本發(fā)明涉及光纖技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及消除溫度影響的光纖光柵應(yīng)變器。

背景技術(shù)：

光纖布拉格光柵是一種非常有實用價值的光學(xué)傳感器，具有體積小、抗電磁干擾等優(yōu)點。由于光纖光柵具有體積小、熔接損耗小、全兼容于光纖、能埋入智能材料等優(yōu)點，并且其諧振波長對溫度、應(yīng)變、折射率、濃度等外界環(huán)境的變化比較敏感，已經(jīng)在橋梁、隧道、建筑等大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測和石化、供電設(shè)施溫度監(jiān)測等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。

目前，光纖布拉格光柵在實際傳感測量中，存在應(yīng)變和溫度交叉敏感問題，應(yīng)變和溫度的變化均會使其布拉格波長發(fā)生變化。這就導(dǎo)致了光纖光柵應(yīng)變傳感器在測量應(yīng)變時，會引入溫度干擾。當(dāng)前大量研究工作是利用雙光柵或者其他結(jié)構(gòu)，同時測量溫度和應(yīng)變，再對應(yīng)變量進行溫度補償。這些方法大多使用多個光柵或者系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，制作結(jié)構(gòu)簡單、排除溫度干擾的光纖光柵應(yīng)變傳感器是目前應(yīng)變傳感領(lǐng)域的一個熱點問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的光纖光柵應(yīng)變器。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種光纖光柵應(yīng)變傳感器，包括：

基片；

兩個補償臂，對稱設(shè)置在所述基片的兩側(cè)，所述補償臂的上端接近所述基片中心的一側(cè)設(shè)置光纖固定點，所述補償臂的下端遠離所述光纖固定點的一側(cè)與所述基片固定；以及

光纖光柵，通過光纖固定點設(shè)置在兩個所述補償臂上；

所述補償臂和基片的關(guān)系為：

a₁L₁+a_fL_f-2a₂L₂＝0

其中，a₁為基片的線膨脹系數(shù)、a₂為補償臂的線膨脹系數(shù)、a_f為光纖光柵的線膨脹系數(shù)、L₁為基片的有效長度、L₂為補償臂的有效長度、L_f為兩個光纖固定點的距離。

本申請通過設(shè)置補償臂的膨脹方向與基片的膨脹方向相反，使本光纖光柵應(yīng)變器在環(huán)境溫度變化時，通過基片和補償臂的膨脹量和膨脹方向的不同，補償了光纖光柵的膨脹量，實現(xiàn)了溫度自補償，排除了溫度交叉干擾。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中光纖光柵應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的光纖光柵應(yīng)變傳感器的俯視圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的光纖光柵應(yīng)變傳感器的側(cè)視圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中光纖光柵應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，該裝置僅包括基片101，基片101沿應(yīng)變方向設(shè)置放置光纖光柵103的V形槽102。由于光纖光柵103是直接和基片接觸，在實際傳感測量中，存在應(yīng)變和溫度交叉敏感問題，應(yīng)變和溫度的變化均會使其布拉格波長發(fā)生變化，導(dǎo)致光纖光柵應(yīng)變傳感器在測量應(yīng)變時引入溫度干擾。

圖2示出了本發(fā)明公開的一個光纖光柵應(yīng)變傳感器的俯視圖，如圖所示，該裝置包括基片201、兩個補償臂202以及光纖光柵203，補償臂202對稱設(shè)置在基片201的兩側(cè)，補償臂202的上端沿應(yīng)變傳感方向設(shè)置V形槽204且在接近所述基片中心的一側(cè)設(shè)置光纖固定點，所述補償臂的下端遠離所述光纖固定點205的一側(cè)與所述基片固定，光纖光柵，通過光纖固定點設(shè)置在兩個V形槽204中。本裝置在收到溫度感應(yīng)時，由于基片會向兩邊延伸，而兩個補償臂朝基片相向延伸，因此達到了自適應(yīng)補償溫度的作用。

通過設(shè)置補償臂的膨脹方向與基片的膨脹方向相反，使本光纖光柵應(yīng)變器在環(huán)境溫度變化時，通過基片和補償臂的膨脹量和膨脹方向的不同，補償了光纖光柵的膨脹量，實現(xiàn)了溫度自補償，排除了溫度交叉干擾。

在一個實施例中，兩個補償臂202可以在基片201長度的1/3、2/3處，也可以設(shè)置在基片201長度的1/4、3/4處。

圖3示出了本發(fā)明的側(cè)視圖。如圖可知，所述補償臂包括基礎(chǔ)塊2021和延伸塊2022，基礎(chǔ)塊2021與所述基片固定連接；延伸塊2022一體成型地設(shè)置在所述基礎(chǔ)塊上端，所述延伸塊的上表面沿應(yīng)變傳感方向設(shè)置V形槽2023。

在一個實施例中，基礎(chǔ)塊的橫截面為正方形，且該正方形的一條中線與應(yīng)變傳感方向一致；所述補償臂的橫截面為長方形，該長方形的寬與基礎(chǔ)塊的橫截面的邊長一致。

在一個實施例中，限定兩個所述補償臂的遠離基片中心的一端的距離為所述基片的有效長度L₁，所述延伸塊沿應(yīng)變傳感方向的長度與所述基礎(chǔ)塊沿應(yīng)變傳感方向的長度之差為所述補償臂的有效長度L₂，兩個光纖固定點之間的距離為L_f，a₁為基片的線膨脹系數(shù)，a2為補償臂的線膨脹系數(shù)，a_f為光纖光柵的線膨脹系數(shù)，則基片與補償臂需滿足以下公式，則可實現(xiàn)溫度自補償?shù)膽?yīng)變測量：

a₁L₁+a_fL_f-2a₂L₂＝0。

本申請人公開了上述公式的推導(dǎo)過程：

首先光纖光柵的中心波長λ_B符合布拉格公式：

λ_B＝2n_effΛ

其中，n_eff為光纖光柵等效折射率，Λ為光柵周期。

進一步的，當(dāng)光纖光柵應(yīng)變傳感器僅受溫度影響時，光纖光柵本身受溫度影響，中心波長發(fā)生漂移，漂移量為：

其中，ΔT為溫度變化量，β_T為溫度響應(yīng)系數(shù)。

進一步的，基片向外膨脹了ΔL₁，補償臂向內(nèi)膨脹了ΔL₂，因此，基片和補償臂總膨脹量ΔL₀計算公式為：

ΔL₀＝ΔL₁-ΔL₂＝a₁ΔTL₁-2a₂ΔTL₂

進一步的，基片和補償臂總膨脹量ΔL₀，使額外的應(yīng)變量作用于光纖光柵上，此時光纖光柵受到溫度引起基片和補償臂膨脹帶來的額外應(yīng)變引起的中心波長變化量為：

其中，β_ε為應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)；此時由溫度引起的光纖光柵中心波長變化總量為：

進一步的，欲使光纖光柵應(yīng)變傳感器與溫度無關(guān)，需滿足公式Δλ_B＝0，則：

a₁L₁+a_fL_f-2a₂L₂＝0

其中，定義為光纖光柵的線膨脹系數(shù)。因此實現(xiàn)了消除溫度對應(yīng)變測量的交叉干擾。

在一個實施例中，所述基片和補償臂均為金屬材料。這樣設(shè)計的目的在于，金屬可以很好的傳遞應(yīng)變，并且，由于本發(fā)明的應(yīng)變傳感器應(yīng)用的場合大多是焊接在金屬的懸臂梁上或其他金屬結(jié)構(gòu)上，采用金屬制成的應(yīng)變傳感器能夠更好地進行焊接。

在一個實施例中，所述補償臂的線膨脹系數(shù)大于所述基片的線膨脹系數(shù)，由于補償臂產(chǎn)生的膨脹是向內(nèi)膨脹，而基片是向外膨脹，當(dāng)溫度升高時，基片和基礎(chǔ)塊都在向外膨漲，此時延伸塊向內(nèi)膨的量脹必須大于基片向內(nèi)膨脹的量，才能補償光纖的膨脹量。

在一個實施例中，所述基片中部對稱設(shè)置兩個矩形通孔，這樣設(shè)置的好處在于，一方面能夠增大基片膨脹的敏感度，另一方面采用矩形設(shè)計能夠保證基片膨脹均勻，更利于消除溫度對應(yīng)變測量的干擾。

在一個實施例中，所述補償臂的材料為不銹鋼。

在一個實施例中，所述基片的材料為殷鋼。

由于不銹鋼的線膨脹系數(shù)遠大于殷鋼的線膨脹系數(shù)，基片的膨脹系數(shù)越低，基片和光纖的總膨脹量就越低，補償臂的設(shè)計膨脹量也就越小，本應(yīng)變傳感器的總體積也就越小。

在一個實施例中，采用紫外氬離子激光及相位掩模板法在光纖纖芯上刻寫光纖布拉格光柵，光纖光柵的中心波長為1550nm，光纖涂覆層剝除長度為13.0mm，光纖光柵的線膨脹系數(shù)為a_f＝12.0×10^-6/℃。

選用殷鋼作為基片的材料，殷鋼的線膨脹系數(shù)a₁＝1.8×10^-6/℃，補償臂選取不銹鋼，不銹鋼的線膨脹系數(shù)a₂＝16×10^-6/℃，因此由上述公式可得，L₁為20.7mm，L₂為3.85mm。當(dāng)光纖光柵應(yīng)變傳感器僅受溫度作用下，該結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸滿足a₁L₁+a_fL_f-2a₂L₂＝0，能夠達到溫度抵消補償效果，實現(xiàn)溫度自補償?shù)膽?yīng)變測量。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、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)。