工三维灵活的特点，可以在纤芯的任意位置加工所需规格的光栅，满足不同的测量需求，既保证加工精度的同时又可以有效降低成本。

26、4，本发明提供的微力测量装置，在测量时使光纤微力传感器的入射端被固定，可以保证入射端在测量过程中不会产生形变偏移，从而保证在入射端接受到信号，大大降低了检测的难度。

技术特征：

1.一种基于fbg的光纤微力传感器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于fbg的光纤微力传感器，其特征在于，相邻fbg结构的栅距为入射光半波长的整数倍。

3.根据权利要求1所述的基于fbg的光纤微力传感器，其特征在于，fbg结构的有效折射率为1.5。

4.根据权利要求1所述的基于fbg的光纤微力传感器，其特征在于，所述光纤本体的外径为20～30μm，纤芯的直径为8～10μm。

5.根据权利要求1所述的基于fbg的光纤微力传感器，其特征在于，所述光纤分光器的入射端连接有用于通入入射光的入射光纤；所述光纤分光器的出射端连接有用于射出出射光的出射光纤。

6.根据权利要求1-5中任一所述的基于fbg的光纤微力传感器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于fbg的光纤微力传感器，其特征在于，在进行飞秒激光直写加工时，控制激光能量为5mw、曝光时间在10s之内。

8.一种微力测量装置，其包括：

9.根据权利要求8所述的微力测量装置，其特征在于，所述出射光测量计固定连接悬臂梁。

10.一种微力测量方法，其特征在于，应用在如权利要求8或9所述的微力测量装置；

技术总结
本发明涉及微力传感器技术领域，更具体的，涉及基于FBG的光纤微力传感器、加工方法、测量装置及方法。本发明公开了一种基于FBG的光纤微力传感器，包括光纤本体、光纤分光器、N个FBG结构、反射膜。本发明提供的光纤微力传感器整体尺寸小，更适合微结构微力的测量。本发明在纤芯中加工出若干个FBG结构，可以测量出纳牛级别的应力。本发明在光纤本体一端设置反射膜，对入射光进行反射，使入射光两次通过FBG结构，可以提高能量衰减幅度，提高传感器的灵敏度。本发明在光纤本体另一端设置光纤分光器，配合通过皮秒激光脉冲的入射光，使用脉冲分时测量，可以避免入射光与出射光同时出现而产生的测量干扰，保证出射光测量的准确性。

技术研发人员：劳召欣,董睿,吴思竹,尹智东
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8