專利名稱：輪輻式溫度補償型光纖光柵壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種新型輪輻式傳感器，并具有溫度補償功能，特別是能夠對壓力進行高精度感測的光纖光柵傳感器。
背景技術：
光纖光柵是一種新型的光子器件，它是在光纖中形成的一種空間周期性折射率分布，這種結構可以改變和控制光波在光纖中的傳播行為。光纖光柵傳感器是通過對光纖光柵的特殊封裝使其對待測參量敏感，并通過光纖光柵波長的變化來感測待測參量的大小及方向。將光纖光柵傳感器陣列化并與波分復用和時分復用系統相結合，埋入襯底材料和結構內部或貼裝在其表面，可對材料的特性(如溫度、應變、壓力、位移、速度、加速度等)實現多點監測。光纖光柵傳感器已被廣泛應用于建筑結構、航天航空、海洋探測及科學研究等諸多領域，屬于一種新穎的無損檢測技術。
本實用新型是一種新型的具有溫度補償功能的光纖光柵壓力傳感器。檢索結果表明，目前尚沒有采用輪輻式結構封裝光纖光柵的方式，來實現溫度補償的光纖光柵壓力傳感器的專利報導。
發明內容
本實用新型的目的旨在設計出一種新型的具有溫度補償功能的光纖光柵壓力傳感器，并可應用于各種荷載的壓力及相關力的精確測量。
感測原理是當荷載作用于嵌入內環頂部的受力柱表面傳遞到一個輪輻式彈性體上時，該輪輻受到剪應力的作用，使粘貼其上的光纖光柵周期發生變化，通過光探測器(多波長計或光譜儀)可得到傳感光柵及補償光柵的兩個反射峰。通過測量兩個反射峰的變化量的差值，即可實現溫度補償的高精度壓力感測。
其技術方案是首先設計具有抗剪切的對稱式輪輻機構；然后，將其中一個光纖光柵粘貼在輪輻側面中間與中性軸線成一定角度的方向上，作為壓力傳感光纖光柵(傳感光柵)；而另一個光纖光柵則粘貼在不受力作用的基座上，作為溫度補償光纖光柵(補償光柵)。
這種溫度補償式光纖光柵壓力傳感器，包括傳感部分和測量部分；傳感部分是一個圓桶形結構，桶的外環坐落在基座上，內環置于桶的中部，中央是受力柱，但兩者下面與基座皆不相連，內環的4個對稱式的輪輻連接在外環上；測量部分包括光纖耦合器、光源、光探測器；其特征在于傳感部分是一個具有抗剪切的對稱式輪輻的圓桶形結構，傳感光柵粘貼在輪輻側面中間與中性軸線成45°度角的方向上作為壓力傳感光柵，補償光柵粘貼在不受力作用的基座上作為溫度補償光柵；測量部分，光纖耦合器一側的兩根光纖，一根連接傳感光柵，另一根連接補償光柵；而光纖耦合器另外一側的兩根光纖，一根接光源，另一根連接光探測器。
對于輪輻式傳感結構，可以將每對輪輻視為一根兩端固定的彈性梁。以四個輪輻為例，每根輪輻上承受的剪應力為所承受荷載的1/4。對于矩形截面的輪輻，剪應力呈拋物線形分布，在中性面上剪應力最大，為平均剪應力的1.5倍。由材料力學平面應力狀態下的主應力公式可知與中性面成45°方向的正應力應等于最大剪應力τmax，其計算公式如下τmax=32×P4×1bh=3P16bh---(1)]]>由光纖光柵傳感原理可知，當內環頂部表面受到均勻的垂直荷載作用時，荷載產生的壓力通過輪輻的剪應變對粘貼其上的傳感光柵產生拉伸或壓縮效應，導致傳感光柵的周期發生變化。由光纖光柵傳感原理可知，通過測量傳感光柵及補償光柵中心波長的變化值，即可推測荷載引起的壓力的大小。其計算公式如下Δλ1＝KPτmax+KT1ΔT(對傳感光柵FBG1) (2)Δλ2＝KT2ΔT(對補償光柵FBG2) (3)而由荷載引起的光纖光柵中心波長漂移量則為波長差Δλ12＝Δλ1-Δλ2。于是，由(1)～(3)式得到波長差的大小為Δλ12＝η2P+ηTΔT(4)式中η2＝(3KPP)/(16bh)為該傳感器的壓力靈敏度系數，P為荷載，b為輪輻截面的寬度，h為截面的高度；ηT＝KT1-KT2為傳感器的溫度靈敏度系數，KT1和KT2分別為傳感光柵和補償光柵的溫度靈敏度系數。對于同一粘貼材料，調整光柵的粘貼位置及方位，可使ηT≈0。于是，(4)式變為Δλ12＝η2P (5)由(5)式可知，兩個光柵的波長差Δλ12與壓力P成正比例函數關系。于是，通過引入補償光柵，本實用新型可實現具有溫度補償功能的高精度壓力感測。
本實用新型的有益效果是，傳感基質為兩個光纖布喇格光柵，且具有溫度補償功能，結構簡潔，易于系統集成。基于光纖光柵本身的優點，這種傳感器具有測量精度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、適合在惡劣環境下工作等特點。
圖1是輪輻式溫度補償型光纖光柵壓力傳感器傳感部分結構圖。其中，(a)剖視圖；(b)俯視圖。
圖2是本實用新型的測量裝置圖。
圖3是本實用新型承受荷載的壓力典型測量值。
其中1.傳感光柵，2.補償光柵，3.受力柱，4.內環，5.外環，6.輪輻，7.基座，8.單模光纖，9.光纖耦合器，10.光源，11.光探測器。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一步說明圖1是輪輻式溫度補償型光纖光柵壓力傳感器傳感部分結構圖，(a)剖視圖；(b)俯視圖。
這種溫度補償式光纖光柵壓力傳感器，包括傳感部分和測量部分；傳感部分是一個圓桶形結構，桶的外環5坐落在基座7上，內環4置于桶的中部，中央是受力柱3，但兩者下面與基座皆不相連，內環的4個對稱式的輪輻6連接在外環上；測量部分包括光纖耦合器9、光源10、光探測器11；其特征在于傳感部分是一個具有抗剪切的對稱式輪輻的圓桶形結構，傳感光柵1粘貼在輪輻側面中間與中性軸線成45°度角的方向上作為壓力傳感光柵，補償光柵2粘貼在不受力作用的基座上作為溫度補償光柵；測量部分，光纖耦合器一側的兩根光纖，一根連接傳感光柵，另一根連接補償光柵；而光纖耦合器另外一側的兩根光纖，一根接光源，另一根連接光探測器。
對稱式輪輻機構，可為四個輪輻或八個輪輻的對稱機構，輪輻橫截面為矩形，而外形可為矩形、梯形及弧形。
光纖光柵為光纖布喇格光柵。
光纖為單模光纖。
光纖耦合器是2×2或1×2光纖耦合器，或是三端口或四端口的光環行器。
光源是寬帶光源或可調諧光纖激光器。
光探測器是多波長計或光纖光譜儀。
四個輪輻選用高彈性耐腐蝕鋼材(40CrMoA)。
光纖布喇格光柵是選用石英單模光纖、采用紫外曝光技術和相位掩膜法寫制而成。粘貼在輪輻側面中間與中性軸線成45°度方向上的光纖光柵作為壓力傳感光柵，而粘貼在不受壓力作用的基座上的光纖光柵則作為溫度補償光柵。
光纖為石英單模光纖；光纖耦合器是2×2或1×2光纖耦合器；光環行器是三端口或四端口光環行器。
實施例在圖2中，受力柱的直徑為35mm，內環直徑為37mm，它們的高度為32mm。外環內直徑為70mm，外環外直徑為100mm，高度為35mm。輪輻材料為高彈性的耐腐蝕鋼材，其高為15mm，厚為2mm。嵌入內環中的受力柱頂端為弧狀，高于內環5mm；內環底端距外環底端3mm，基座厚度為5mm。傳感光柵和補償光柵的長度分別為12mm和11mm，它們的布喇格自由波長分別為155236nm和1554.63nm，峰值反射率分別為96％和95％，帶寬分別為0.22nm和0.25nm。
在-20℃～75℃之間，對該傳感器施加荷載的壓力傳感測量，在扣除溫度影響后測得的壓力靈敏度值為0.091nm/KN，如圖3所示。在上述溫度范圍內，用測量精度為0.02nm的多波長計進行對比測量，通過引入補償光柵對雙光柵波長差的測量表明在上述溫度范圍內，溫度變化對壓力的測量結果無影響，因此該傳感器具有溫度補償的功能。
在實際應用中，通過光電轉換器將光信號轉換為電信號，再用計算機進行數據處理，則對壓力感測的靈敏度之提高大有益處。
權利要求1.一種輪輻式溫度補償型光纖光柵壓力傳感器，包括傳感部分和測量部分；傳感部分是一個圓桶形結構，桶的外環(5)坐落在基座(7)上，內環(4)置于桶的中部，中央是受力柱(3)，但兩者下面與基座皆不相連，內環的4個對稱式的輪輻(6)連接在外環上；測量部分包括光纖耦合器(9)、光源(10)、光探測器(11)；其特征在于傳感部分是一個具有抗剪切的對稱式輪輻的圓桶形結構，傳感光柵(1)粘貼在輪輻側面中間與中性軸線成45°度角的方向上作為壓力傳感光柵，補償光柵(2)粘貼在不受力作用的基座上作為溫度補償光柵；測量部分，光纖耦合器一側的兩根光纖，一根連接傳感光柵，另一根連接補償光柵；而光纖耦合器另外一側的兩根光纖，一根接光源，另一根連接光探測器。
2.根據權利要求1所述的輪輻式溫度補償型光纖光柵壓力傳感器，其特征在于對稱式輪輻機構，可為四個輪輻或八個輪輻的對稱機構，輪輻橫截面為矩形，而外形可為矩形、梯形及弧形。
3.根據權利要求1所述的輪輻式溫度補償型光纖光柵壓力傳感器，其特征在于光纖光柵為光纖布喇格光柵。
4.根據權利要求1所述的輪輻式溫度補償型光纖光柵壓力傳感器，其特征在于光纖為單模光纖。
5.根據權利要求1所述的輪輻式溫度補償型光纖光柵壓力傳感器，其特征在于光纖耦合器是2×2或1×2光纖耦合器，或是三端口或四端口的光環行器。
6.根據權利要求1所述的輪輻式溫度補償型光纖光柵壓力傳感器，其特征在于光源是寬帶光源或可調諧光纖激光器。
7.根據權利要求1所述的輪輻式溫度補償型光纖光柵壓力傳感器，其特征在于光探測器是多波長計或光纖光譜儀。
專利摘要本實用新型涉及一種新型輪輻式溫度補償型光纖光柵壓力傳感器，并具有溫度補償功能，特別是能夠對壓力進行高精度感測的光纖光柵傳感器。本實用新型設計具有抗剪切的對稱式輪輻機構，壓力傳感光柵粘貼在輪輻側面中間與中性軸線成一定角度的方向上，溫度補償光柵粘貼在不受壓力作用的基座上。當荷載作用于嵌入內環頂部的受力柱表面傳遞到一個輪輻式彈性體上時，該輪輻受到剪應力的作用，使粘貼其上的光纖光柵周期發生變化，通過光探測器可得到傳感光柵及補償光柵的兩個反射峰。通過測量兩個反射峰的變化量的差值，即可實現溫度補償的高精度壓力感測。該傳感器可用于荷載的高精度壓力測量。并且，通過優化設計傳感機構，亦可對液體和氣體進行高精度壓力感測。
文檔編號G01L1/24GK2727720SQ20042002899
公開日2005年9月21日 申請日期2004年5月19日 優先權日2004年5月19日
發明者張偉剛, 開桂云, 李紅民, 涂勤昌, 劉波, 曹曄, 羅建花, 董孝義, 袁樹忠 申請人:南開大學