專利名稱:基于熱應(yīng)力機(jī)制的光纖光柵溫度自補(bǔ)償應(yīng)變傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及溫度傳自技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
光纖光柵是利用光纖材料的光敏性在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵,其作用實 質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾波或反射鏡。光纖光柵具有波長編碼、易于 實現(xiàn)波分復(fù)用、抗電磁干擾、傳輸損耗低、體積小、重量輕等優(yōu)點,是目前極
具發(fā)展前景的光纖無源器件,在光纖傳 1!|試領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
光纖光柵Xt溫度和應(yīng)變同時敏感, 一股瞎況下很難區(qū)分溫度和應(yīng) 傳感 器波長的影響。由于光纖光柵鵬應(yīng)變交叉敏感的特性,嚴(yán)重影響其在光纖傳 感領(lǐng)鵬用,因此,需要對光柵進(jìn)行驢補(bǔ)償,剔除纟鵬對光柵波長的影響。
光纖光柵溫度補(bǔ)償方法具體可以分為兩類其一,有源封裝方式,即由外 加電路控制光柵器件所在的環(huán)境溫度;其二無源封裝方式,即以適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu) 與材料對光纖光柵進(jìn)行封裝,封裝使光柵產(chǎn)生一定的應(yīng)變,該應(yīng)變引入的波長 的漂移可抵消由溫度變化引起的波長的漂移。光纖光柵xt溫度非常敏感,中心 波長隨,漂移量約為10pmTC,而對應(yīng)變的靈敏度約為1 pm4iE,因此要求 溫度穩(wěn)定性為i0.1 °C以上。而目前的一般的加熱設(shè),制溫度的精確度僅為士l "C左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。此外,與有源方式比,無源方式還具有成本低、 體積小,實用方便等特點,使之成為改善光纖光柵溫度特性的主要方式。
主要的無源封裝方式又可分為以下2類
1、采用不同熱膨脹系數(shù)材料進(jìn)行封裝該方纟去是采用兩種不同熱膨脹系 數(shù)的材料進(jìn)行封裝,先對光柵進(jìn)行一定程度的預(yù)拉伸,然后將光柵的兩端分別 以點式粘接法固定在這兩種不同熱脹系數(shù)的材料上。該兩種不同熱脹系數(shù)的材 料均固定在封裝套管上,彼此間并無相互作用力。當(dāng)環(huán)境、皿發(fā)生變化時,由 于兩種材料的熱膨脹系數(shù)的不同,導(dǎo)致兩者間產(chǎn)生相對位移,從而引起光
度的改變,補(bǔ)償了光柵波長的鵬漂移。該方法的主要問題是光纖光柵采用
點式粘接,且粘接前需要給光纖一個拉伸預(yù)應(yīng)力,這樣就很容易造成光柵粘貼
不牢的問題,從而導(dǎo)致傳感器使用壽命的大大降低,甚至可能會導(dǎo)致傳ii^
服役期內(nèi)提前失效。
2、采用負(fù)膨脹系數(shù)材料進(jìn)行封裝該方法是將光柵整體直接粘貼在負(fù)膨 脹系數(shù)材料上,當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生改變,由于負(fù)膨脹材料會對光柵造成一個與波 長隨、皿變化的方向相反的應(yīng)變,從而補(bǔ)償了光纖光柵的溫度漂移。此法由于 采用了光柵的整體粘貼方式,可改善點式粘接容易發(fā)生粘貼不牢的問題,但是 該法的主要缺陷在于很難找到一種合適負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料皿行封裝,且材 料加工困難,成本高昂;此外,該法無法測量應(yīng)變,目前僅用于^1信領(lǐng)域。
上述缺陷或不足一直成為長期以來人們一直想解決而又一直未能很好地 解決的一大技術(shù)難題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種基于熱應(yīng)力機(jī)制的光纖光柵溫度自補(bǔ)償應(yīng)變 傳感器,其特點是當(dāng)環(huán)境Mit升高或降低時,由于熱應(yīng)力的作用導(dǎo)致件錄 受壓應(yīng)變或旨變,導(dǎo)致光柵波長向短波或長波方向移動,從而實5W光柵波 長,漂移的自動補(bǔ)償,本發(fā)明原理獨特,易做到補(bǔ)償精確,且體積小巧、使 用方便、壽命長。
本發(fā)明的主要技術(shù)方案是 一種基于熱應(yīng)力機(jī)制的光纖光柵溫度自補(bǔ)償應(yīng) 變傳感器,其特征在于設(shè)有補(bǔ)償裝置,該補(bǔ)償裝置由件B和件A串連式連接而
成,光纖光柵粘結(jié)在件A中或其表面,光纖光柵處于串連軸線上或其平行線上; 件B和件A的橫截面積、熱膨脹系數(shù)中至少有一項互不相同;當(dāng)該補(bǔ)償裝置兩 端固定,且^^變化時,在線彈性范圍內(nèi),件B和件A熱應(yīng)力相互作用導(dǎo)致件A 承受壓應(yīng)變或拉應(yīng)變,從而引起光柵波長向短波或長波方向移動,實iW光柵 波長Mit漂移的自動補(bǔ)償。
件B和件A為線彈性材料,工作范圍在線彈性范圍內(nèi)。
所述的光纖為單模光纖為佳,也可為多模光纖。
一種較佳結(jié)構(gòu)為,所述的件B和件A均為管狀,件B的橫截面積大于件A的 橫截面積,二管為一體化連接或分體式連接,光纖光柵固定在件A的內(nèi)孔中, 光纖從二管的內(nèi)孔中通過。件B和件A也可為棒狀、塊狀等。
所述的件B和件A中的內(nèi)孔的直徑相同為佳。
件A為管狀時,所述的光纖光柵和件A的內(nèi)壁間為雙組分環(huán)氧樹脂膠^ 粘結(jié)固定結(jié)構(gòu)為佳。
所述的件B和件A為一體化連接, 一體化加工為佳。ii接方式也可為螺紋
連接等。也可為分體式連接。
所述的光纖光柵為光纖布拉格光柵為佳。
所述的補(bǔ)償裝置的兩端固定在固定架上為佳。 所述的固定架是一個金屬外管為佳。
所述的件B和件A均由具有正溫度系數(shù)的金屬材料構(gòu)成為佳。也可均不是 金屬材料;也可為不同的金屬材料或非金屬材料。
均具有正溫度系數(shù)的金屬材料的件B和件A即補(bǔ)償裝置的兩端和金屬外管 焊接為佳。
所述的件A和件B均由具有正溫度系數(shù)的金屬材料構(gòu)成時,滿足下列公式 為佳
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中,《為所使用的光柵的^g敏感系數(shù),尺2為光柵的應(yīng)變敏感系數(shù), 當(dāng)件A和件B為相同材料時,件A和件B的熱膨脹系數(shù)為^,件A和件B 的長度、橫截面積分別為A、丄3、 &、 S3;
當(dāng)件A和件B為不同材料時,件A和件B的熱膨脹系數(shù)分別為《T2 、』, 彈性模量分別為E2、 E3則上式改寫為
本發(fā)明的驢補(bǔ)償基本原理為傳感驗管件之間采用焊接繊粘的方式 進(jìn)行結(jié)合或固定,彼此間均存在相互作用力;光纖光柵整體粘貼在管件內(nèi)壁。
當(dāng)環(huán)發(fā)鵬改變時,通過管件間的熱應(yīng)力相互作用產(chǎn)頓光纖光柵的應(yīng)變,可 抵消因環(huán)境^^改變造成光柵M漂移。
本發(fā)明的積極效果是:本發(fā)明解決了長期以來人們一直想解決而又一直未 能很好地解決的一大技術(shù)難題,與上述無源封裝方式具有完全不同的原理,原 理獨特,當(dāng)環(huán)境驢升高或降低時,由于件B的橫截面積大于件A,導(dǎo)致件A
在熱應(yīng)力作用下承受一定程度的壓應(yīng)變或拉應(yīng)變,從而導(dǎo)致光柵波長向短波或
長波方向移動,從而可實 W光柵波長溫度漂移的自動補(bǔ)償;本發(fā)明易做妾U補(bǔ) 償精確,工作穩(wěn)定l^ ,而且具有成本低廉、易于加工、體小質(zhì)輕、封裝工藝 簡便、^ffl方便、壽命長等優(yōu)點。光纖光柵整段粘貼在金屬管件的內(nèi)壁上,可 改善目前主流點式粘接法造成的粘貼不牢、容易老化失效等問題,提高了傳感
器的工作穩(wěn)定性及其使用壽命。
以下結(jié)合實施例及附圖作進(jìn)一步詳述,但不作為對本發(fā)明的限定。
圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1封裝結(jié)構(gòu)封裝前后光柵波長隨溫度變化的對比圖; 圖3是圖1封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感特性圖。
圖1 節(jié)中各標(biāo)號含義為1.外管,2.件B, 3.件A, 4.光纖光柵, 5.雙組分環(huán)氧樹脂膠整體粘結(jié)層,6.焊接結(jié)構(gòu),7.光纖。 具體實 式
參見圖1 圖3:該基于熱應(yīng)力機(jī)制的光纖光柵溫度自補(bǔ)償應(yīng)變傳感器,設(shè)
有補(bǔ)償裝置,補(bǔ)償裝置由橫截面積大小不同的件B2和件A3串連式連接構(gòu)成, 件B2和件A3均為管狀,光纖光柵固定在件A3的內(nèi)孔中,光纖為多模光纖,光 纖從件A3和件B2的內(nèi)孔中通過。所述的件B2和件A3中的內(nèi)孔的直徑相同。件 B2和件A3均由具有正溫度系數(shù)的金屬材料構(gòu)成,為一體化連接。光纖光柵4 和件A3的內(nèi)壁間為雙組分環(huán)氧樹脂膠整體粘結(jié)結(jié)構(gòu)。光纖光柵4為光纖布拉格 光柵。補(bǔ)償裝置的兩端固定在金屬外管l上。件B和件A即補(bǔ)償裝置的兩端和金 屬外管焊接。
所述的件A3和件B2均滿足下列公式
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中,為所使用的光柵的、鵬敏感系數(shù),&為光柵的應(yīng)變敏感系數(shù),
當(dāng)件A3和件B2為相同材料時,件A3和件B2的熱膨脹系數(shù)為^ ,件 A3和件B2的長度、橫截面積分別為丄2、丄3、 S2、 S3。
當(dāng)件A3和件B2為不同材料時,件A3和件B2的熱膨脹系數(shù)分別為" 、 " ,彈性模量分別為E2、 E3,則上式改寫為<formula>formula see original document page 7</formula>傳感器各管件之間采用焊接繊粘的方式進(jìn)行結(jié)合,彼此間均存在相互作
用力;光纖光柵整體粘貼在管件內(nèi)壁。當(dāng)環(huán)境離改變時,ilii管件間的熱應(yīng)
力相互作用產(chǎn)頓光纖光柵的應(yīng)變,可抵消因環(huán)境溫度改變造成的光柵鵬漂
移,可實 w光柵的完全離補(bǔ)償。光纖光柵整段粘貼在金屬管件的內(nèi)壁上,
可改善目前主流點式粘接法造成的光柵粘結(jié)不牢、傳,易老化失效的問題。
件A3為傳感器的溫度補(bǔ)償元件,件B2起溫度補(bǔ)償和應(yīng)變傳遞作用,外 管1的主要作用是保護(hù)傳感器內(nèi)部元件,以及承受被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變,并將其傳 遞至件A3和件B2。設(shè)計時應(yīng)假定外管1不隨內(nèi)部管件的應(yīng)力作用而變形, 僅受外界應(yīng)力的影響。這是因為在實際工程應(yīng)用中,傳感器一般粘貼在大型結(jié) 構(gòu)表面,或是埋入結(jié)構(gòu)體中,隨大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變而發(fā)生同步變形。傳感器內(nèi)部 管件的應(yīng)力對大型結(jié)構(gòu)體應(yīng)變的影響可以忽略不計。
該傳感器的溫度補(bǔ)償?shù)脑敿?xì)原理是當(dāng)溫度升高時,由于管件都是由金屬 材料制成,所以都會發(fā)生膨脹而產(chǎn)生熱應(yīng)力c7。由于件B2的岡岐(彈性模量 Ex橫截面積S)比件A3要高,所以熱應(yīng)力C7一^,擠壓管〗科牛A3,結(jié)果導(dǎo) 致件A3反而縮短,造成光柵的中心波長向短波方向漂移,就能抵消由于M 上升所導(dǎo)致的光柵波長改變,實1^光柵的^^補(bǔ)償。,降低時亦然。
當(dāng)外管l承受外界應(yīng)變時,件A3和件B2都會發(fā)生變形,且應(yīng)變的方向 一致,外管l和件A3的之間應(yīng)變關(guān)系存在一定的關(guān)系式。而光柵與件A3之 間、及外管l與被測結(jié)構(gòu)之間,為同步變形狀態(tài),故可根據(jù)光柵所承受的應(yīng)變 計算出結(jié)構(gòu)應(yīng)變,實現(xiàn)光纖光柵的應(yīng)變傳感。此外,通M當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計,可 使件A3上發(fā)生的應(yīng)變^大于外管1所承受的外界應(yīng)變c7,,從而實現(xiàn)應(yīng)變增敏
的效果。
經(jīng)湖,效果很好。
下面分析傳iiW^補(bǔ)償原理的具體實施及完全補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計公式 設(shè)所使用的光纖光柵的溫度敏感系數(shù)為尺ww /°C ,應(yīng)變敏感系數(shù)為
尺2戸/^ 。即當(dāng)鵬改變rc時,光柵波長改變?yōu)锳T,戸;光柵承受應(yīng)變?yōu)?br>
時,光柵波長變化為^;^。
若實5JW光纖光柵溫度的完全補(bǔ)償,則有--
i^Ar = —K2As (1)
其中Ar為光纖光柵溫度的改變量,Af為對光纖光柵施加的應(yīng)變量。
本發(fā)明使用的光纖光柵的A-11.7,/。C, /:2=1.2,//^,代入可得 ^ = -M-—9.75^/。C。因此,若要實5艦光柵溫度的完全補(bǔ)償,當(dāng)溫度升 !frC日^2需要對光柵進(jìn)行9.75/^的壓應(yīng)變;皿降低時亦然。
假設(shè)沒有外界應(yīng)力的作用,傳感器僅受,影響,外管l的長度Z,保持不 變,貝IJ件B2縮短的長度等于管件3伸長的長度,艮口
在這里有一點需要特別注意傳,處于自由,不受外力作用的狀態(tài)時, 當(dāng)環(huán)境^jg發(fā)生改變,外管1會由于熱膨脹的作用發(fā)生長度改變,而把傳感器 粘貼在大型結(jié)構(gòu)體上時,由于被測結(jié)構(gòu)一般由大型混凝土或是鋼鐵構(gòu)成,故也 會由于鵬的升高(降低撥生熱膨脹(收縮)。但是傳感器監(jiān)測的結(jié)構(gòu)體發(fā)生的 應(yīng)變應(yīng)該也包括由于纟顯度影響而造成的結(jié)構(gòu)體的熱膨脹(或熱收縮)。所以在分 析^^補(bǔ)償?shù)臅r候,若令傳感器不受外界應(yīng)變影響,就必須假定外管1的長度 不變。外管1長度的任何改變量~~^管是由于結(jié)構(gòu)術(shù)US改z變造成的熱膨脹 (或熱收-頓,還是結(jié)構(gòu)承受外界應(yīng)力所發(fā)生的變J^~~t卩應(yīng)該由應(yīng)變傳感器如 實的反映出來。
由式(1)可知件B 2的應(yīng)變?yōu)閒2=-#Ar;管件3的應(yīng)變?yōu)?br>
尺2
《2丄3
弓l入熱應(yīng)力方程<formula>formula see original document page 9</formula>
式中,c^為熱應(yīng)力,"r為材料的熱膨脹系數(shù),Ar為溫度的變化量。
上式可改寫為
<formula>formula see original document page 9</formula> (3)
式中,F(xiàn)T為熱約束力,S為材料的橫截面積。
當(dāng)溫度升高時,件B2和件A3的熱膨脹系數(shù)為正,都有膨脹伸長的趨 勢,但是由于件A3剛度比較大,反而擠壓件B2,導(dǎo)致件B2發(fā)生壓應(yīng)變。
件B2的熱應(yīng)力方程為<formula>formula see original document page 9</formula> (4) 件A3的熱應(yīng)力方程為<formula>formula see original document page 9</formula>(5)
因此,可得傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方程為<formula>formula see original document page 9</formula> (6)
若件B 2與件A 3選用同種材料,則上式可化為:
<formula>formula see original document page 10</formula>
式(6)和式(7)即為當(dāng)實現(xiàn)完全溫度補(bǔ)償時,傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計公式。 接下來分析傳感器的應(yīng)變傳感特性。設(shè)傳感器不受溫度影響,傳SII粘貼 在被測結(jié)構(gòu)物上,外管1隨被觀!)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變而發(fā)生同步變形,產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)閝,
長度改變?yōu)锳I,,且滿足 AZ^AI;;+AZ3 (8) 則件B2與件A3的應(yīng)變之比為
<formula>formula see original document page 10</formula>(9)又知
<formula>formula see original document page 10</formula>(10)
聯(lián)立(9)、 (10)可得AA=M&AL7
上式整理可得s2 =<formula>formula see original document page 10</formula>若件B 2與件A 3選用同種材料,則上式可化為s2 =
丄,
<formula>formula see original document page 10</formula>(14)
式(13)、 (14)即為傳感器的應(yīng)變傳感公式。若^#<1,則有s一A,
可實現(xiàn)應(yīng)變增敏,能提高測量靈tt和精度。
使用本發(fā)明的封裝結(jié)構(gòu)制作的光纖光柵溫度補(bǔ)償應(yīng)變傳感器其溫度補(bǔ)償 效果如圖2所示。驢補(bǔ)償前,光纖光柵的^g敏感性為ii.7,rc,、鵬補(bǔ)
償后,離敏感性降低至1.4,rC,僅為封裝前的12%,鵬補(bǔ)償效果良好。
使用本發(fā)明的封裝結(jié)構(gòu)帝,的光纖光柵應(yīng)變傳感器其應(yīng)變傳自性如圖3
所示。封裝前,光纖光柵的應(yīng)變敏感性為1.2^/^,封裝后其應(yīng)變敏感性為 1.7,//^,良好地實現(xiàn)了應(yīng)變增敏。 上述的鵬系數(shù)均指熱膨脹系數(shù)。
權(quán)利要求
1、一種基于熱應(yīng)力機(jī)制的光纖光柵溫度自補(bǔ)償應(yīng)變傳感器,其特征在于設(shè)有補(bǔ)償裝置,該補(bǔ)償裝置由件B(3)和件A(2)串連式連接而成,光纖光柵粘結(jié)在件A(2)中或其表面,光纖光柵處于串連軸線上或其平行線上;件B(3)和件A(2)的橫截面積、熱膨脹系數(shù)中至少有一項互不相同;當(dāng)該補(bǔ)償裝置兩端固定,且溫度變化時,在線彈性范圍內(nèi),件B(3)和件A(2)熱應(yīng)力相互作用導(dǎo)致件A(2)承受壓應(yīng)變或拉應(yīng)變導(dǎo)致光柵波長向短波或長波方向移動,實現(xiàn)對光柵波長溫度漂移的自動補(bǔ)償。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱應(yīng)力機(jī)帝啲光纖光柵驢自補(bǔ)償應(yīng)變傳感器,其特征在于戶;f述的光纖為單模光纖或多模光纖。
3、 根據(jù)權(quán)禾腰求l戶脫的具有鵬自補(bǔ)償功能的光纖光柵應(yīng)變傳感器,其 特征在于所述的件B(3)和件A(2)均為管狀,件B(3)的橫截面積大于件A(2)的 橫截面積,二管為一體化連接或分體式連接,光纖光柵固定在件A(2)的內(nèi)孔中, 光纖從二管的內(nèi)孔中通過。
4、 根據(jù)權(quán)禾腰彩戶脫的基于熱應(yīng)力機(jī)制的光纖光柵驢自補(bǔ)償應(yīng)變傳感 器,其特征在于所述的光纖光柵(4)和件A(2)的內(nèi)壁間為雙組分環(huán)氧樹脂膠 整體粘結(jié)固定結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l戶脫的基于熱應(yīng)力機(jī)制的光纖光柵離自補(bǔ)償應(yīng)變傳感 器,其特征在于所述的光纖光柵(4)為光纖布拉格光柵。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于熱應(yīng)力機(jī)制的光纖光柵離自補(bǔ)償應(yīng)變傳感 器,其特征在于所述的補(bǔ)償裝置的兩端固定在固定架上。
7、 根據(jù)權(quán)利要彩戶腿的基于熱應(yīng)力機(jī)制的光纖光柵鵬自補(bǔ)償應(yīng)變傳感 器,其特征在于所述的固定架是一個金屬外管(1)。
8、 根據(jù)權(quán)禾腰彩所述的基于熱應(yīng)力機(jī)制的光纖光柵鵬自補(bǔ)償應(yīng)變傳感 器,其特征在于所述的件B(3)和件A(2購由具有正溫度系數(shù)的金屬材料構(gòu)成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5、 6、 7或8所述的基于熱應(yīng)力機(jī)制的光纖 光柵溫度自補(bǔ)償應(yīng)變傳感器,其特征在于所述的件A(2)和件B(3)滿足下列公 式<formula>formula see original document page 2</formula>其中,《為所使用的光柵的驢敏感系數(shù),《2為光柵的應(yīng)變敏感系數(shù),當(dāng)件A(2)和件B(3)為相同材料時,件A(2)和件B(3)的熱膨脹系數(shù)為""件A(2)和件B(3)的長度、橫截面積分別為^、 £3、 S2、 S3。當(dāng)件A(2)和件B(:3)為不同材料時,件A(2)和件B(3)的熱膨脹系數(shù)分別 為^2、 &3,彈性模量分別為^、 £2,則上式改寫為
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于熱應(yīng)力機(jī)制的光纖光柵溫度自補(bǔ)償應(yīng)變傳感器,涉及溫度傳感器技術(shù)領(lǐng)域。其補(bǔ)償裝置由件B和件A串連式連接而成,光纖光柵粘結(jié)在件A中或其表面,光纖光柵處于串連軸線上或其平行線上;件B和件A的橫截面積、熱膨脹系數(shù)中至少有一項互不相同;當(dāng)該補(bǔ)償裝置兩端固定,且溫度變化時,在線彈性范圍內(nèi),件B和件A熱應(yīng)力相互作用導(dǎo)致件A承受壓應(yīng)變或拉應(yīng)變,從而引起光柵波長向短波或長波方向移動,實現(xiàn)對光柵波長溫度漂移的自動補(bǔ)償。本發(fā)明的積極效果是當(dāng)環(huán)境溫度升高或降低時,可實現(xiàn)對光柵波長溫度漂移的自動補(bǔ)償;不僅易做到補(bǔ)償精確,工作穩(wěn)定性好,而且具有成本低廉、易于加工、體小質(zhì)輕、封裝工藝簡便、使用方便、壽命長等優(yōu)點。
文檔編號G01B11/16GK101387500SQ200810079638
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者劉晨曦, 孫寶臣, 李劍芝, 杜彥良 申請人:石家莊鐵道學(xué)院