专利名称：基于倾斜光纤光栅的新型横向压力传感器及其解调方法
技术领域：
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种基于倾斜光纤光栅的新型光纤 横向压力传感器及解调方法。
背景技术：
光纤布拉格光栅由于其高灵敏度，远距离传感和多传感器复用等优点，已经被 广泛用于大型建筑物，桥梁等结构健康监测。最初需要检测的物理量为沿光纤方向的纵 向应变，而近年来许多应用场合需要检测沿光纤轴向的压力信号，如检测一个弹性体受 压时的内部应力分布或者一个平面所受的垂直压力大�。庑┩吵莆嵯蜓沽�。现有 的基于光纤光栅的横向压力传感器的原理是，光栅受压时由于光纤材料的光弹效应会产 生双折射，使光栅的布拉格波长分裂成两个对应各自偏振态的波长，通过测两分裂布拉 格波长的间隔即可获知所受横向压力的大小。但是由于光纤材料的杨氏模量很大(约 70GPa),传统光纤光栅的横向压力灵敏度都不高。因此有报道提出通过在高双折射光纤 或者带空气孔的光子晶体光纤上刻写光栅的方法，来提高传感器的灵敏度，但其材料始 终都是玻璃，所以增敏效果有限。另一方面，传统的压力传感器只能用于线接触，而一些应用场合需要研究面接 触的压力分布。如在医疗器械中，需要研究轮椅的受压分布对病人的舒适程度的影响； 在工业应用中，需要研究大门的把手被手握的压力分布情况来设计把手的形状。这些应 用场合都需要处理面接触压力，其特点是接触的两个对象的杨氏模量大不相同，一个为 刚体，另一个为弹性体。目前极少有报道能应用于该类面接触的光纤压力传感器。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于倾斜光纤光栅特别涉及了一种基于 倾斜光纤光栅的新型光纤横向压力传感器及解调方法。该传感器能大大提高横向压力测 量的灵敏度，而相应的解调方法不需要精确的波长检测，可以大大缩短测试时间，同时 方便制作，降低系统成本。本发明的技术解决方案如下基于倾斜光纤光栅的新型光纤横向压力传感器及解调方法，其压力传感结构是 将倾斜光纤光栅置于两片具有高折射率的超弹性体之间，两片弹性体再放置于两片玻璃 片之间，横向压力施加在上层玻璃片上，然后被均勻的传递到光纤光栅上。倾斜光纤光 栅受压时，弹性体与光纤的接触角(或面积)增加，相应的其投射谱的包层模耦合减弱。解调装置包括可调激光器，光电探测器，数据采集卡和数据处理单元等。选用 波长范围能覆盖倾斜光栅大部分包层模损耗峰的可调激光器，其光信号通过光电探测器 转化为电信号，数据采集卡与可调激光器同步，从而得到倾斜光栅的透射谱信息。最后 数据处理单元对一定波长范围的数据进行傅立叶变换，得到的强度谱峰值即代表相应的 横向压力大小。
图1是本发明的工作示意图；图2是本发明中倾斜光纤光栅传感器横向压力装置示意图；图3是本发明中传感器受压时光纤与超弹性体接触的几何图；图4是本发明中倾斜光栅传感器输出的透射光谱图实例；图5是本发明中倾斜光栅传感器输出的透射光谱经过傅立叶变换后的强度谱图 实例。
具体实施例方式参照图1，可调激光器(1)发出的光经过倾斜光纤光栅压力传感器(2)，由光电 探测器(3)转化为电信号，然后经数据采集卡(4)送入数据处理单元(5)进行处理。图2所示为倾斜光纤光栅传感器横向压力装置示意图，是将倾斜光纤光栅(8)和 另一具有相同直径和材料的光纤(9)平行的置于两片具有高折射率的超弹性体(6，7)之 间，两片弹性体再放置于两片玻璃片(10，11)之间，横向压力施加在上层玻璃片(10) 上，然后被均勻的传递到传感光纤光栅(8)上。光纤(9)的作用是用于保证压力装置受 压时的平衡，使压力均勻分布在传感光栅(8)上。图3为传感器受压时光纤与超弹性体 接触的几何示意图。光纤与超弹性体的接触面随压力增大而变大，同时倾斜光栅包层模 透射谱随之减弱。图4是倾斜光栅传感器输出的透射光谱图实例，图5是相应的光谱在波长为 1520nm 1580nm范围内数据经过数据处理单元(5)进行傅立叶变换后得到的强度谱图 实例。实例中倾斜光栅倾斜角为10度，长度Icm;所用超弹性体为硅胶，其折射率为 1.4，杨氏模量为20MPa ；玻璃片和硅胶片的尺寸都为2cmX 2cm。图5中主峰(频率为 O.SmtT1)的幅值即代表相应的横向压力大小。由于温度引起的波长变化进行傅立叶变换 后对其幅值影响微�。么衅鞫曰肪澄露缺浠幻舾校扌杞形露炔钩ァ�
权利要求
1.基于倾斜光纤光栅的新型横向压力传感器及其解调方法，其特征在于可调激光 器(1)发出的光经过倾斜光纤光栅压力传感器(2)，由光电探测器(3)转化为电信号，然 后经数据采集卡(4)送入数据处理单元(5)进行处理，可以获得倾斜光纤光栅传感器上所 受的横向压力大小。
2.根据权利要求1所述的倾斜光纤光栅横向压力传感器，其特征在于，所述压力传感 装置通过具有高折射率的超弹性体对倾斜光纤光栅进行施压。超弹性体的折射率范围为 1.4士0.05，其杨氏模量(MPa)远小于光纤的杨氏模量(70GPa)。
3.根据权利要求1所述的新型横向压力传感器及其解调方法，其特征在于，所述可调 激光器具有较大光谱可调范围，带宽约50nm-70mn，能覆盖倾斜光纤光栅的大部分包层 模光谱范围。
4.根据权利要求1所述的新型横向压力传感器及其解调方法，其特征在于，其具体解 调方法为使数据采集卡与可调激光器同步来获得倾斜光纤光栅的投射谱信息，然后数据 处理单元对一定波长范围的信号进行傅立叶变换，其强度谱的峰值即对应着待测横向压 力的大小。
全文摘要
本发明提出了一种基于倾斜光纤光栅的新型横向压力传感器及其解调方法。本设计通过具有高折射率的超弹性体对倾斜光纤光栅进行施压。超弹性体与光纤的接触面积和所承受的压力成比例，进而改变倾斜光纤光栅透射谱的峰峰值，只要选取一部分波长范围内的数据进行快速傅立叶变换即可获得相应的压力。解调装置由可调激光器，光电探测器，数据采集卡和数据处理单元组成。本发明具有成本低廉，响应时间快，制作容易的优点，适合集成化和仪器化，尤其适合面接触压力分布测试的应用场合。
文档编号G01L1/24GK102012290SQ20101050131
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月9日 优先权日2010年10月9日
发明者董新永, 邵理阳, 金尚忠 申请人:中国计量学院
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