专利名称：温度自动补偿的光纤光栅压强传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种传感器，特别是能够对液体和气体的压强进行高精度感测，并具有温度自动补偿功能的传感器。
背景技术：
光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中形成的一种空间周期性折射率分布，这种结构可以改变和控制光波在光纤中的传播行为。光纤光栅传感器是通过对光纤光栅的特殊封装使其对待测参量敏感，并通过光纤光栅波长的变化来感测待测参量的大小及方向。将光纤光栅传感器阵列化并与波分复用和时分复用系统相结合，将其埋入材料和结构内部或贴装在其表面，可对材料的特性(如温度、应变、压力、位移、速度、加速度等)实现多点监测。若将其放置于液体或气体之中，亦可感测液压与气压。这种传感器阵列已被广泛应用于建筑结构、航天航空、海洋探测及科学研究等诸多领域，是一种新颖的无损检测技术。
本实用新型是一种新型的温度自动补偿光纤光栅压强传感器，检索结果表明，目前尚没有采用不同聚合物分段封装的方式，来实现温度自动补偿的光纤光栅压强传感器的专利报导。
发明内容
本实用新型的目的旨在设计出一种新型的温度自动补偿光纤光栅压强传感器，并可应用于各种液体和气体的压强测量。其技术方案是首先选定两种力学性质不同而热学性质基本相同的聚合物；然后，将光纤光栅封装于盛在金属圆筒内的两种聚合物交界面的两侧，并使光纤光栅在两种聚合物中的封装长度尽量相同，金属圆筒的两端开口(或一端封闭而另一端开口)。
感测原理是当金属圆筒放置于待测液体或气体中时，金属圆筒两端的聚合物受到沿其轴向的压力而产生压强，使封装在金属圆筒内的光纤光栅沿轴向产生应变，从而导致封装于两种聚合物中的光栅周期发生变化，于是通过光探测器(波长计或光谱仪)可得到光纤光栅的两个反射峰。通过测量两个反射峰的变化量，即可实现温度自动补偿的液压及气压的高精度感测。
这种温度自动补偿的光纤光栅压强传感器，它包括传感头及测量部分。传感头的构成选定两种不同的聚合物(3、4)，将光纤光栅的两部分(1、2)封装于盛在金属圆筒(6)内的两种聚合物交界面的两侧，并使光纤光栅在两种聚合物中的封装长度尽量相同，金属圆筒的两端开口，构成传感头；传感器的连接方式光纤耦合器(或环行器)(7)一侧的两根光纤，一根连接封装的光纤光栅(2)，另一根置入匹配液(8)；而光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源(9)，另一根接光探测器(10)。
封装光纤光栅的两种不同的聚合物，它们的力学性质不同而热学性质基本相同。
由光纤光栅传感原理可知，若将该传感器置于待测液体或气体之中，金属圆筒中沿轴向所受的液压或气压以及温度变化，均会引起两种聚合物界面两端的光纤光栅(FBG1和FBG2)的波长漂移，其波长相对漂移量与所受的压强和外界温度的关系如下Δλ1λ0=KP1P+KT1ΔT]]>(对封装光栅FBG1) (1)Δλ2λ0=KP2P+KT2ΔT]]>(对封装光栅FBG2) (2)其中KP1、KP2分别是光纤光栅封装部分FBG1和FBG2的压强灵敏度，KT1和KT2分别是FBG1和FBG2的温度灵敏度，λ0是整个光纤光栅FBG的自由布喇格波长。若选定用于封装光纤光栅的两种聚合物，其力学性质不同而温度膨胀系数基本相同，定义Δλ12/λ0＝(Δλ1-Δλ2)/λ0，则由(1)和(2)式可得到Δλ12λ0=(KP1-KP2)P=KPP]]>(对整个封装的光栅) (3)其中压强系数KP＝-[(1-Pe)(1-2μ)(E2-E1)]/E1E2，E1和E2分别为聚合物1和聚合物2的杨氏模量，μ和Pe分别为泊松比和有效弹光系数。
由(3)式可知，波长差Δλ12与压强P的函数关系与温度无关，因此，采用本实用新型可实现对液体和气体的高精度、温度自动补偿的压强感测。
本实用新型的有益效果是，传感基质仅为一根光纤布喇格光栅，不仅可以感测液体和气体的压强，还具有温度自动补偿功能，结构简洁，易于系统集成。
图1是温度自动补偿的光纤光栅压强传感器传感头结构图。
图2是本实用新型的测量装置图。
图3是本实用新型测量液体压强的典型测量值。
其中1.光纤光栅(部分1，FBG1)，2.光纤光栅(部分2，)3.聚合物1，4.聚合物2，5.单模光纤，6.金属圆筒，7.光纤耦合器，8.匹配液，9.光源，10.光探测器。
具体实施方式
图1是温度自动补偿的光纤光栅压强传感器传感头结构图。
传感头的构成选定两种不同的聚合物(3、4)，将光纤光栅的两部分(1、2)封装于盛在金属圆筒(6)内的两种聚合物交界面的两侧，并使光纤光栅在两种聚合物中的封装长度尽量相同，金属圆筒的两端开口，构成传感头；传感器的连接方式光纤耦合器(7)一侧的两根光纤，一根连接封装的光纤光栅(2)，另一根置入匹配液(8)；而光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源(9)，另一根接光探测器(10)。
封装光纤光栅的两种不同的聚合物，它们的力学性质不同而热学性质基本相同。
光纤光栅为玻璃或塑料的光纤布喇格光栅，封装在两种不同聚合物中的光纤光栅长度尽量相等；光纤为单模光纤；光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器。
金属圆筒可以是横截面为矩形或其它对称结构的金属筒。
光源是宽带光源或可调谐光纤激光器；光探测器是光纤光谱仪或多波长计。
传感器的工作环境温度是-20℃～70℃之间。压强感测为液体压强感测或气体压强感测。
实施例在图2中，光纤耦合器(7)一侧的两根光纤，一根连接封装的光纤光栅(2)，另一根置入匹配液(8)；而光纤耦合器(7)另外一侧的两根光纤，一根接光源(9)，另一根接光探测器(10)。选择光纤光栅长度为12mm，布喇格自由波长为1551.48nm，峰值反射率为98％，谱宽为0.26nm。用于封装的聚合物分别为两种温度膨胀系数基本相同而力学性质不同的有机材料，它们的杨氏模量分别为E1＝2.5×109Nm-2和E2＝3.5×109Nm-2。金属圆筒为铝制材料，长度为30mm，直径为11mm，厚度为2.5mm。封装时尽量使FBG1和FBG2的长度一致，各占光栅总长度的一半。经测试，封装后的光纤光栅布喇格波长为1551.35nm。在-20℃～70℃之间，对该传感器进行了液压和气压的传感测量，压强灵敏度测量值为-2.67×10-5MPa-1，是裸光纤光栅压强灵敏度值的13.5倍，如图3所示。并且，在上述温度范围内，用测量精度为0.1nm的光谱仪进行对比测量表明，温度变化对压强测量结果的影响可忽略。
在实际应用中，选择用于封装光纤光栅的两种聚合物的力学性质差异越大，其压强灵敏度则会提高得越多。并且，通过光电转换器将光信号转换为电信号，再用计算机进行数据处理，则对压强感测的灵敏度提高大有益处。
权利要求1.一种温度自动补偿的光纤光栅压强传感器，包括传感头及测量部分，其特征在于选定两种不同的聚合物(3、4)，将光纤光栅的两部分(1、2)封装于盛在金属圆筒(6)内的两种聚合物交界面的两侧，并使光纤光栅在两种聚合物中的封装长度尽量相同，金属圆筒的两端开口，构成传感头；传感器的连接方式光纤耦合器(7)一侧的两根光纤，一根连接封装的光纤光栅(2)，另一根置入匹配液(8)；而光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源(9)，另一根接光探测器(10)。
2.根据权利要求1所述的温度自动补偿的光纤光栅压强传感器，其特征在于所述的封装光纤光栅的两种不同的聚合物，它们的力学性质不同而热学性质基本相同。
3.根据权利要求1所述的温度自动补偿的光纤光栅压强传感器，其特征在于所述的光纤光栅为玻璃或塑料的光纤布喇格光栅，封装在两种不同聚合物中的光纤光栅长度尽量相等。
4.根据权利要求1所述的温度自动补偿的光纤光栅压强传感器，其特征在于所述的光纤为单模光纤。
5.根据权利要求1所述的温度自动补偿的光纤光栅压强传感器，其特征在于所述的光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器；所述的光环行器是三端口或四端口光环行器。
6.根据权利要求1所述的温度自动补偿的光纤光栅压强传感器，其特征在于所述的金属圆筒可以是横截面为矩形或其它对称结构的金属筒，其两端既可全开口，亦可一端封闭而另一端开口。
7.根据权利要求1所述的温度自动补偿的光纤光栅压强传感器，其特征在于所述的光源是宽带光源或可调谐光纤激光器；所述的光探测器是多波长计或光纤光谱仪。
8.根据权利要求1所述的温度自动补偿的光纤光栅压强传感器，其特征在于所述的的工作环境温度是-20℃～70℃之间。
专利摘要本实用新型涉及一种光纤光栅传感器，特别是能够对液体和气体的压强进行高精度感测，并具有温度自动补偿功能的传感器。选定两种力学性质不同而热学性质基本相同的聚合物，将光纤光栅封装于盛在金属圆筒内的两种聚合物交界面的两侧，构成传感头。将传感头与测量装置连接，构成传感器。当金属圆筒置于待测液体或气体中时，金属圆筒两端的聚合物受到压力而产生压强，使封装在金属圆筒内的光纤光栅产生应变，导致两种聚合物中的光栅周期发生变化，通过光探测仪或波长计可得到光纤光栅的两个反射峰，测量两个反射峰的变化量，即可实现温度自动补偿的液压及气压的感测。该传感器可应用于各种液体和气体的压强测量，亦可用于微弱振动的测量。
文档编号G01L19/04GK2786586SQ20032011239
公开日2006年6月7日 申请日期2003年11月26日 优先权日2003年11月26日
发明者张伟刚, 开桂云, 董孝义 申请人:南开大学
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