一種基于光纖琺珀傳感器的溫度補償系統及方法與流程

本發明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及一種基于光纖琺珀傳感器的溫度補償系統及方法的設計。

背景技術：

傳感器廣泛應用于工農業生產實踐中，其中光纖琺珀傳感器因其具有的結構緊湊，價格便宜，不受電磁干擾等諸多突出的優點得到廣泛的應用。然而，傳感器通常都有一定的溫度系數，即傳感器的信號輸出在一定程度上會隨溫度變化而變化，這種現象稱之為“溫漂”。為了減小溫漂，需要采用一些補償措施從而在一定程度上抵消傳感器的漂移或者減小傳感器輸出信號的漂移量，這就是溫度補償。

應力改變和溫度變化是引起光纖琺珀傳感器產生信號輸出的兩個關鍵因素。然而，在變量測量過程中，應力施加引起的信號變化與溫度變化導致的信號變化很難得到區分，這就導致在實際應力測量過程中光纖琺珀傳感器存在由于溫度變化帶來的交叉敏感問題。如果不對光纖琺珀傳感器進行溫度補償，在工作環境溫度變化較大的情況下測量物體受到的實際應變，勢必會存在很大的測量誤差。因此必須采取措施以減少或消除這種由溫度變化帶來的影響，即必須進行溫度補償。

在光纖琺珀傳感器安裝設計時如何有效的剔除溫度的影響將直接關系著最終測試結果數據的準確性。目前很多研究單位仍采用外部區域補償方式，即光纖琺珀傳感器安裝位置附近同時安裝一個用于測量溫度的光纖光柵溫度傳感器。由于石英材料導熱性能差，導致光纖光柵對環境溫度的測量速率慢于環境溫度或傳感器所安裝的基底溫度的變化速率，故這種方式測量實際應力的誤差較大，對于精度要求較高的場合通常無法滿足。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決現有技術中溫度變化環境下熱應變對實際應力測量帶來的交叉影響的問題，提出了一種基于光纖琺珀傳感器的溫度補償系統及方法。

本發明的技術方案為：一種基于光纖琺珀傳感器的溫度補償系統，包括寬帶光源、隔離器、耦合器、測量裝置、解調設備以及數據處理裝置；寬帶光源、隔離器、耦合器、測量裝置順次通信連接，解調設備分別與耦合器、數據處理裝置通信連接。

優選地，測量裝置包括基片、第一單模光纖、第二單模光纖、第一光纖琺珀傳感器以及第二光纖琺珀傳感器；基片包括一端自由，另一端固定的參考臂和兩端均被固定的測量臂；第一光纖琺珀傳感器固定于參考臂上，并與第一單模光纖連接，第二光纖琺珀傳感器固定于測量臂上，并與第二單模光纖連接；第一單模光纖和第二單模光纖分別與耦合器連接，用于傳導傳感信號。

優選地，基片由待測量材料通過線切割的機械加工方法制成。

優選地，第一光纖琺珀傳感器通過膠水粘接或焊料焊接的方式固定于參考臂上。

優選地，第二光纖琺珀傳感器通過膠水粘接或焊料焊接的方式固定于測量臂上。

優選地，第一單模光纖與第二單模光纖采用石英材質。

本發明還提出了一種基于光纖琺珀傳感器的溫度補償方法，包括以下步驟：

S1、將測量裝置的基片通過激光焊接的方式安裝到待測量材料表面；

S2、由寬帶光源發出的光束經隔離器與耦合器后，分別傳輸到第一光纖琺珀傳感器與第二光纖琺珀傳感器；

S3、光束分別在兩個光纖琺珀傳感器的腔體中發生干涉現象，形成干涉譜；

S4、兩個光纖琺珀傳感器反射回來的干涉譜信號經耦合器到達解調設備進行解調；

S5、解調后的干涉譜信號經過數據處理裝置進一步的分析處理，得到基片受到應力作用下的信號，進而計算出實際被測量結構內部因載荷產生的應變，即計算出了被測量材料所受到的實際應變。

本發明的有益效果是：本發明簡單有效，溫度較準效果好，易于實現，并且便于批量生產與安裝。同時本發明提供的測量裝置可以匹配被測量材料在溫度變化環境中實現光纖琺珀傳感器的溫度補償。

附圖說明

圖1為本發明提供的一種基于光纖琺珀傳感器的溫度補償系統框圖。

圖2為本發明測量裝置結構示意圖。

附圖標記說明：1—基片、2—第一單模光纖、3—第二單模光纖、4—第一光纖琺珀傳感器、5—第二光纖琺珀傳感器；11—參考臂、12—測量臂。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施例作進一步的說明。

本發明提供了一種基于光纖琺珀傳感器的溫度補償系統，如圖1所示，包括寬帶光源、隔離器、耦合器、測量裝置、解調設備以及數據處理裝置，寬帶光源、隔離器、耦合器、測量裝置順次通信連接，解調設備分別與耦合器、數據處理裝置通信連接。

其中，如圖2所示，測量裝置包括基片1、第一單模光纖2、第二單模光纖3、第一光纖琺珀傳感器4以及第二光纖琺珀傳感器5。基片1包括一端自由，另一端固定的參考臂11和兩端均被固定的測量臂12。第一光纖琺珀傳感器4固定于參考臂11上，并與第一單模光纖2連接，第二光纖琺珀傳感器5固定于測量臂12上，并與第二單模光纖3連接。第一單模光纖2和第二單模光纖3分別與耦合器連接，用于傳導傳感信號。

基片1由待測量材料通過線切割及其他機械加工方法制成。

第一光纖琺珀傳感器4通過膠水粘接或焊料焊接等方式固定于參考臂11上，第二光纖琺珀傳感器5通過膠水粘接或焊料焊接等方式固定于測量臂12上。兩個光纖琺珀傳感器盡可能地具有相近的靈敏度。

第一單模光纖2與第二單模光纖3為相同的單模光纖，均采用石英材質，保證了兩個光纖琺珀傳感器本身對溫度不敏感。

本發明之所以能夠有效的剔除溫度的影響，實現傳感器對實際應力的測量，正是因為兩個光纖琺珀傳感器處于相同的溫度環境中。當溫度升高時，基片1材料受熱膨脹，兩個光纖琺珀傳感器同時被拉伸；當溫度降低時，基片1材料受冷收縮，兩個光纖琺珀傳感器同時被壓縮。對兩個光纖琺珀傳感器只在溫度變化產生的熱應力作用下輸出的信號做處理，建立對應的關系。在基片1同時受到熱應力和外界施加應力共同作用情況下，就可以以參考臂11輸出的信號為基準消除測量臂12中傳感器應力測量過程中因為溫度變化帶來的交叉影響，進而實現傳感器對實際應變的測量。

本發明還提供了一種基于光纖琺珀傳感器的溫度補償方法，包括以下步驟：

S1、將測量裝置的基片1通過激光焊接的方式安裝到待測量材料表面。

S2、由寬帶光源發出的光束經隔離器與耦合器后，分別傳輸到第一光纖琺珀傳感器4與第二光纖琺珀傳感器5。

參考臂11上安裝的第一光纖琺珀傳感器4由于不受應力作用，干涉譜中只攜帶由環境溫度變化帶來的熱應變信號。而測量臂12上安裝的第二光纖琺珀傳感器5則同時受到溫度變化帶來的熱應變以及外界施加的應力作用，干涉譜中攜帶由于熱應變和施加應力的同時作用而引起的琺珀腔腔體長度發生變化這一信號。

S3、光束分別在兩個光纖琺珀傳感器的腔體中發生干涉現象，形成干涉譜。

S4、兩個光纖琺珀傳感器反射回來的干涉譜信號經耦合器到達解調設備進行解調。

本發明實施例中，解調設備可由光譜儀替代。

S5、解調后的干涉譜信號經過數據處理裝置進一步的分析處理，得到基片1受到應力作用下的信號，進而計算出實際被測量結構內部因載荷產生的應變，即計算出了被測量材料所受到的實際應變。

本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護范圍內。