專利名稱：低溫液氦環(huán)境中fbg應(yīng)變傳感器應(yīng)變－波長定標(biāo)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在低溫液氦環(huán)境下對FBG應(yīng)變傳感器進(jìn)行定標(biāo)用的裝置。
背景技術(shù)：
光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating)應(yīng)變傳感器具有可靠性好、抗電磁干擾、電絕緣、抗腐蝕、體積小、重量輕、靈活方便、能在復(fù)雜環(huán)境下工作的特點(diǎn)外，還有一些明顯優(yōu)于其他光纖傳感器的地方，其中最重要的是具有對波長敏感而對光強(qiáng)不敏感的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，這種波長編碼是其他類型傳感器所無法相比的特性。
但傳統(tǒng)的FBG應(yīng)變傳感器使用范圍在室溫附近。對于低溫例如液氦環(huán)境，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器的性能是否發(fā)生較大變化，是否會影響其可用性，目前尚處于未知狀態(tài)。為開展FBG應(yīng)變傳感器在低溫液氦環(huán)境下的特性研究，需要測出低溫液氦環(huán)境下該傳感器的應(yīng)變靈敏系數(shù)，為此需對低溫液氦環(huán)境下的FBG應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定，也就是應(yīng)變-波長標(biāo)定。
FBG應(yīng)變傳感器的標(biāo)定需要高精度的力學(xué)裝置，而在低溫液氦環(huán)境下，還需要考慮相應(yīng)的低溫環(huán)境的要求。
一般情況下，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器標(biāo)定的目標(biāo)是根據(jù)下面的公式來求取某個溫度下FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳感系數(shù)。
ΔλBλB=Keϵp---(1)]]>其中，ΔλB是該溫度下Bragg中心波長的偏移量，λB是該溫度且光柵未受力情況下Bragg中心波長的值，Ke是FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏系數(shù)，εp是FBG應(yīng)變傳感器感受到的應(yīng)變。從公式(1)可知，要求應(yīng)變靈敏系數(shù)Ke，定標(biāo)實(shí)驗(yàn)須包含兩個較為關(guān)鍵的部分一是通過力學(xué)裝置為FBG應(yīng)變傳感器施加大小可控的應(yīng)變εp。
另一個則是FBG波長量的測量，包括ΔλB和λB。這兩個量普遍采用精度較高的FBG波長解調(diào)儀進(jìn)行解調(diào)和測量。
所以，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器的定標(biāo)質(zhì)量的高低就在于如何為FBG應(yīng)變傳感器施加大小可控的應(yīng)變。常溫附近，普通的力學(xué)裝置可以滿足此要求。例如最常見的懸臂梁裝置。通過合理選擇光柵粘貼位置，施加重量合適的砝碼，可以準(zhǔn)確得計算出FBG應(yīng)變傳感器感受到的應(yīng)變。而在低溫環(huán)境下，例如液氦溫度(4.2K)，若同時考慮到密封和高精度的問題，普通力學(xué)裝置將難以發(fā)揮其作用。以懸臂梁裝置為例，日常使用的懸臂梁裝置的底座和支柱大多為鑄鐵材料，并且尺寸較為龐大，這樣可增加重量以保證實(shí)驗(yàn)過程中整個裝置的穩(wěn)定。而在低溫液氦環(huán)境中，由于懸臂梁裝置是放置于低溫液氦杜瓦內(nèi)部的，其尺寸受到杜瓦的限制。而且若懸臂梁裝置的底座和支柱仍然使用鑄鐵，則在冷卻過程中將會消耗大量的冷卻介質(zhì)。
另外，在低溫液氦環(huán)境下要完成實(shí)驗(yàn)，為保證Ke的準(zhǔn)確，需要多次測量，這可通過為懸臂梁施加不同重量的砝碼來完成。若該裝置處于低溫液氦杜瓦中，由于杜瓦內(nèi)部為密閉真空狀態(tài)，為懸臂梁施加不同的砝碼將變得尤其麻煩。即使可以打開杜瓦取出懸臂梁為其施加不同重量的砝碼，再抽真空并灌液氦來完成一個固定應(yīng)變值對應(yīng)的波長測量，這樣也不僅會浪費(fèi)大量的液氦，并將導(dǎo)致裝置的可重用性變得極差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有裝置不能滿足低溫液氦環(huán)境下FBG應(yīng)變高精度定標(biāo)實(shí)驗(yàn)要求的缺陷，提供一種可供低溫液氦環(huán)境中FBG應(yīng)變傳感器高精度定標(biāo)實(shí)驗(yàn)用的裝置。該裝置可以滿足低溫液氦環(huán)境下FBG應(yīng)變高精度定標(biāo)實(shí)驗(yàn)的要求。
本發(fā)明為一包括螺旋測微頭、懸臂梁力學(xué)平臺以及光纖適配器的低溫液氦杜瓦裝置。在低溫液氦杜瓦裝置中放置一個懸臂梁平臺，力學(xué)裝置——懸臂梁固定在平臺上。懸臂梁平臺由一個環(huán)氧圓盤底座，一個環(huán)氧懸臂梁支柱和一個鋁制懸臂梁組成。底座起固定作用，支柱固定在底座上而鋁制懸臂梁又固定在支柱上。
螺旋測微頭安裝在低溫液氦杜瓦裝置的杜瓦蓋上，螺旋測微頭的一端和放置于杜瓦內(nèi)的用于為懸臂梁施加位移載荷的位移桿相連，二者組成懸臂梁的加載裝置。光纖適配器安裝在杜瓦蓋上用于連接放置于杜瓦內(nèi)的FBG光纖傳感器和外部傳輸光纖。
整個裝置中，懸臂梁支撐平臺和懸臂梁及拉桿位于杜瓦內(nèi)部，而真空表接頭、真空抽頭以及低溫液體灌輸裝置是低溫液氦杜瓦的必備部件。光纖適配器、螺旋測微頭安裝在杜瓦蓋上，二者和杜瓦蓋接觸的地方均涂有真空泥等密封材料，故在實(shí)驗(yàn)過程中可以保證一定的密封性。
本發(fā)明懸臂梁裝置的底座和支柱采用環(huán)氧材料制作，以減少冷卻介質(zhì)的消耗。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，精度較高，通過它可以方便地在低溫液氦環(huán)境下完成FBG應(yīng)變定標(biāo)實(shí)驗(yàn)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明組成結(jié)構(gòu)示意圖，圖1中1真空表接頭、2光纖適配器、3杜瓦、4位移桿、5懸臂梁支撐平臺、6懸臂梁、7懸臂梁支持平臺固定拉桿、8杜瓦蓋吊環(huán)、9杜瓦蓋、10杜瓦蓋安裝螺孔、11真空抽頭、12低溫液體灌輸裝置、13螺旋測微頭。
圖2為光纖適配器的示意圖14光纖適配器內(nèi)端口、15光纖適配器固定孔、16光纖適配器外端口。
圖3為懸臂梁裝置示意圖17鋁制懸臂梁、18懸臂梁底座、19懸臂梁支柱、20懸臂梁固定螺孔。
圖4為螺旋測微頭示意圖21測微螺桿、22固定刻度、23可動刻度、24旋鈕、25微調(diào)旋鈕。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，懸臂梁6固定于懸臂梁支撐平臺5上，支撐平臺5通過固定拉桿7連接在杜瓦蓋9上，可方便提取出整體裝置。
需要定標(biāo)的FBG應(yīng)變傳感器的光柵傳感部分粘貼于懸臂梁6上，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器的光纖接口連接于光纖適配器2的內(nèi)端口。光纖適配器2的外端口連接一根出射光纖用于將光源信號和傳感信號傳送至FBG解調(diào)儀。開始定標(biāo)前，整個實(shí)驗(yàn)裝置安裝完畢后，通過低溫液體灌注裝置12將低溫溶液--液氦灌入杜瓦3直至液氦覆蓋整個懸臂梁6。待溫度穩(wěn)定后，可以認(rèn)為此時杜瓦3內(nèi)的溫度為液氦溫度(液氦為4.2K)。
此時可通過螺旋測微頭13以帶動連接在螺旋測微頭13上的位移桿4為懸臂梁6施加位移載荷。
根據(jù)懸臂梁力學(xué)公式ϵp=3hy2L2---(2)]]>其中y是梁的厚度，h是位移桿4的位移量。L是位移桿4到光纖粘貼處的距離。εp是光柵感受到的應(yīng)變。通過螺旋測微頭13來控制h的大小，故可得到對應(yīng)εp的值。
由于ΔλB和λB通過出射光纖由外接的FBG解調(diào)儀進(jìn)行測量，F(xiàn)BG解調(diào)儀的波長分辨精度為1pm，而εp可通過公式(1)計算獲得。這樣就可以求得低溫液氦環(huán)境下的FBG應(yīng)變靈敏系數(shù)Ke。
螺旋測微頭13的位移精度達(dá)到0.01mm，可以滿足定標(biāo)實(shí)驗(yàn)對精度的要求，另外由于該裝置將施力部分放置于杜瓦內(nèi)部，通過螺旋測微頭13帶動位移桿4的上下移動來控制懸臂梁17端部的位移從而在懸臂梁17上造成不同的應(yīng)變。實(shí)際選購部件時，螺旋測微頭13的位移量程可由定標(biāo)實(shí)驗(yàn)的要求來決定。
真空表接頭1可安裝真空表，用于判斷整體裝置的真空密封性。
杜瓦蓋9吊環(huán)8用于方便杜瓦蓋9的拆卸。
杜瓦蓋安裝螺孔10用于將杜瓦蓋固定在杜瓦3上。
真空抽頭11可安裝抽真空機(jī)，為杜瓦3抽真空。
如圖2所示，光纖適配器內(nèi)端口14用于連接FBG應(yīng)變傳感器，內(nèi)端口14朝向杜瓦3內(nèi)。光纖適配器固定孔15通過螺絲將光纖適配器2安裝在杜瓦蓋9上。光纖適配器外端口16用于將出射光纖連接至FBG解調(diào)儀。外端口朝向杜瓦3外。光纖適配器內(nèi)外端口結(jié)構(gòu)相同。光纖適配器2采用市面上提供的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的產(chǎn)品。
如圖3所示，鋁制懸臂梁17可在位移桿4的控制下發(fā)生形變，從而為FBG應(yīng)變傳感器提供可控的應(yīng)變。懸臂梁底座18為環(huán)氧材料制作而成，作為懸臂梁6的支撐和穩(wěn)定作用。懸臂梁支柱19為環(huán)氧材料制作而成，用于支撐鋁制懸臂梁17。懸臂梁固定螺孔20用于將鋁制懸臂梁17固定在懸臂梁支柱19上。
圖4所示為螺旋測微頭，包括測微螺桿21、固定刻度22、可動刻度23、旋鈕24、微調(diào)旋鈕25等部件。
權(quán)利要求
1.一種低溫液氦環(huán)境中FBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變一波長定標(biāo)裝置，其特征是包括螺旋測微頭[13]、懸臂梁力學(xué)平臺以及光纖適配器[2]；懸臂梁力學(xué)平臺置于低溫液氦杜瓦[3]中，懸臂梁[6]固定在懸臂梁力學(xué)平臺上，螺旋測微頭[13]安裝在低溫液氦杜瓦[3]的杜瓦蓋[9]上；螺旋測微頭[13]的一端和放置于杜瓦[3]內(nèi)的用于為懸臂梁[6]施加位移載荷的位移桿[4]相連，二者組成懸臂梁[6]的施力裝置；需要定標(biāo)的FBG應(yīng)變傳感器的光柵傳感部分粘貼于懸臂梁[6]上，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器的光纖接口連接于光纖適配器[2]的內(nèi)端口[14]，光纖適配器[2]的外端口[16]連接一根出射光纖用于將光源信號和傳感信號傳送至FBG解調(diào)儀；光纖適配器[2]、螺旋測微頭[13]和杜瓦蓋[9]接觸的地方均涂有真空泥等密封材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫液氦環(huán)境中FBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變一波長定標(biāo)裝置，其特征是光纖適配器內(nèi)端口[14]朝向杜瓦[3]內(nèi)，光纖適配器外端口[16]朝向杜瓦[3]外，光纖適配器[2]的內(nèi)外端口結(jié)構(gòu)相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫液氦環(huán)境中FBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變一波長定標(biāo)裝置，其特征是懸臂梁平臺[9]由圓盤底座[18]，支桿[19]和鋁制懸臂梁[17]組成，鋁制懸臂梁[17]固定在懸臂梁支柱[19]上；懸臂梁底座[18]和懸臂梁支柱[19]為環(huán)氧材料制作。
全文摘要
一種低溫液氦環(huán)境中FBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變－波長定標(biāo)裝置，包括螺旋測微頭[13]和懸臂梁力學(xué)平臺，其特征是螺旋測微頭[13]及懸臂梁力學(xué)平臺置于低溫液氦杜瓦[3]中；懸臂梁[6]固定在懸臂梁力學(xué)平臺上；螺旋測微頭[13]安裝在低溫液氦杜瓦[3]的杜瓦蓋[9]上，螺旋測微頭[13]的一端和放置于杜瓦[3]內(nèi)的用于為懸臂梁[6]施加位移載荷的位移桿[4]相連，二者組成懸臂梁[6]的施力裝置；需要定標(biāo)的FBG應(yīng)變傳感器的光柵傳感部分粘貼于懸臂梁[6]上，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器的光纖接口連接于光纖適配器[2]的內(nèi)端口[14]，光纖適配器[2]的外端口[16]連接一根出射光纖用于將光源信號和傳感信號傳送至FBG解調(diào)儀。懸臂梁底座[18]和懸臂梁支柱[19]為環(huán)氧材料制作。
文檔編號G01D5/26GK1975325SQ200610165498
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月21日
發(fā)明者鄧凡平, 王秋良 申請人:中國科學(xué)院電工研究所