專利名稱：基于光纖布拉格光柵的角度應力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感領域，特別是用于角度和應力同時測量的醫學和工程方面的應用。
背景技術：
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，在傳感領域得到廣泛的應用。與傳統的電傳感器相比，光纖光柵傳感器具有結構簡單、體積小、重量輕、抗腐蝕、抗電磁干擾的特點，適合在惡劣環境中工作等優點，近年來光纖光柵傳感器在土木工程、生物醫療等領域得到了廣泛的應用。光纖布拉格光柵具有窄帶濾波的光學特性，其結構特點是在光纖纖芯縱向方向形成正弦分布的折射率調制。光纖布拉格光柵可以直接用于溫度和應力的直接測量，通過不同的封裝方式可以進一步測量壓力、扭轉、振動、加速度、彎曲等物理量。余有龍等人采用懸臂梁結構的光纖光柵傳感器對應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構來消除環境溫度變化對應力測量的影響。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，可以把外界壓力轉化為縱向應變，進而結合彈性材料實現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，則很可能達不到預期的測量目的。因此有必要在測量應力的同時給出方位角信息，不過關于角度和應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，由于雙折射效應會存在兩個光柵，當外界不同角度的應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力時，在90度范圍內成單調特性，因此該角度應力傳感器難以實現對應力方向的全角度(360度)的定位。
發明內容
本發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力傳感器，具有應力大小和角度同時測量的能力，能夠實現全角度(360度)測量，且結構簡單。為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下:本發明提供一種基于光纖布拉格光柵的角度應力傳感器，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部分和非柵區部分；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部分位于傳感頭內部，用于起感受外界應力的作用；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。本發明的優點在于，通過四個光纖布拉格光柵組網來實現應力大小和角度的同時測量，結構簡單，無復雜結構，且成本低廉。
為進一步說明本發明的具體技術內容，以下結合實例和附圖對本發明作一詳細的描述，其中:圖1是本發明提供的一種基于光纖布拉格光柵的角度應力傳感器的示意圖。圖2是本發明提供的一種基于光纖布拉格光柵的角度應力傳感器的剖視圖。
具體實施例方式請參考圖1及圖2所示，本發明提供一種基于光纖布拉格光柵的角度應力傳感器，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部分11和非柵區部分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的柵區部分位于傳感頭2內部，用于起感受外界應力的作用。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的柵區部分11位于傳感頭2的內部，非柵區部分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。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，當外界應力作用于傳感頭時，傳感頭發生彈性形變，進而引起內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個區間1、I1、III和IV。當外界應力沿法線方向作用到傳感頭上時，根據應力方向的不同，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間，以I區間為例。當沿著I區間法向方向作用于傳感頭時，FBGl和FBG2的波長變化幅度要大于FBG3和FBG4，因此可以定位在區間I，而應力的大小可以根據FBGl和FBG2波長變化量的平均值近似計算得到，關于應力的角度可以根據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個區間不同法向應力的大小和角度。情況2:法向力作用到XZ平面或者YZ平面，以XZ平面為例。當沿ZX平面的法向方向作用于傳感頭時，FBGl或FBG3的波長變化最大，FBG2和FBG4的波長變化量相同，根據最大波長變化的光柵可以確定是應力來自于X軸的正方向還是反方向，根據最大波長變化量來計算應力的大小。如此類推，我們可以得到其他YZ平面內法向應力的大小和方向。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，且應力大小可有波長變化量計算得到。由此，我們可以根據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)的應力方向和大小。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于光纖布拉格光柵的角度應力傳感器，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部分和非柵區部分； 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部分位于傳感頭內部，用于起感受外界應力的作用； 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.根據權利要求1所述的基于光纖布拉格光柵的角度應力傳感器，其中光纖布拉格光柵陣列的數量為四個。
3.根據權利要求1所述的基于光纖布拉格光柵的角度應力傳感器，其中該傳感頭為彈性橡膠。
4.根據權利要求1所述的基于光纖布拉格光柵的角度應力傳感器，其中保護管為毛細玻璃管或毛細鋼管。
5.根據權利要求1所述的基于光纖布拉格光柵的角度應力傳感器，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部分和非柵區部分；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部分位于傳感頭內部，用于起感受外界應力的作用；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。本發明具有應力大小和角度同時測量的能力，能夠實現全角度(360度)測量，且結構簡單。
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 優先權日2013年2月4日
發明者徐團偉, 李芳 申請人:中國科學院半導體研究所
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