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專利名稱：基于光纖布拉格光柵的角度應(yīng)力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，特別是用于角度和應(yīng)力同時測量的醫(yī)學(xué)和工程方面的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
光纖光柵是一種新型的無源光子器件，可制成各種傳感器件，在傳感領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖光柵傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、抗腐蝕、抗電磁干擾的特點，適合在惡劣環(huán)境中工作等優(yōu)點，近年來光纖光柵傳感器在土木工程、生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。光纖布拉格光柵具有窄帶濾波的光學(xué)特性，其結(jié)構(gòu)特點是在光纖纖芯縱向方向形成正弦分布的折射率調(diào)制。光纖布拉格光柵可以直接用于溫度和應(yīng)力的直接測量，通過不同的封裝方式可以進一步測量壓力、扭轉(zhuǎn)、振動、加速度、彎曲等物理量。余有龍等人采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器對應(yīng)力的測量進行分析和改進。李豐麗等人采用雙光纖光柵和懸臂梁結(jié)構(gòu)來消除環(huán)境溫度變化對應(yīng)力測量的影響。傅海威等人利用金屬波紋管對光纖光柵進行封裝來測量壓力，波紋管具有縱向可以形變，橫向基本不形變的特性，可以把外界壓力轉(zhuǎn)化為縱向應(yīng)變，進而結(jié)合彈性材料實現(xiàn)對光纖光柵壓力傳感器的增敏。在上述傳感器中，對作用力的方向一般都有要求，當(dāng)外界作用力方位或者角度未知的情況下，則很可能達不到預(yù)期的測量目的。因此有必要在測量應(yīng)力的同時給出方位角信息，不過關(guān)于角度和應(yīng)力同時測量的傳感器報道相對較少。楊雙收等人(公布號:CN102322991A)提出的保偏長周期光纖光柵多角度應(yīng)力傳感器，在保偏光纖上制作長周期光纖光柵，由于雙折射效應(yīng)會存在兩個光柵，當(dāng)外界不同角度的應(yīng)力作用到保偏光纖光柵，兩光柵的波長變化量不同，通過計算可以得到應(yīng)力和角度的信息。但由于保偏光纖的橫向軸對稱性，采用單一保偏光纖光柵在測量橫向應(yīng)力時，在90度范圍內(nèi)成單調(diào)特性，因此該角度應(yīng)力傳感器難以實現(xiàn)對應(yīng)力方向的全角度(360度)的定位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于光纖布拉格光柵的角度應(yīng)力傳感器，具有應(yīng)力大小和角度同時測量的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)全角度(360度)測量，且結(jié)構(gòu)簡單。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:本發(fā)明提供一種基于光纖布拉格光柵的角度應(yīng)力傳感器，包括:—光纖布拉格光柵陣列，該布拉格光纖光柵陣列包括多個不同波長的光纖布拉格光柵組成，且成軸對稱分布，每個該布拉格光纖光柵包括柵區(qū)部分和非柵區(qū)部分；一傳感頭，該傳感頭為彈性體，成半圓球形狀，光纖布拉格光柵陣列的柵區(qū)部分位于傳感頭內(nèi)部，用于起感受外界應(yīng)力的作用；一保護管，該保護管為管狀形狀，用于固定光纖布拉格光柵陣列的非柵區(qū)部分，起固定和保護作用；
一支撐體，該支撐體為圓柱形狀，保護管位于支撐體內(nèi)部，該支撐體的一端與傳感頭連接，該支撐體用于提供整個傳感器的支撐。本發(fā)明的優(yōu)點在于，通過四個光纖布拉格光柵組網(wǎng)來實現(xiàn)應(yīng)力大小和角度的同時測量，結(jié)構(gòu)簡單，無復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且成本低廉。


為進一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實例和附圖對本發(fā)明作一詳細的描述，其中:圖1是本發(fā)明提供的一種基于光纖布拉格光柵的角度應(yīng)力傳感器的示意圖。圖2是本發(fā)明提供的一種基于光纖布拉格光柵的角度應(yīng)力傳感器的剖視圖。
具體實施例方式請參考圖1及圖2所示，本發(fā)明提供一種基于光纖布拉格光柵的角度應(yīng)力傳感器，包括:—光纖布拉格光柵陣列I，該布拉格光纖光柵陣列由四只不同波長的光纖布拉格光柵組成，且成軸對稱分布，每個該布拉格光纖光柵包括柵區(qū)部分11和非柵區(qū)部分12。一傳感頭2，該傳感頭2為彈性橡膠，成半圓球形狀，光纖布拉格光柵陣列I的柵區(qū)部分位于傳感頭2內(nèi)部，用于起感受外界應(yīng)力的作用。一保護管3，該保護管3為管狀形狀，該保護管3為毛細玻璃管或者毛細鋼管，用于固定光纖布拉格光柵陣列的非柵區(qū)部分，起固定和保護作用。一支撐體4，該支撐體4為圓柱形狀，可以為硬塑料或剛性材料，保護管3位于支撐體4內(nèi)部，該支撐體4用于提供整個傳感器的支撐。 在本實施例中，光纖布拉格光柵陣列I由4個波長分別為1550nm (FBGl)、1551nm(FBG2)U552nm(FBG3)和1553nm(FBG4)的光纖布拉格光柵組成，每個光柵柵區(qū)長度為2_，所使用的光纖類型為普通單模光纖。光纖光柵陣列成軸對稱正方形分布，光柵離中心的間距為0.5mm,具體排布如圖2所不。光纖布拉格光柵陣列I的柵區(qū)部分11位于傳感頭2的內(nèi)部，非柵區(qū)部分12固定在保護管3，保護管3按照同樣的軸對稱正方形分布在支撐體4內(nèi)。該傳感頭2為彈性橡膠,半球直徑為5mm,支撐體4為聚四氟乙烯，圓柱直徑為5mm。由于傳感頭為彈性橡膠，當(dāng)外界應(yīng)力作用于傳感頭時，傳感頭發(fā)生彈性形變，進而引起內(nèi)部光纖布拉格光柵陣列I的中心波長的漂移。4個不同波長的光纖光柵分別處在X軸和Y軸上，把平面分成4個區(qū)間1、I1、III和IV。當(dāng)外界應(yīng)力沿法線方向作用到傳感頭上時，根據(jù)應(yīng)力方向的不同，4個光纖布拉格光柵I的波長變化量不同。情況1:法向力作用到某個區(qū)間，以I區(qū)間為例。當(dāng)沿著I區(qū)間法向方向作用于傳感頭時，F(xiàn)BGl和FBG2的波長變化幅度要大于FBG3和FBG4，因此可以定位在區(qū)間I，而應(yīng)力的大小可以根據(jù)FBGl和FBG2波長變化量的平均值近似計算得到，關(guān)于應(yīng)力的角度可以根據(jù)波長變化量的比值計算得到。如此類推，我們可以得到其他3個區(qū)間不同法向應(yīng)力的大小和角度。情況2:法向力作用到XZ平面或者YZ平面，以XZ平面為例。當(dāng)沿ZX平面的法向方向作用于傳感頭時，F(xiàn)BGl或FBG3的波長變化最大，F(xiàn)BG2和FBG4的波長變化量相同，根據(jù)最大波長變化的光柵可以確定是應(yīng)力來自于X軸的正方向還是反方向，根據(jù)最大波長變化量來計算應(yīng)力的大小。如此類推，我們可以得到其他YZ平面內(nèi)法向應(yīng)力的大小和方向。情況3:法向力作用在Z軸。這時四個光柵的波長變化量相同，因此方向是唯一的，且應(yīng)力大小可有波長變化量計算得到。由此，我們可以根據(jù)4個光纖布拉格光柵的波長變化特性可以計算得到全角度(360度)的應(yīng)力方向和大小。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于光纖布拉格光柵的角度應(yīng)力傳感器，包括: 一光纖布拉格光柵陣列，該布拉格光纖光柵陣列包括多個不同波長的光纖布拉格光柵組成，且成軸對稱分布，每個該布拉格光纖光柵包括柵區(qū)部分和非柵區(qū)部分； 一傳感頭，該傳感頭為彈性體，成半圓球形狀，光纖布拉格光柵陣列的柵區(qū)部分位于傳感頭內(nèi)部，用于起感受外界應(yīng)力的作用； 一保護管，該保護管為管狀形狀，用于固定光纖布拉格光柵陣列的非柵區(qū)部分，起固定和保護作用； 一支撐體，該支撐體為圓柱形狀，保護管位于支撐體內(nèi)部，該支撐體的一端與傳感頭連接，該支撐體用于提供整個傳感器的支撐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖布拉格光柵的角度應(yīng)力傳感器，其中光纖布拉格光柵陣列的數(shù)量為四個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖布拉格光柵的角度應(yīng)力傳感器，其中該傳感頭為彈性橡膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖布拉格光柵的角度應(yīng)力傳感器，其中保護管為毛細玻璃管或毛細鋼管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖布拉格光柵的角度應(yīng)力傳感器，其中支撐體為硬塑料或剛性材料。
全文摘要
一種基于光纖布拉格光柵的角度應(yīng)力傳感器，包括一光纖布拉格光柵陣列，該布拉格光纖光柵陣列包括多個不同波長的光纖布拉格光柵組成，且成軸對稱分布，每個該布拉格光纖光柵包括柵區(qū)部分和非柵區(qū)部分；一傳感頭，該傳感頭為彈性體，成半圓球形狀，光纖布拉格光柵陣列的柵區(qū)部分位于傳感頭內(nèi)部，用于起感受外界應(yīng)力的作用；一保護管，該保護管為管狀形狀，用于固定光纖布拉格光柵陣列的非柵區(qū)部分，起固定和保護作用；一支撐體，該支撐體為圓柱形狀，保護管位于支撐體內(nèi)部，該支撐體的一端與傳感頭連接，該支撐體用于提供整個傳感器的支撐。本發(fā)明具有應(yīng)力大小和角度同時測量的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)全角度(360度)測量，且結(jié)構(gòu)簡單。
文檔編號G01D21/02GK103148894SQ201310044269
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者徐團偉, 李芳 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所