專利名稱：預(yù)應(yīng)變光纖光柵及其傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是光纖傳感領(lǐng)域里的一種發(fā)明設(shè)計(jì)，特別是一種基于預(yù)應(yīng)變的光纖光柵技術(shù)及其傳感器，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
經(jīng)預(yù)應(yīng)變技術(shù)處理后的光纖光柵，由于具有兩個(gè)對(duì)溫度和應(yīng)變不同響應(yīng)的反射(或透射)峰，以此研制的光纖光柵傳感器可以對(duì)溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量。實(shí)用中，只要測(cè)得兩個(gè)反射(或透射)峰之間的波長(zhǎng)差，由下列應(yīng)變-溫變關(guān)系式，即可求得待測(cè)體的應(yīng)變和溫度值。ΔλB1ΔλB2=K1(ϵ)K1(T)K2(ϵ)K2(T)×ΔϵΔT---(1)]]>式中的ΔλB1、ΔλB2分別為兩段光柵的中心波長(zhǎng)的漂移量，Ki(ε)、Ki(T)(i＝1，2)分別是應(yīng)變傳感和溫度傳感系數(shù)，Δε、ΔT分別是整個(gè)光柵區(qū)域發(fā)生的應(yīng)變和溫度變化。
本發(fā)明的有益效果是基于預(yù)應(yīng)變技術(shù)，僅用一只光纖光柵設(shè)計(jì)的傳感器，在各種場(chǎng)合和場(chǎng)地可同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度。


圖1是預(yù)應(yīng)變光纖光柵傳感頭結(jié)構(gòu)2是由預(yù)應(yīng)變光纖光柵構(gòu)成的傳感器結(jié)構(gòu)示意3(a)是應(yīng)變?yōu)?με狀態(tài)下的光譜圖，(b)是應(yīng)變?yōu)?834.7με狀態(tài)下的光譜4是不同溫度狀態(tài)下光纖光柵兩部分溫度傳感光譜圖，其中(a)是溫度為4℃狀態(tài)下的光譜圖，(b)是40℃狀態(tài)下的光譜圖其中光纖光柵傳感頭5，寬帶光源6，波長(zhǎng)測(cè)試儀7，光纖耦合器8，匹配液9，裸光纖布拉格光柵1，粘貼金屬片的光纖布拉格光柵2，襯底金屬片3，帶包層的光纖4。
傳感器所用的光纖布拉格光柵是利用相位掩膜法制作的，其長(zhǎng)度為10mm。采用預(yù)應(yīng)變技術(shù)制作光纖光柵傳感頭，即普通單模光纖經(jīng)載氫處理后，通過紫外側(cè)直寫入，在加有一定應(yīng)力的狀態(tài)下，將已寫好的光纖光柵的一半牢固地粘于鋁片上。待應(yīng)力釋放后，裸光柵部分形變恢復(fù)，其中心透射波長(zhǎng)不變；而粘在鋁片上的另一半光纖光柵，由于存在預(yù)應(yīng)變，其柵格周期Λ發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致該部分光柵的中心反射(或透射)波長(zhǎng)改變，因此整個(gè)光纖光柵具有了兩個(gè)透射峰。在室溫20℃條件下，兩個(gè)透射峰的中心波長(zhǎng)分別為1558.80nm和1560.04nm。圖3(a)是應(yīng)變?yōu)?με狀態(tài)下的光譜圖，此時(shí)兩個(gè)透射損耗峰分開一定距離，裸光纖光柵的透射波長(zhǎng)為1558.80nm，粘于鋁片上的光纖光柵透射波長(zhǎng)為1560.04nm；圖3(b)是應(yīng)變?yōu)?834.7με狀態(tài)下的光譜圖，此時(shí)兩個(gè)透射損耗峰重合，其中心透射波長(zhǎng)皆為1560.04nm。圖4是不同溫度狀態(tài)下光纖光柵兩部分溫度傳感光譜圖，其中(a)是溫度為4℃狀態(tài)下的光譜圖，(b)是40℃狀態(tài)下的光譜圖。
根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，得到的(1)式測(cè)量擬合值為 由(2)式可知，粘貼鋁片的光纖光柵的應(yīng)變傳感系數(shù)是0nm/με，溫度傳感系數(shù)是5.32×10-2nm/℃；裸光纖光柵的應(yīng)變傳感系數(shù)是7×10-4nm/με，溫度傳感系數(shù)是1.07×10-2nm/℃。
在實(shí)測(cè)應(yīng)變和溫度時(shí)，系統(tǒng)首先測(cè)量傳感光纖光柵的兩個(gè)透射之間的波長(zhǎng)差，然后由相關(guān)的軟件根據(jù)(2)式即可得到應(yīng)變?chǔ)う藕蜏囟茸兓的具體數(shù)值。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)應(yīng)變光纖光柵，包括光纖布拉格光柵，其特征在于對(duì)一根光纖光柵施加一定的預(yù)應(yīng)力，將其一半牢固地粘貼在襯底材料上，另一半裸露，待應(yīng)力釋放后，裸光纖光柵部分形變恢復(fù)，整個(gè)光纖光柵各部分應(yīng)變平衡后具有兩個(gè)反射(或透射)峰。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)變光纖光柵，其特征在于所述的襯底材料可為金屬、合金、或非金屬固體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)變光纖光柵，其特征在于；所述的光纖光柵襯底材料形狀是長(zhǎng)方體或圓柱體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)變光纖光柵，其特征在于所述的光纖光柵為光纖布拉格光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)變光纖光柵，其特征在于裸光纖光柵與施加預(yù)應(yīng)變的光纖光柵兩段長(zhǎng)度的比是1∶(1-3)，或(1-3)∶1，最佳比例是1∶1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)變光纖光柵，其特征在于可將一只光纖光柵分成幾段，依次進(jìn)行預(yù)應(yīng)變技術(shù)處理，可以同時(shí)測(cè)量與線段數(shù)相應(yīng)的幾個(gè)參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)變光纖光柵制備的傳感器，其特征在于包括光纖布拉格光柵，光纖光柵布拉格光柵的一半是裸光纖布拉格光柵(1)，另一半是粘貼鋁片的光纖布拉格光柵(2)，鋁片襯底(3)，帶包層的光纖(4)，寬帶光源(6)，波長(zhǎng)測(cè)試儀(7)，2×2光纖耦合器(8)，匹配液(9)；連接方式2×2光纖耦合器(8)一側(cè)的兩根光纖，一根插入匹配液(9)，另一根連接傳感頭5(光纖布拉格光柵1和2)，并將其與應(yīng)變、溫度控制裝置相連；2×2光纖耦合器(8)另外一側(cè)的兩根光纖，一根接寬帶光源(6)，另一根接波長(zhǎng)測(cè)試儀(7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的其傳感器，其特征在于所述的光纖耦合器是2×2或1×2光纖耦合器。
全文摘要
本發(fā)明的名稱是預(yù)應(yīng)變光纖光柵及其傳感器，是光纖傳感領(lǐng)域里的一種發(fā)明設(shè)計(jì)，特別是一種基于預(yù)應(yīng)變技術(shù)對(duì)應(yīng)變和溫度同時(shí)測(cè)量的單光纖光柵傳感器，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。對(duì)一根光纖光柵施加一定的預(yù)應(yīng)力，將其一半牢固地粘貼在金屬片上，另一半裸露不封裝。待應(yīng)力釋放后，裸光纖光柵部分形變恢復(fù)，整個(gè)光纖光柵各部分應(yīng)變平衡后，就具有兩個(gè)反射(或透射)峰。該傳感器包括寬帶光源、帶包層的光纖、波長(zhǎng)測(cè)試儀、光纖耦合器、匹配液及光纖連接器等。經(jīng)預(yù)應(yīng)變技術(shù)處理后的光纖光柵受到外界作用時(shí)，其兩個(gè)反射(或透射)峰對(duì)溫度和應(yīng)變具有不同的響應(yīng)屬性。實(shí)用中，只要測(cè)得兩個(gè)反射(或透射)峰之間的波長(zhǎng)差，即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的同時(shí)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01K5/00GK1415935SQ0215917
公開日2003年5月7日 申請(qǐng)日期2002年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月30日
發(fā)明者開桂云, 張偉剛, 董孝義 申請(qǐng)人:南開大學(xué)