专利名称：一种对温度变化不敏感的双管式光纤Bragg光栅应变传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光电子测量器件技术领域，具体地说是一种对温度变化不敏感的 双管式光纤Bragg光栅应变传感器。
背景技术：
应变传感器是确定物体的形变或者作为应变函数的其他参数的一种传感器件。由 于独特的电绝缘性赋予光纤Bragg光栅的抗电磁干扰能力(EMI)和在易燃易爆场合的本征 安全性，近年来基于光纤Bragg光栅的应变测量方案发展迅速。由于光纤Bragg光栅对温 度敏感，因此检测应变时不可避免地会受到温度的干扰，必须进行温度补偿。 目前典型的与本实用新型最接近的光纤Bragg光栅应变传感器为基于铝管、铟钢 管的双金属应变传感器(参见文献吴传福，刘有信，"光纤光栅应变传感器温度补偿解决 方案"，《红外》，2006(4) ， VOL. 27， No. 4)。这种传感器由铟钢和铝的半圆形套管进行层叠封 装，最外层与最内层均为半圆形铟钢管，中间层是半圆形铝管，管端粘接固定，将施加了预 应力的光纤光栅粘接固定在内外层铟钢管的两端。由于这种传感器的外管使用脆性材料铟 钢，应变较大的情况下可能导致损坏，并且采用三层管的复杂封装结构，影响了应变传感灵 敏度，而且这种传感器在设计时仅考虑了非测量状态下的温度补偿，没有考虑被测对象的 热膨胀系数对光纤Bragg光栅的影响。

发明内容本实用新型的目的在于提供一种从结构上补偿温度变化对传感光栅应变测量的 干扰，保障光纤Bragg光栅在实际应变检测中的测量精度的对温度变化不敏感的双管式光 纤Bragg光栅应变传感器。 本实用新型的目的是这样实现的对温度变化不敏感的双管式光纤Bragg光栅应 变传感器，采用双层金属管封装，光纤Bragg光栅的两端粘贴于两个带孔内管之间，外壁带 螺纹的内管通过螺纹固定于内壁带螺纹的外管两端，外管由螺栓通过固定孔的方式固定在 被测结构体上。 外壁带螺纹的内管由热膨胀系数较大的材料制成，内管较厚；内壁带螺纹的外管 采用热膨胀系数较小的材料制成，外管较薄。 当温度升高时，外管沿轴向向外膨胀，带孔螺纹内管自由端沿轴向向内膨胀，利用 内、外管的热膨胀系数之间的差值，补偿因温度波动而引起的光纤Bragg光栅热膨胀和光 热效应所发生的Bragg波长移位，获得仅外加应力应变作用于光纤Bragg光栅的Bragg波 长移位。 本传感器的主要性能双管式封装光纤Bragg光栅应变传感器对温度变化不敏感 的技术属于机械补偿结构，依靠内、外管的相互作用使得光纤Bragg光栅不受温度变化的 影响。[0009] 光纤Bragg光栅的中心波长的移位与应变和温度变化的关系为
<formula>formula see original document page 4</formula>(1) 式中Pe为有效弹光系数，cif为光纤的热膨胀系数，l为光纤的热光系数。若引 入应变和温度敏感系数SE和ST，并将SE和ST代入式(1)，则
<formula>formula see original document page 4</formula>(2) 本实用新型是利用内、外管的热膨胀系数之间的差值，抵消光纤Bragg光栅由于 热膨胀和光热效应发生的形变，从而解决温度变化对光纤Bragg光栅峰值波长的影响。由 此可得
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(3) 式中a工为外管的热膨胀系数，a 2为内管的热膨胀系数，^为外管的长度，12为 内管一端自由端的长度，13为固定于内管中的光纤的长度。 由于封装于双金属管内的光纤Bragg光栅对温度变化不敏感，则式(3)中[Sg 2a2/)-Q^ +Sr]Ar = 0 因此光纤Bragg光栅的中心波长移位只与应变变化有关，得
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(4) 与现有的三层管封装的光纤Bragg光栅应变传感器相比，本实用新型的有益效果 是传感器采用双层管结构，当温度变化时，内外管的相互作用消除了温度变化对内管中光 纤光栅Bragg波长的偏移值的影响，保障了光纤Bragg光栅在温度较大的场合中也能正常 应用，且能保证应变测量的系统精度。并且在内外管的尺寸设计时将外管设计很薄，内管很 厚，通过同步旋动内管，对固定于内管中的光纤的松紧程度及温度补偿效果进行微调。由于 本应变传感器仅采用双管封装，内外管用螺纹连接，故结构简单。

图1为本实用新型的双管式光纤Bragg光栅应变传感器结构示意图。 图中各标号表示l-外壁带螺纹的内管，2-固定孔，3-内壁带螺纹的外管，4-光纤
Bragg光栅，5-带孔内管，6-光纤。
具体实施方式如图l所示，本实用新型的双管式光纤Bragg光栅应变传感器由外壁带螺纹的内 管1、固定孔2、内壁带螺纹的外管3、光纤Bragg光栅4及光纤6、带孔内管5组成；光纤Bragg光栅4的两端粘贴于两个带孔内管5之间，外壁带螺纹的内管l固定于内壁带螺纹的 外管3两端，螺栓通过固定孔2将外管3固定在被测结构体上。 外壁带螺纹的内管1由热膨胀系数较大的材料制成，内管较厚。内壁带螺纹的外 管3采用热膨胀系数较小的材料制成，外管较薄。当温度升高时，外管3沿轴向向外膨胀， 内管1自由端沿轴向向内膨胀，利用内、外管的热膨胀系数之间的差值，抵消光纤Bragg光 栅4由于热膨胀和光热效应发生的形变，从而补偿温度变化对光纤Bragg光栅的峰值波长 偏移值的影响。 以铜、不锈钢材料制成的双管封装为实施例 1.双管的尺寸如下外管材料选为45#钢，外径取10mm，内径取9mm，长度114mm ; 内管材料选为铜，外径取9mm，内径取4mm，两段长度分别为42mm。 2.按附图1配置实验。 3.用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长。 4.理论计算结果表明当光纤Bragg光栅的初始Bragg波长为1550nm时，SE = l-pe = 0.784ii e—、St二 af+《=7. 35 X 10—6°C —、该双管式光纤Bragg光栅应变传感系 统灵敏度为1. 2152pm/ii e 。
权利要求一种对温度变化不敏感的双管式光纤Bragg光栅应变传感器，其特征在于由外壁带螺纹的内管(1)、固定孔(2)、内壁带螺纹的外管(3)、光纤Bragg光栅(4)及光纤(6)、带孔内管(5)组成；光纤Bragg光栅(4)的两端粘贴于两个带孔内管(5)之间，外壁带螺纹的内管(1)固定于内壁带螺纹的外管(3)两端，螺栓通过固定孔(2)将外管(3)固定在被测结构体上。
2. 根据权利要求1所述的对温度变化不敏感的双管式光纤Bragg光栅应变传感器，其 特征在于外壁带螺纹的内管(1)由热膨胀系数较大的材料制成。
3. 根据权利要求1所述的对温度变化不敏感的双管式光纤Bragg光栅应变传感器，其 特征在于内壁带螺纹的外管(3)采用热膨胀系数较小的材料制成。
专利摘要本实用新型涉及一种对温度变化不敏感的双管式光纤Bragg光栅应变传感器。本传感器的关键结构是采用双金属管封装，内管通过螺纹固定于外管两端，光纤Bragg光栅通过粘接剂固定于内管中，光纤Bragg光栅与信号处理装置光连接。当环境温度发生变化时，外管沿轴向向外膨胀，内管自由端沿轴向向内膨胀，利用内、外管的热膨胀系数之间的差值，补偿光纤Bragg光栅因温度变化而导致的热膨胀和光热效应所引起的Bragg波长移位。本实用新型采用机械补偿的方式，只需一只光纤Bragg光栅就可实现对温度的补偿作用，保障了光纤Bragg光栅在实际应用中应变测量的精度。
文档编号G01B11/16GK201535667SQ20092011196
公开日2010年7月28日 申请日期2009年9月18日 优先权日2009年9月18日
发明者曹敏, 李川, 杨睛, 陈敏 申请人:昆明理工大学;云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院