一種材料表面應(yīng)變光纖光柵反向差動檢測傳感器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及光纖光柵傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種材料表面應(yīng)變光纖光柵反向差動檢測傳感器件。所述光纖光柵傳感器件包括兩根光纖Bragg光柵、應(yīng)變傳導(dǎo)臂、應(yīng)變延伸臂、螺柱焊腳、上直角反向臂、下直角反向臂和底座。其中應(yīng)變傳導(dǎo)臂、應(yīng)變延伸臂、螺柱焊腳、上直角反向臂、下直角反向臂和底座為一體化連接，而光纖光柵為普通的光纖Bragg光柵，兩根光柵性能一致，通過粘接一根固定在兩個應(yīng)變延伸臂頂端的凹槽上，一根固定在兩個直角反向臂的凹槽上，固定時需要施加適當(dāng)預(yù)拉。本發(fā)明所述的一種材料表面應(yīng)變光纖光柵反向差動檢測傳感器件，利用反向差動放大原理，可以實現(xiàn)對光纖光柵應(yīng)變傳感器的增敏同時也具有溫度補償功能。
【專利說明】
一種材料表面應(yīng)變光纖光柵反向差動檢測傳感器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光纖光柵傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種材料表面應(yīng)變光纖光柵反向差動檢測傳感器件。
【背景技術(shù)】
[0002] 電阻應(yīng)變片測量方法是測量應(yīng)變的一種基本傳統(tǒng)手段。然而，電阻應(yīng)變片因易受環(huán)境(如電磁場、溫度、濕度、化學(xué)腐蝕等)影響、精度低和壽命短等原因，其應(yīng)用受到一定程度的限制。而光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器具有響應(yīng)速度快、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、使用靈活、 成本低、不受電磁干擾和抗腐蝕等優(yōu)點，這使它可以對應(yīng)變進行更好的檢測。
[0003] 光纖布拉格(Bragg)光柵是利用光纖纖芯材料的光敏性在紫外線下形成的折射率呈周期性變化的一段光纖，隨著光纖光柵制造技術(shù)的成熟以及光纖應(yīng)用研究的深入，光纖Bragg光柵在應(yīng)變傳感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，使得光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器成為目前應(yīng)用最具有潛力的應(yīng)變測量傳感器之一。
[0004] 本專利利用光纖Bragg光柵傳感器對材料表面應(yīng)變進行檢測，采用兩根光纖 Bragg光柵，利用反向差動放大原理，即一根光柵受拉力(正向應(yīng)力)，一根光柵受壓力(反向應(yīng)力)，使兩根光柵輸出的兩個Bragg中心波長向左右兩個不同方向漂移，這兩個輸出的 Bragg中心波長之差為單個光柵Bragg中心波長漂移量的兩倍，產(chǎn)生反向差動信號輸出效果，同時具有溫度補償功能。器件的靈敏度為兩根光纖Bragg光柵的靈敏度之和，其中一根光纖Bragg光柵的靈敏度可通過改變左右兩個應(yīng)變延伸臂頂端的兩個凹槽之間的距離來調(diào)節(jié)，另一根光纖Bragg光柵的靈敏度可通過改變兩個直角反向臂上的兩個凹槽之間的距離來調(diào)節(jié)，兩者都是距離越短靈敏度越高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出一種材料表面應(yīng)變光纖光柵反向差動檢測傳感器件，利用反向差動放大原理，可以實現(xiàn)光纖光柵應(yīng)變傳感器的增敏同時具有溫度補償功能。
[0006] 本發(fā)明提供一種材料表面應(yīng)變光纖光柵反向差動檢測傳感器件，所述光纖光柵傳感器件包括兩根光纖Bragg光柵、應(yīng)變傳導(dǎo)臂、應(yīng)變延伸臂、螺柱焊腳、上直角反向臂、下直角反向臂和底座。
[0007] 為達到上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0008] 所述的應(yīng)變傳導(dǎo)臂、應(yīng)變延伸臂、螺柱焊腳、上直角反向臂、下直角反向臂和底座為一體化連接。
[0009] 所述的螺柱焊腳是基于螺柱焊的技術(shù)要求制作，兩螺柱焊腳的位置與兩直角反向臂上的光柵在一條直線上，可用螺柱焊機將其焊接在被測物體表面。
[0010] 所述的光纖Bragg光柵為普通的光纖Bragg光柵，兩根光纖Bragg光柵性能應(yīng)一致，光纖Bragg光柵通過粘接一根固定在兩個應(yīng)變延伸臂頂端的凹槽上，一根固定在兩個直角反向臂的凹槽上，且固定時需要施加適當(dāng)預(yù)拉，以保證傳感器具有雙向應(yīng)變傳感能力。
[0011] 所述的左右兩個應(yīng)變延伸臂頂端的兩個凹槽之間的距離與兩直角反向臂上的兩個凹槽之間的距離相等。
[0012] 所述的一種材料表面應(yīng)變光纖光柵反向差動檢測傳感器件，當(dāng)所測的物體表面發(fā)生應(yīng)變時，螺柱焊腳會將該應(yīng)變傳遞到器件中，會使其中一根光柵受到拉應(yīng)力，一根受到壓應(yīng)力，使返回的兩個Bragg中心波長向左右兩個不同方向漂移，產(chǎn)生反向差動輸出效果，實現(xiàn)應(yīng)變增敏，同時也具有溫度補償功能。
[0013] 所述的器件靈敏度為兩根光纖Bragg光柵的靈敏度之和，其中一根光纖Bragg光柵的靈敏度可通過改變左右兩個應(yīng)變延伸臂頂端的兩個凹槽之間的距離來調(diào)節(jié)，另一根光纖Bragg光柵的靈敏度可通過改變兩個直角反向臂上的兩個凹槽之間的距離來調(diào)節(jié)，兩者都是距離越短靈敏度越高。
[0014] 本發(fā)明所述的一種材料表面應(yīng)變光纖光柵反向差動檢測傳感器件，利用反向差動放大原理，可以實現(xiàn)對光纖光柵應(yīng)變傳感器的增敏同時具有溫度補償功能。
【附圖說明】
[0015] 圖1為所述的一種材料表面應(yīng)變光纖光柵反向差動檢測傳感器件示意圖
[0016] 圖2為安裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器相對于材料表面的具體位置示意圖
【具體實施方式】
[0017] 本發(fā)明所述的一種材料表面應(yīng)變光纖光柵反向差動檢測傳感器件，包括光纖 Bragg光柵(1)、光纖Bragg光柵(2)、應(yīng)變傳導(dǎo)臂(3)、應(yīng)變延伸臂(4)、螺柱焊腳(5)、上直角反向臂(6)、下直角反向臂(7)和底座(8)。
[0018] 所述的應(yīng)變傳導(dǎo)臂(3)、應(yīng)變延伸臂(4)、螺柱焊腳(5)、上直角反向臂(6)、下直角反向臂(7)和底座(8)為一體化的金屬結(jié)構(gòu)。
[0019] 所述的應(yīng)變傳導(dǎo)臂(3)、應(yīng)變延伸臂(4)、螺柱焊腳(5)、上直角反向臂(6)、下直角反向臂(7)和底座⑶的材料宜選用與被測物體相一致的材料，避免不同材料在外界溫度變化時由于熱膨脹系數(shù)差異所引起的熱應(yīng)力，以保證傳感器的檢測精度。
[0020] 所述的光纖Bragg光柵為普通的光纖Bragg光柵，光纖Bragg光柵(1)通過粘接固定在應(yīng)變延伸臂(4)頂端的凹槽上，其柵區(qū)部分，如圖1所示，位于兩個應(yīng)變延伸臂(4) 頂端的中間部位，而光纖Bragg光柵(2)通過粘接固定在上直角反向臂(6)與下直角反向臂(7)上的凹槽上，其柵區(qū)部分，如圖1所示，位于兩凹槽之間的中間部位，且兩根光柵在固定時都需要施加適當(dāng)預(yù)拉，以保證傳感器具有雙向應(yīng)變傳感能力。
[0021] 所述的左右兩個應(yīng)變延伸臂(4)頂端的兩個凹槽之間的距離與上直角反向臂(6) 和下直角反向臂(7)上的兩個凹槽之間的距離相等。
[0022] 所述的螺柱焊腳(5)是基于螺柱焊的技術(shù)要求制作，兩螺柱焊腳(5)的位置與上直角傳感臂(6)和下直角傳感臂(7)上的光纖Bragg光柵(2)在一條直線上，可用螺柱焊機將其焊接在被測物體表面。
[〇〇23] 所述的器件靈敏度為光纖Bragg光柵(1)和光纖Bragg光柵(2)的靈敏度之和， 其中光纖Bragg光柵(1)的靈敏度可通過改變左右兩個應(yīng)變延伸臂(4)頂端的兩個凹槽之間的距離來調(diào)節(jié)，光纖Bragg光柵(2)的靈敏度可通過改變上直角傳感臂(6)和下直角傳感臂(7)上的兩個凹槽之間的距離來調(diào)節(jié)，兩者都是距離越短靈敏度越高。
[0024] 根據(jù)理論力學(xué)理論，當(dāng)所測的物體表面發(fā)生應(yīng)變時，螺柱焊腳(5)會將該應(yīng)變傳遞到器件中，會使其中一根光柵受到拉應(yīng)力，一根受到壓應(yīng)力，使返回的兩個Bragg中心波長向左右兩個不同方向漂移，產(chǎn)生反向差動輸出的效果，通過檢測兩中心波長的差值達到測量應(yīng)變和增敏的效果，同時具有溫度補償功能。而光纖Bragg光柵(1)上受到的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力是經(jīng)過應(yīng)變傳導(dǎo)臂(3)和應(yīng)變延伸臂(4)兩個放大結(jié)構(gòu)放大過的應(yīng)力，光纖Bragg 光柵(2)上受到的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力也是經(jīng)過上直角反向臂(6)和下直角反向臂(7)結(jié)構(gòu)放大過的應(yīng)力，再利用反向差動效果，使傳感器靈敏度進一步提高。具體原理如下:
[0025] 當(dāng)光纖光柵同時受到溫度與應(yīng)變作用時，則有:
[0026] Δλ = αΕε+ατΔΤ
[0027] 其中Δ λ為Bragg中心波長變化值，α ￡為光纖光柵應(yīng)變系數(shù)，α τ為光纖光柵溫度系數(shù)，ε為光纖光柵上所受應(yīng)變，ΔΤ為溫度變化值。
[0028] 由于光纖Bragg光柵(1)與光纖Bragg光柵(2)性能一致，并處在相同溫度下， A T也相同，只是受到應(yīng)變時一個受拉一個受壓，所以一個為正應(yīng)變一個為負應(yīng)變，即光纖 Bragg光柵(1)所受應(yīng)變ε i與光纖Bragg光柵(2)所受應(yīng)變ε 2—正一負，所以光纖Bragg 光柵(1) Bragg中心波長變化值Δ λ丨與光纖Bragg光柵(2) Bragg中心波長變化值Δ λ 2 的差值為:
[0029] AAj— Δλ2= α ε2)
[0030] 由上式可以看出，消去了溫度的影響，具有了溫度補償功能，且￡1與ε 2—正一負，信號輸出差值翻倍，輸出信號被放大，進一步提高了傳感器靈敏度。
[0031] 光纖光柵傳感器的固定如圖2所示，對被測物體表面進行焊接前的表面預(yù)處理， 去除表面附著物，使之露出光潔表面，以便于焊接。在需要對橫向和縱向應(yīng)變同時檢測的場合，兩個傳感器件分別沿橫向和縱向安裝焊接，如圖2所示。
[0032] 將光纖光柵應(yīng)變傳感器件的兩端螺柱焊腳(5)使用螺柱焊方法焊接在被測物體表面，物體表面的應(yīng)變可以通過上述應(yīng)變傳感器件傳遞到兩根光纖光柵上，而光柵與解調(diào)儀相連接，通過對攜有被測物體應(yīng)變信息的反射波長信號進行分析，可以檢測出被測物體表面所發(fā)生應(yīng)變的大小。
【主權(quán)項】
1.一種材料表面應(yīng)變光纖光柵反向差動檢測傳感器件，其特征在于，所述光纖光柵傳 感器件包括兩根光纖Bragg光柵、應(yīng)變傳導(dǎo)臂、應(yīng)變延伸臂、螺柱焊腳、上直角反向臂、下直 角反向臂和底座，其中應(yīng)變傳導(dǎo)臂、應(yīng)變延伸臂、螺柱焊腳、上直角反向臂、下直角反向臂和 底座為一體化連接，而光纖光柵為普通的光纖Bragg光柵，兩根光柵性能一致，通過粘接一 根固定在兩個應(yīng)變延伸臂頂端的凹槽上，一根固定在兩個直角反向臂的凹槽上，且固定時 需要施加適當(dāng)預(yù)拉，以保證傳感器具有雙向應(yīng)變傳感能力。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種材料表面應(yīng)變光纖光柵反向差動檢測傳感器件，其特征 在于，所述的器件結(jié)構(gòu)運用反向差動原理具有應(yīng)變增敏效果，同時具有溫度補償功能。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種材料表面應(yīng)變光纖光柵反向差動檢測傳感器件，其特征 在于，所述的器件靈敏度為兩根光纖Bragg光柵的靈敏度之和，其中一根光纖Bragg光柵 的靈敏度可通過改變左右兩個應(yīng)變延伸臂頂端的兩個凹槽之間的距離來調(diào)節(jié)，另一根光纖 Bragg光柵的靈敏度可通過改變兩個直角反向臂上的兩個凹槽之間的距離來調(diào)節(jié)，兩者都 是距離越短靈敏度越高。
【文檔編號】G01B11/16GK105890533SQ201510029849
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年1月19日
【發(fā)明人】劉月明, 張亮, 陳浩, 鄒建宇, 夏忠誠, 高曉良
【申請人】中國計量學(xué)院