專利名稱：能夠利用單個衍射光柵進(jìn)行形變和溫度測量的埋藏式光學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)形變(應(yīng)變)和溫度傳感器，尤其涉及利用帶有布拉格(Bragg)光柵的在結(jié)構(gòu)上埋藏的光纖的光學(xué)傳感器。
背景技術(shù)：
在形變傳感器領(lǐng)域中已知把帶有例如布拉格光柵這樣的反射元件的光纖埋藏到一個結(jié)構(gòu)之中，如授權(quán)給Meltz等人的美國專利No.4,806,012和No.4,761,073，標(biāo)題分別為“Distributed，Spatially Resolving Optical Fiber Strain Gauge(分布式空間可分辨的光纖應(yīng)變測量計(jì))”和“Distributed，Spatially Resoving Optical Fiber Strain Gauge(分布式空間可分辨的光纖應(yīng)變測量計(jì))”，中所描述的。也已經(jīng)知道，可以把光纖傳感器埋藏在組合材料或結(jié)構(gòu)中，由此便能對該結(jié)構(gòu)的形變和/或溫度進(jìn)行測量。
典型地，向光纖中發(fā)射一束來自寬波長帶光源的光，而光柵只反射光源光的一個窄的波長帶。光柵的反射波長(也即反射光中局部極大處的波長)根據(jù)光柵所在處的形變和溫度兩者的變化而發(fā)生移動。因此，為了獨(dú)立于溫度變化地確定形變，這種傳感器需要一個分開的溫度測量裝置(例如另一個光柵)。從而，在這種結(jié)構(gòu)中單個光柵(或傳感器)既不能提供經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)男巫儨y量，也不能提供經(jīng)過形變補(bǔ)償后的溫度測量。于是，對于埋藏在結(jié)構(gòu)中的傳感器同樣也存在著不能由單個傳感器來進(jìn)行溫度和形變測量的問題。
因此，希望能提供這樣一種埋藏式光纖傳感器，它能夠從單個光柵提供出一些光學(xué)信號，根據(jù)這些信號可以確定溫度和形變兩者。
本發(fā)明的公開內(nèi)容本發(fā)明的目的包括提供一種埋藏式光纖傳感器，它能夠用單個光柵來進(jìn)行溫度和形變兩者的測量。
根據(jù)本發(fā)明，一種埋藏式光學(xué)傳感器含有一個光學(xué)波導(dǎo)，用來限制入射光和返回光；至少一個反射元件被設(shè)置在光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)的入射光光路中，該反射元件具有一個第一橫向軸和一個垂直于第一橫向的第二橫向軸，第一橫向軸和第二橫向軸兩者都垂直于一個縱軸；提供了橫向應(yīng)力裝置，用來在反射元件上施加力，以在反射元件中產(chǎn)生不相等的橫向應(yīng)力；不相等的橫向應(yīng)力在反射元件中產(chǎn)生雙折射，并且不相等的橫向應(yīng)力隨溫度而變化，從而引起雙折射也隨溫度變化；雙折射引起與反射元件的第一偏振軸相關(guān)連的反射元件的第一峰點(diǎn)反射波長和與反射元件的第二偏振軸相關(guān)連的反射元件的第二峰點(diǎn)反射波長；存在有一個等于第一峰點(diǎn)和第二峰點(diǎn)之間的波長差的波長間距和存在有一個等于位在第一峰點(diǎn)和第二峰點(diǎn)正中間的波長的平均波長；以及波長間距具有一個對溫度和形變的靈敏度，它與平均波長的靈敏度不同，因此便能夠用一個反射元件來進(jìn)行獨(dú)立的溫度和形變測量。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，橫向應(yīng)力裝置包括一個環(huán)繞著反射元件的組合結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，組合結(jié)構(gòu)包括相對于反射元件有預(yù)定取向的一些加強(qiáng)絲，以及用來使組合材料結(jié)合在一起的結(jié)合材料。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，相鄰于反射元件的那些加強(qiáng)絲的取向不平行于反射元件的縱軸。進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，組合結(jié)構(gòu)包括多個每一層都含有加強(qiáng)絲和結(jié)合材料的層。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，波導(dǎo)是一個光纖，并且反射元件是一個布拉格光柵。
本發(fā)明在下述方面代表了對以往的埋藏式光纖形變和溫度傳感器的重大改進(jìn)使單個光柵能夠提供這樣的信號，由此可以確定溫度和形變兩者，從而減少了補(bǔ)償溫度變化所需的光柵或其他傳感器的數(shù)目，并且改善了經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)男巫儨y量的完整性(因?yàn)闇囟仁窃谒Ｍ难a(bǔ)償點(diǎn)上測量的)。其結(jié)果是，本發(fā)明提供了下述可能性從每個光柵來進(jìn)行溫度測量和利用單個光柵的經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)男巫儨y量或者分開的形變和溫度測量。
通過下面對如附圖所示的本發(fā)明的示范性實(shí)施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的上述目的和其他目的以及特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更為明顯。
附圖的簡單說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個埋藏式光學(xué)傳感器的剖視透視圖，它示出多個含有加強(qiáng)絲并構(gòu)成了一個其中埋藏有一個光纖的層狀結(jié)構(gòu)的多個層。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個層的側(cè)視剖視截面圖，它示出加強(qiáng)絲和各絲之間的樹脂。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的含有沿垂直于光纖縱軸方向取向的加強(qiáng)絲的多個層的側(cè)視截面圖，它示出了一個富有樹脂的區(qū)域。
圖4是傳感器被埋入結(jié)構(gòu)之前的光纖傳感器的傳感器透射率對波長的曲線圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的傳感器被埋入一個結(jié)構(gòu)之后的圖4所示光纖傳感器的傳感器反射率對波長的曲線圖，其中的結(jié)構(gòu)具有垂直于光纖的相鄰層加強(qiáng)絲。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的含有加強(qiáng)絲的多個層的側(cè)視截面圖，其中的加強(qiáng)絲沿著埋藏光纖的縱軸取向。
圖7是傳感器被埋入一個結(jié)構(gòu)之前的光纖傳感器的透射率對波長的曲線圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的傳感器被埋入一個結(jié)構(gòu)之后的圖7所示的光纖傳感器的傳感器反射率對波長的曲線圖，其中的結(jié)構(gòu)具有平行于光纖的相鄰層加強(qiáng)絲。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的與埋藏光纖相鄰的層的各種可能取向角的頂視圖以及光纖的相應(yīng)側(cè)視截面圖和所形成的眼睛狀富于樹脂的區(qū)域。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的歸一化縱橫比和光纖雙折射對相鄰于埋藏光纖的層的角度的曲線圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例中的含有加強(qiáng)絲的多個層的剖面透視圖，這些層組成了其中埋藏有一個光纖的層狀結(jié)構(gòu)。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的布拉格光柵的反射率曲線，它示出了由于溫度和形變的峰點(diǎn)波長分離以及峰點(diǎn)和平均波長的移動。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的埋藏式光纖傳感器的平均波長變化對施加的結(jié)構(gòu)溫度的關(guān)系曲線，它呈現(xiàn)出高度的線性關(guān)系。
圖14是根據(jù)本發(fā)明的埋藏式光纖傳感器的平均波長變化對施加的結(jié)構(gòu)形變的關(guān)系曲線，它呈現(xiàn)出高度的線性關(guān)系。
圖15是根據(jù)本發(fā)明的埋藏式光纖傳感器的峰點(diǎn)波長分離對施加的結(jié)構(gòu)溫度的關(guān)系曲線，它呈現(xiàn)出響應(yīng)的兩段線性部分。
圖16是根據(jù)本發(fā)明的埋藏式光纖傳感器的峰點(diǎn)波長分離對施加的結(jié)構(gòu)形變的關(guān)系曲線，它呈現(xiàn)出對結(jié)構(gòu)形變有基本上可以忽略的靈敏度。
圖17是根據(jù)本發(fā)明的用來產(chǎn)生不相等橫向應(yīng)力的一般實(shí)施例的圖。
實(shí)施本發(fā)明的最佳模式參見圖1，一個埋藏式光纖傳感器包括多個層10-20(后面將有討論)和埋藏在層10和層12之間的一個非雙折射光纖21。光纖21含有一個直徑約6微米的單空間模摻鍺硅芯和一個硅包層，總外徑(芯和包層)約為125微米。如果需要可以使用其他組分和尺寸的光纖。而且，如果需要可以使用帶有緩沖鍍層或不帶緩沖鍍層的光纖。與前面提到的授權(quán)給Meltz等人的美國專利中所討論的類似，光纖21的芯至少具有一個反射元件28，例如一個布拉格光柵。
層10-20中的每一個層都含有一些由石墨做成的圓柱形加強(qiáng)絲22，它們以預(yù)定的取向埋藏在層10-20中。層10-20的每一層內(nèi)的加強(qiáng)絲22基本上是互相平行的。在各加強(qiáng)絲22之間是聚合物填料24，例如由工業(yè)中所熟知的熱固性環(huán)氧樹脂組成。如果需要，可以用其他材料來做加強(qiáng)絲，用其他熱固性聚合物填料做加強(qiáng)絲之間的區(qū)域。例如，加強(qiáng)絲22可以用玻璃、纖維(如尼龍、棉線)或其他材料來做。一個指定的層也可以用KEVLAR(一種經(jīng)注冊的商品名)，即纖維玻璃加強(qiáng)聚合樹脂，或其他材料來做。還有，加強(qiáng)絲也不一定需要是圓柱形的。層10-20也叫做“層堆”，總的結(jié)構(gòu)8也叫做“疊層”(或者多層結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu))。
對于圖1中的疊層，緊鄰并包圍著光纖21的一對層10和12其加強(qiáng)絲22沿著XYZ坐標(biāo)軸23的Z軸取向，該方向與光傳播所沿方向的光纖21的縱軸(Z軸)成90°角。下一個包圍著光纖21的層對14和15其加強(qiáng)絲22沿著與Z軸成+45°的角度取向。層對16和17的加強(qiáng)絲22沿著與Z軸成-45°的角度取向，而最外面的兩層18和20的加強(qiáng)絲22沿Z軸取向。
所以，圖1疊層的模式為
光纖[90，+45，-45，0]。這種模式叫做“準(zhǔn)各向同性對稱疊層”。眾所周知，準(zhǔn)各向同性疊層是一種在層平面內(nèi)具有一個有效勁度(即面內(nèi)勁度)的結(jié)構(gòu)，該有效勁度是固定的，與施加給該結(jié)構(gòu)的面內(nèi)負(fù)載的取向無關(guān)。還有，圖1的疊層被稱作“對稱”是因?yàn)楦骷訌?qiáng)絲22的取向是相對于光纖21以及層對10和12之間的平面對稱的。當(dāng)疊層對稱時，所得到的結(jié)構(gòu)具有最小的卷曲。如下面將討論論的，如果需要，也可以采用其他的加強(qiáng)絲取向和其他的層數(shù)。
具有加強(qiáng)絲取向變化的圖1疊層可以用許多方法來制作。例如，可以通過使加強(qiáng)絲22預(yù)先用樹脂24浸漬在其間來預(yù)先制作層10-20。然后可以按照所希望的疊層模式把這些層組裝起來，同時把光纖21按所需的方向放置在所需的兩層之間。然后該組件用密實(shí)模壓或蒸壓工藝壓實(shí)。或者，可以用密封的樹脂注模工藝以相似的方式組裝一個干布疊層。不論用哪種工藝，都要把樹脂的溫度提高到能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以使填料聚合(或固化)，然后它就變硬，接著被冷卻。如果需要也可以采用其他的制作工藝。
現(xiàn)在參見圖2，實(shí)際上每個加強(qiáng)絲22都是一個由比它細(xì)得多的石墨纖維(或石墨繩)50所組成的絞合束。加強(qiáng)絲22的典型直徑d1約為5至10微米，在一個層內(nèi)各絲之間的距離d2由所希望的加強(qiáng)石墨占該層的總體積的百分比體積(例如50％-70％)來確定。每一層的厚度t1大致與加強(qiáng)絲22的直徑d1相同(或略厚)。如果需要，也可以采用其他的厚度、直徑、和百分比體積。此外，加強(qiáng)絲也不一定需要是絞合束，也可以是單根的實(shí)體。
需要了解，圖2是一個理想化的孤立的層，在多層組合結(jié)構(gòu)中，各個層之間可能不是分得很清楚的。例如，在固化處理時其他層的加強(qiáng)絲也可能會移動，從而變得落在圖示的各個加強(qiáng)絲之間，而各個加強(qiáng)絲之間的樹脂24又與其他層的樹脂相結(jié)合，從而消除了各層之間的明確界限。
再次參見圖1，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)層10和12的加強(qiáng)絲22沿著與光纖21成90°的方向時，在結(jié)構(gòu)中便存在有強(qiáng)烈的不相等橫向剩余應(yīng)力，它將在光纖21和光柵28中引起相應(yīng)的形變。這里所用的“橫向”應(yīng)力一詞是指光纖21中沿著疊層的X軸和Y軸方向(垂直于光纖21的縱向Z軸)。具體地說，在層平面內(nèi)沿著X軸和垂直于層平面(即穿過厚度方向)沿著Y軸都存在有橫向剩余應(yīng)力成分。因?yàn)檫@兩種橫向應(yīng)力不相等，所以在光纖21上導(dǎo)致了強(qiáng)烈的差分形變，由此在光纖21和光柵28的埋入結(jié)構(gòu)的部分中產(chǎn)生了雙折射。如下面將討論的，這種雙折射使布拉格光柵對各個偏振有不同的反射波長。
我們還發(fā)現(xiàn)，這種在光纖21和光柵28中的誘導(dǎo)雙折射作為溫度的函數(shù)而改變。造成這個效應(yīng)的原因是在光纖區(qū)域中的總體結(jié)構(gòu)在光纖21的局部鄰域中的X軸方向和Y軸方向上呈現(xiàn)出不同的熱脹系數(shù)。結(jié)果，雙折射隨溫度的變化而變化。對一個給定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙折射的定標(biāo)，然后用來確定結(jié)構(gòu)的溫度變化，確定經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)男巫?，或者同時提供溫度信號和形變信號兩者。
同在參見圖3，如果兩個層10和12的加強(qiáng)絲22不平行于光纖21，則環(huán)繞著光纖21將形成一個樹脂24的眼睛狀區(qū)域40。形成這個區(qū)域的原因是，在壓固和聚合處理過程中，加強(qiáng)絲22構(gòu)成了一個跨越光纖21的彎橋，結(jié)果在光纖21周圍留下一個空的眼睛狀空間。然后在固化階段這個空間被樹脂充填。確定該眼睛狀區(qū)域40的形狀和尺寸的幾個因素是光纖21和相鄰層10、12中的加強(qiáng)絲22之間的夾角；光纖21的直徑；加強(qiáng)絲22的柔性；以及壓固時所施加的壓力。
由于光纖21、樹脂24、加強(qiáng)絲22和疊層整體的熱脹系數(shù)不同，當(dāng)組合結(jié)構(gòu)從固化溫度冷卻到室溫時，在光纖21周圍便出現(xiàn)了上述不相等的橫向剩余應(yīng)力。這些不相等的應(yīng)力使光纖呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的雙折射。由于雙折射是剩余熱應(yīng)力造成的，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)的溫度變化時，雙折射的大小也要變化。
具體地說，參見圖4，如其中的點(diǎn)52所示，光纖傳感器在被埋入結(jié)構(gòu)之前，它的透射率曲線中在預(yù)定波長處，例如1290.79納米處有單一的局部極小。參見圖5，當(dāng)圖4的傳感器被埋入一個具有垂直于光纖21的相鄰加強(qiáng)絲22的結(jié)構(gòu)(圖3)內(nèi)時，反射率曲線呈現(xiàn)出兩個局部反射率峰54、56(第一反射波長54，第二反射波長56)，它們的波長間距b1例如為0.569納米，兩個反射波長分別對應(yīng)著不同的偏振。上述結(jié)構(gòu)的疊層模式為[相同][90，-45，+45，0，0，+45、-45，90]光纖[90，-45，+45，0，0，+45，-45，90][相同][相同][相同](其中的角度從光纖的縱軸量起)。這種波長的分離是由上述的誘導(dǎo)光纖雙折射引起的。
更具體地說，光纖21周圍的富于樹脂的區(qū)域40(圖3)以及相鄰加強(qiáng)絲22的垂直取向和組合結(jié)構(gòu)中的其他各層給光纖傳感器加上了不同的剩余橫向應(yīng)力成分。這種不同的應(yīng)力部分地是由富于樹脂的區(qū)域40中的樹脂沿著X軸方向和Y軸方向的不同體積所造成的。還有，某一層中樹脂的體積百分比也可能是造成光纖上應(yīng)力集中的一個因素。所有這些因素產(chǎn)生了光纖21中的最大的雙折射。
橫向應(yīng)力的成因還在于沿著加強(qiáng)絲長度方向的面內(nèi)熱脹系數(shù)大不相同于垂直于加強(qiáng)絲長度方向的凈熱脹系數(shù)(也在于每一層中的不同的兩互相垂直的面內(nèi)凈熱脹系數(shù))，還在于層10-20的加強(qiáng)絲并不都有相同的取向。尤其是，加強(qiáng)絲的熱脹系數(shù)不同于樹脂的熱脹系數(shù)。
現(xiàn)在參見圖6，如果光纖21的取向平行于相鄰層10和12的加強(qiáng)絲22，則基本上不存在圖3的眼睛狀富于樹脂的區(qū)域40。這是因?yàn)榧訌?qiáng)絲可以基本上均勻地緊貼環(huán)繞著光纖21而不發(fā)生偏離。
具體地說，參見圖7，如點(diǎn)58所示，光纖在埋入結(jié)構(gòu)之前它的透射率曲線在一個預(yù)定波長，例如1284.38納米處有單一的局部極小。參見圖8，當(dāng)圖7的光纖被埋入一個其相鄰加強(qiáng)絲22平行于光纖21的結(jié)構(gòu)中時(圖6)，則反射率曲線呈現(xiàn)出兩個反射率局部峰59、60，它們的波長間距b2較小，例如為0.125納米，其中的結(jié)構(gòu)的疊層模式為[相同]
光纖
[相同][相同][相同](其中的角度從光纖的縱軸量起)。
存在小波長分離b2(圖8)的原因是由于存在著組合結(jié)構(gòu)的的其他層次及它們的取向在光纖中所產(chǎn)生的不同的橫向應(yīng)力。因此，從圖5到圖8的雙折射的巨大變化僅僅起因于相鄰層10和12的加強(qiáng)絲相對于光纖的取向。這表明，緊鄰著光纖21的上下兩層的取向和相應(yīng)的眼睛狀富于樹脂區(qū)域40的產(chǎn)生(圖3)是造成光纖雙折射的主要因素。
需要了解，圖4和7的透過率曲線表示通過光柵28的光34(圖1)的功率和波長分布，圖5和8的反射率曲線表示被光柵28反射的光32(圖1)的功率和波長分布。
現(xiàn)在參見圖9和10，其中在各種不同的相鄰層10、12的加強(qiáng)絲相對于光纖的取向的情形下將光線21的直徑df與眼睛狀區(qū)域40的直徑de進(jìn)行了比較。具體地說，當(dāng)分別如直線62、64、66所示加強(qiáng)絲22相對于光纖21的取向?yàn)?0、45、22.5度時，眼睛狀區(qū)域的形狀分別如68、70、72所示。對于圖1和3中的取向，也即90度相鄰加強(qiáng)絲的情形，眼睛狀區(qū)域的直徑de最大，從而雙折射也最大。反之，對于圖6中的取向，也即0度相鄰加強(qiáng)絲的情形，眼睛狀區(qū)域的直徑df最小，從而雙折射也最小。
現(xiàn)在參見圖10和表1，圖10中的歸一化縱橫差(de-df)/(de-df)max與加強(qiáng)絲取向之間的關(guān)系曲線和歸一化光纖雙折射與加強(qiáng)絲取向之間的關(guān)系曲線是根據(jù)表1的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出的。從表1和圖10可以看出，歸一化雙折射和歸一化縱橫差是互相相關(guān)的。
上面討論了光柵28中的橫向應(yīng)力的產(chǎn)生和隨著溫度的變化，這直接關(guān)系到光柵28的雙折射的產(chǎn)生和變化。然而，必須了解，由于溫度的變化光纖21在縱方向(Z軸方向)也要膨脹和收縮，眾所周知，這將改變光柵的間距(空間周期)和平均折射率，從而將使它的峰點(diǎn)反射波長移動。因此，對于本發(fā)明的埋藏式光纖傳感器，溫度的變化將造成因縱向改變而產(chǎn)生的波長移動，同時將造成雙折射的變化，后者表現(xiàn)為兩種偏振之間的波長差(波長間距)的變化。
關(guān)于外加的應(yīng)力，我們發(fā)現(xiàn)對于沿著Z軸施加的外部拉應(yīng)力(后面有討論)來說，它對上述橫向應(yīng)力的影響是可忽略的(從而不產(chǎn)生雙折射)。不過，只要對外加應(yīng)力的靈敏度與對溫度的靈敏度不同(后面將有更多討論)，則即使上述影響不可忽略本發(fā)明同樣也能很好地工作。
現(xiàn)在參見圖11，只要能使光柵中存在有不相同的橫向形變，如果需要也可以用其他的疊層來替代圖1的疊層。相鄰層10和12的加強(qiáng)絲22的取向?qū)⑷Q于所希望的雙折射大小。具體地說，圖11的模式為
光纖[-45，90，+45，0]。還有，在光纖上方和下方的括號內(nèi)的層組對光纖雙折射有很小的影響。例如，圖11的疊層被做成為在光纖的上方和下方分別有8組這樣的層組，即[其余相同的7組]
光纖[-45，90，+45，0][其余相同的7組]?，F(xiàn)在參見圖1和圖11，人們知道，當(dāng)一個帶有布拉格光柵的光纖被埋入一個結(jié)構(gòu)內(nèi)并用作傳感器時，如前述授權(quán)給Mellz等入的美國專利中所討論的，向光纖21的一端注入一個寬帶的非偏振光30。光柵28反射一個有預(yù)定窄波長帶的返回光32，由此讓其余的波長通過光柵28，如光34所示。返回光32被例如一個光譜分析儀(未示出)所分析，以確定由于光纖所埋藏的結(jié)構(gòu)的形變和溫度變化而造成的波長移動。
現(xiàn)在參見圖12，對于由本發(fā)明的疊層所造成的光柵中的雙折射，我們還發(fā)現(xiàn)光柵28(圖1)的反射率譜在與雙折射相關(guān)的偏振軸方向有兩個特征。具體地說，由于雙折射，光纖光柵28(圖1)呈現(xiàn)出與雙折射所導(dǎo)致的光纖光柵28的第一偏振軸(或偏振態(tài))相關(guān)連的中心波長位在λa處的第一反射率曲線80。還有，中心波長位在λb處的第二反射率曲線82則與雙折射所導(dǎo)致的光纖光柵28的第二或正交偏振軸(或偏振態(tài))相關(guān)連。
反射率曲線80、82各自的峰點(diǎn)反射波長λa。λb之間的波長間距△λ1是光纖光柵28中被誘導(dǎo)的雙折射的一個指示。這樣，當(dāng)寬帶非偏振光30(圖1)入射到光柵28上時，由于光柵28中的雙折射，返回光32的最強(qiáng)強(qiáng)度基本上位在兩個波長λa、λb上，其中λa沿著第一偏振軸偏振，λa沿著第二偏振軸偏振。需要了解，偏振軸的取向不一定與圖1的坐標(biāo)軸23相一致，而是與加在光纖光柵28中的應(yīng)力矢量的方向有關(guān)。
當(dāng)該結(jié)構(gòu)暴露在外部形變和/或溫度之下時，由于光柵28的周期距離(以及光纖芯平均折射率)的改變，兩個峰點(diǎn)正中間的中心波長或平均波長λc將移動到一個新的平均波長λf上，它離λc有一個距離△λ3。同時，兩個波長之間的間距也從△λ1改變?yōu)椤鳓?，其中對應(yīng)于第一偏振軸的反射率曲線80將有一個新的中心波長λd，而對應(yīng)于正交偏振的反射率曲線82將有一個新的中心波長λe。我們發(fā)現(xiàn)，對于上面所討論的疊層，溫度和形變對于平均波長移動△λ3(即λf-λc)的靈敏度不同于它們對于波長峰之間的間距變化△λ2-△λ1的靈敏度。
更具體地說，平均波長的移動△λ3可以由下述公式描述△λ3＝△λshift(△λ移動)＝AT△T＋B∈△∈[公式1]參見圖13和14，我們從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對于圖11的疊層，AT＝9.82×10-3nm/℃，B∈＝1.17×10-3nm/μ∈。
還有，峰點(diǎn)波長間距(或分離)作為溫度和形變的函數(shù)由下述公式確定(△λ2－△λ1)＝△λspacing(△λ間距)＝CT△T＋D∈△∈[公式2]參見圖15，我們從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對于圖11的疊層，當(dāng)溫度為20℃到75℃之間時CT＝-1.44×10-3nm/℃，當(dāng)溫度大于75℃時CT＝-8.53×10-3nm/℃。還有，如圖16(下面另有討論)的曲線的斜率所示，圖11疊層的D∈近似等于零。如果采用不同的材料、疊層、和/或壓固工藝，可能會得到公式1和2中系數(shù)的不同的值。所以，必須進(jìn)行定標(biāo)處理來對給定的疊層、材料和處理組合確定這些系數(shù)。
這樣，一般來說，本發(fā)明提供了用于解出上述兩個方程(公式1和2)中的兩個未知量(溫度和形變)的兩個獨(dú)立的測量。不過，如果象圖11的疊層那樣D∈可以忽略，則△λspacing直接正比于溫度的變化，因此利用前面所指出的系數(shù)CT的值就可以僅僅通過測量波長間距的變化來得到溫度值。然而，如果D∈不近似等于零，則可以通過把關(guān)于峰點(diǎn)波長間距對形變的數(shù)據(jù)曲線擬合成一個作為溫度T的函數(shù)的公式來得到系數(shù)CT，然后便可以利用已知的技巧來解兩個方程(公式1和公式2)，以同時解出溫度和形變兩者。如果需要，也可以用其他已知技巧來減少圖13-16的數(shù)據(jù)。
此外，應(yīng)該了解，光纖21(圖1)必須與結(jié)構(gòu)8的包圍層10-20緊密地連結(jié)。
雖然上面本發(fā)明是利用圖1和11的準(zhǔn)各向同性疊層來說明的，但應(yīng)該了解，只要在光纖21的X軸方向和Y軸方向上的應(yīng)力是不同的(兩個橫方向上的應(yīng)力不同)，從而能在光柵28中產(chǎn)生所需的折射，則也可以采用任何的疊層加強(qiáng)絲22的結(jié)構(gòu)。如前面所討論的，可以采用對稱疊層來抵消跨越整個裝置的應(yīng)力，以由此避免結(jié)構(gòu)的卷曲。
現(xiàn)在參見圖17，區(qū)域40不一定要有圖3所示的眼睛形狀，它可以具有任意能讓光纖中在有這種不相等橫向應(yīng)力的形狀。對于本發(fā)明來說只要做到下述幾點(diǎn)就足夠了有一個能在光纖上施加如箭頭90所示的垂直(Y軸)力的介質(zhì)M1和一個能自身或者與M1一起施加如箭頭92所示的基本正交(X軸)的力的介質(zhì)M2；沿92所施加的力不等于沿90所施加的力；以及這個力的差值隨溫度而變化。還有，光纖上方的介質(zhì)94不一定要與光纖下方的介質(zhì)96相同。再有，介質(zhì)M1不一定要由加強(qiáng)絲和樹脂構(gòu)成，介質(zhì)M2不一定要由樹脂構(gòu)成。例如，介質(zhì)M2實(shí)際上可以是一種非固體介質(zhì)，例如氣體或液體。
還有，必須了解，需要存在有雙折射的地區(qū)僅僅是在光柵28(圖1)之中，傳感就是在那里發(fā)生的(也即，傳感不是發(fā)生于沿著光纖的其他地點(diǎn))。因?yàn)橛袃缮喜煌墓獠ㄩL從光柵返回，所以由于光纖21的其他部位中缺乏雙折射而不會妨礙對這兩個波長的探測。不過，對于最大信號強(qiáng)度來說，光纖(包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu))必須是保偏振的并且在結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)該適當(dāng)?shù)厝∠?。對于圖1和11的實(shí)施例，位在結(jié)構(gòu)內(nèi)的整段光纖21都與光柵區(qū)一樣受到同樣的不相等剩余橫向應(yīng)力，所以位在結(jié)構(gòu)內(nèi)的光纖長度上都保持有光纖雙折射。
此外，與前述授權(quán)給Meltz等人的美國專利中所討論的相類似，本發(fā)明也可用多個互相串連的光柵來實(shí)施。再有，如前述授權(quán)給Meltz等人的美國專利中所說明的，也可按透射而不是按反射來進(jìn)行測量。在該情形下，所測量的返回光是透過光柵的光而不是從光柵反射的光，所以，這時測量的是透射波長的谷點(diǎn)而不是反射波長的峰點(diǎn)。需要了解，透射光只不過是反射光的互補(bǔ)物。所以同樣的光柵可以適用于這兩種模式中的任意一種(或者同時適用于這兩種模式)。
還有，也可以使用任何其他在不相等橫向剩余應(yīng)力作用下呈現(xiàn)有雙折射特性的反射元件來替代布拉格光柵。再有，也可以使用任何光學(xué)波導(dǎo)來代替光纖21向光柵28或從光柵28傳送光。此外，光柵(或反射元件)28可以埋藏在任何形式的光學(xué)波導(dǎo)，例如薄膜器件，之中。
還有，雖然上面是相對于光纖21的縱軸來討論相鄰加強(qiáng)絲的取向的，但應(yīng)該了解，因?yàn)閷τ诒景l(fā)明來說重要的是光柵中的雙折射，所以上述的取向只需要是相對于光柵(或其他反射元件)的縱軸來說的。
再有，也可以使用雙折射光纖來替代在被埋入本發(fā)明的結(jié)構(gòu)之前不具有雙折射的光纖。在該情形下，由本發(fā)明所誘導(dǎo)出的雙折射可以加在光纖原有的雙折射上或從其中減去。
再有，如果需要，可以在結(jié)構(gòu)中使用不止一根光纖。另外，本發(fā)明可以用作一種設(shè)計(jì)埋藏有光纖的結(jié)構(gòu)的技術(shù)，以制造含有這種疊層的小型“貼補(bǔ)”式傳感器，它們被結(jié)合到另外的結(jié)構(gòu)上以獨(dú)立地探測另外結(jié)構(gòu)的溫度和/或形變。
再有，也可以對每一層用沿二維方向編織的加強(qiáng)絲來替代每一層中的加強(qiáng)絲互相平行的結(jié)構(gòu)，也就是說，只要在光纖橫截面上存在有不相等的互相垂直的橫向熱脹系數(shù)，加強(qiáng)絲便可以沿層面內(nèi)的至少兩個方向延伸?；蛘?，也可以采用三維編織結(jié)構(gòu)，只要能在光柵28中導(dǎo)入相交叉的橫向應(yīng)力，加強(qiáng)絲便可以既在層面內(nèi)沿兩個方向延伸，同時又在各層之間穿越。
雖然本發(fā)明的說明中使用了含有加強(qiáng)絲和位在它們之間的樹脂的層，但使用任何能夠使得在光纖橫截面上存在有不相同的互相垂直的凈橫向熱脹系數(shù)的組合也同樣可以使本發(fā)明很好地工作。
還有，本發(fā)明也可以采用一組安排成法卜里-白洛諧振腔或者利用雙折射布局的激光腔的兩個或多個反射元件，例如像待審的美國專利申請，流水號No.08/069,231，標(biāo)題“Active Multipoint Fiber Laser Sensor(主動式多點(diǎn)光纖激光傳感器)”中所討論的那樣，其中所有的雙折射或部分雙折射是由本發(fā)明方法所誘導(dǎo)的。
表1圖10曲線的數(shù)據(jù)角度波長間距 歸一化(雙折射)相對直徑(μm)de-df(度) △λ(ne) 波長間距 dedf(de-df)max90 0.61.00 1404130 1.0045 0.47 0.78 1092130 0.760 0.06 0.01130130 0
權(quán)利要求
1.一種埋藏式光學(xué)傳感器，它包括一個光學(xué)波導(dǎo)，用來限制入射光和返回光；至少一個設(shè)置在上述波導(dǎo)內(nèi)的上述入射光光路中的反射元件，它反射一部分的上述入射光，上述反射元件有一個第一橫向軸和一個垂直于上述第一橫向軸的第二橫向軸，上述第一和上述第二橫向軸都垂直于一個縱軸；橫向應(yīng)力裝置，用來向上述反射元件加力，以在上述反射元件中產(chǎn)生不相等的橫向應(yīng)力；上述不相等的橫向應(yīng)力在上述反射元件中產(chǎn)生雙折射，并且上述不相等的橫向應(yīng)力隨著溫度變化而變化，由此使上述雙折射也隨溫度變化；上述雙折射引起與上述反射元件的一個第一偏振軸相關(guān)連的上述反射元件的第一峰點(diǎn)反射波長和與上述反射元件的一個第二偏振軸相關(guān)連的上述反射元件的第二峰點(diǎn)反射波長；波長間距是上述第一峰點(diǎn)和上述第二峰點(diǎn)之間的波長差，平均波長是上述第一峰點(diǎn)和上述第二峰點(diǎn)正中間的波長；以及上述波長間距對溫度和形變的靈敏度與上述平均波長對溫度和形變的靈敏度不同，由此用上述反射元件可以允許溫度和形變兩者的測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述橫向應(yīng)力裝置包括一個包圍著上述反射元件的組合結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述組合結(jié)構(gòu)包括一些相對于上述反射元件有預(yù)定取向的加強(qiáng)絲和使上述結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的結(jié)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述加強(qiáng)絲具有一個第一熱脹系數(shù)，位在上述加強(qiáng)絲之間的上述結(jié)合材料具有一個與上述第一熱脹系數(shù)不同的第二熱脹系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的埋藏式光學(xué)傳感器，其中相鄰于上述反射元件的上述加強(qiáng)絲沿著不平行于上述反射元件的上述縱軸的方向取向。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的埋藏式光學(xué)傳感器，其中相鄰于上述反射元件的上述加強(qiáng)絲沿著垂直于上述反射元件的上述縱軸的方向取向。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述各加強(qiáng)絲環(huán)繞著上述反射元件形成一個空間，該空間沿著上述第二橫向軸比沿著上述第一橫向軸有較大的體積。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述空間具有一個眼睛的形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述組合的結(jié)構(gòu)包括多個層，每一層都包括一些上述加強(qiáng)絲和上述結(jié)合材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述各層的每一層都具有不相等的互相垂直的凈面內(nèi)熱脹系數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述反射元件被位在上述反射元件上方的4個上述層和位在上述反射元件下方的4個上述層所包圍。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的埋藏式光學(xué)傳感器，其中至少一個上述層的加強(qiáng)絲與其他上述層中的加強(qiáng)絲沿著不同的方向取向。
13.根據(jù)權(quán)利要求3的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述結(jié)合材料是一種聚合物填料。
14.根據(jù)權(quán)利要求3的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述加強(qiáng)絲由石墨做成。
15.根據(jù)權(quán)利要求3的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述加強(qiáng)絲包括石墨繩。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述波導(dǎo)是一種光纖。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述反射元件是一個布拉格光柵。
18.一種埋藏式光學(xué)傳感器，它包括一個光學(xué)波導(dǎo)，用來限制入射光和返回光；至少一個設(shè)置在上述波導(dǎo)內(nèi)的上述入射光光路中的反射元件，它反射一部分的上述入射光，上述反射元件有一個第一橫向軸和一個垂直于上述第一橫向軸的第二橫向軸，上述第一和第二橫向軸都垂直于一個縱軸；環(huán)繞著上述反射元件的多個層，它們形成一個層狀結(jié)構(gòu)；每一個上述層以這樣的方式來取向并由這樣的材料所組成；使得當(dāng)它們層壓在一起之后上述各層將對上述反射元件加力，從而在上述反射元件中產(chǎn)生不相等的橫向應(yīng)力；上述不相等的橫向應(yīng)力在上述反射元件中產(chǎn)生雙折射，并且上述不相等的橫向應(yīng)力隨著溫度變化而變化，由此使上述雙折射也隨溫度變化。上述雙折射引起與上述反射元件的一個第一偏振軸相關(guān)連的上述反射元件的第一峰點(diǎn)反射波長和與上述反射元件的一個第二偏振軸相關(guān)連的上述反射元件的第二峰點(diǎn)反射波長；波長間距是上述第一峰點(diǎn)和上述第二峰點(diǎn)之間的波長差，平均波長是上述第一峰點(diǎn)和上述第二峰點(diǎn)正中間的波長；以及上述波長間距對溫度和形變的靈敏度與上述平均波長對溫度和形變的靈敏度不同，由此用上述反射元件可以允許溫度和形變兩者的測量。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的埋藏式光學(xué)傳感器，其中每一個上述層具有不相等的互相垂直的凈面內(nèi)熱脹系數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述多個層包括一些相對于上述反射元件有預(yù)定取向的加強(qiáng)絲和使上述多層結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的結(jié)合材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述加強(qiáng)絲具有一個第一熱脹系數(shù)，位在上述加強(qiáng)絲之間的上述結(jié)合材料具有一個與上述第一熱脹系數(shù)不同的第二熱脹系數(shù)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的埋藏式光學(xué)傳感器，其中相鄰于上述反射元件的上述加強(qiáng)絲沿著不平行于上述反射元件的上述縱軸的方向取向。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的埋藏式光學(xué)傳感器其中相鄰于上述反射元件的上述加強(qiáng)絲沿著垂直于上述反射元件的上述縱軸的方向取向。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述各加強(qiáng)絲環(huán)繞著上述反射元件形成一個空間，該空間沿著上述第二橫向軸比沿著上述第一橫向軸有較大的體積。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述空間具有一個眼睛的形狀。
26.根據(jù)權(quán)利要求18的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述反射元件被位在上述反射元件上方的4個上述層和位在上述反射元件下方的4個上述層所包圍。
27.根據(jù)權(quán)利要求20的埋藏式光學(xué)傳感器，其中位在上述反射元件上方的至少兩個上述層的上述加強(qiáng)絲沿著不同的方向取向。
28.根據(jù)權(quán)利要求20的埋藏式光學(xué)傳感器其中上述結(jié)合材料是一種聚合物填料。
29.根據(jù)權(quán)利要求20的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述加強(qiáng)絲由石墨做成。
30.根據(jù)權(quán)利要求20的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述加強(qiáng)絲包括石墨繩。
31.根據(jù)權(quán)利要求18的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述波導(dǎo)是一種光纖。
32.根據(jù)權(quán)利要求18的埋藏式光學(xué)傳感器，其中上述至少一個反射元件是一個布拉格光柵。
全文摘要
一種埋藏式光學(xué)傳感器含有多個層(10-20)和一個設(shè)置在層(14，16)之間的帶有一個光纖光柵(28)的光纖(21)。層(10-20)包括有一些加強(qiáng)絲(22)和具有不同熱脹系數(shù)的樹脂(24)，并且各加強(qiáng)絲(22)的取向使得能產(chǎn)生通過圍繞著光柵(28)的高于樹脂的區(qū)域的幾何形狀而作用于光纖(21)中的光柵(28)上的不相等的橫向剩余應(yīng)力。這些不相等的橫向剩余應(yīng)力在光柵(28)中誘導(dǎo)起雙折射，由此使光柵(28)反射兩個有預(yù)定間距的波長的光(32)，其中每個波長的光沿著不同的偏振軸偏振。波長間距與該間距中間的平均波長對溫度和形變有不同的靈敏度。由此可以只使用單個光柵來進(jìn)行獨(dú)立的溫度測量和形變測量。當(dāng)相鄰層(10、12)的加強(qiáng)絲(22)相對于光纖(21)的縱軸(Z軸)成90度地取向時，雙折射達(dá)到最大。
文檔編號G01L1/24GK1144000SQ95192033
公開日1997年2月26日 申請日期1995年3月8日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月8日
發(fā)明者杰拉爾德·梅爾茨, 莫羅·瓦拉西, 安東內(nèi)洛·萬努奇, 馬里奧·西尼奧拉齊, 彼得羅·費(fèi)拉羅, 薩巴拉·因塞拉·因帕拉托, 克羅迪奧·博托, 詹姆斯·R·鄧菲 申請人:聯(lián)合技術(shù)公司