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专利名称：一种测量三向压力的光纤布拉格光栅传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于土木工程测试仪器领域，涉及测量三个相互垂直方向上的外部压
力的大小。
背景技术：
目前，利用布拉格衍射原理设计的光纤布拉格光栅(FBG)传感器大量应用于土木 工程中。在边坡工程中，它可以测量坡体滑动产生的位移、应力变化；在桥梁工程中，可以利 用光纤布拉格光栅传感器对桥梁进行健康监测。 光纤布拉格光栅传感器除具有普通光纤传感器的所有优点之外，还具有如下独特 的优点①传感信号是波长调制，测量信号不受光强波动及仪器电磁场的影响；②具有自 参考点，测量的是绝对值；③更容易采用波分复用技术，实现分布式传感；④光栅直接写入 纤芯，其结构简单、稳定性好和插入损耗低，易于实现一维光子集成。 光纤布拉格光栅传感器设计原理简单，造价低廉，能够满足一定的工程测量需要。 但是也有如下不足之处 1)由于这类传感器只有一个光纤布拉格光栅，只能测出单个方向的压力，无法同 时测定地层或结构物中观测点其它方向的压力值，即无法得到观测点的真实应力状态。 2)当测量岩土体压力时，这类压力传感器只有水平放置时才能准确测量岩土体的 位移和应力。当埋设在岩土层中的土压力传感器由于外界因素产生倾斜时，将不能准确测 定岩土体需测方位的位移和应力。 3)此类传感器在非填土状态下埋设时，比如采用钻孔方式埋设时，无论是水平、垂 直或倾斜钻孔，准确地把传感器水平放置在钻孔中将十分困难，导致测量岩土体的位移和 应力时产生较大误差。

实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有光纤布拉格光栅传感器的不足，根据布拉格衍射 原理设计出能够同时测量三个相互垂直方向上外部压力大小的传感器，并且加工方便，结 构简单，造价低廉。 本实用新型可同步测量三个正交方向压力的光纤布拉格光栅传感器，其主要特征 在于 1)外形为立方体结构，由三个工作膜片4和三个非工作膜片8构成，内部由三面正 交的正方形金属隔板21分隔为压力测量工作腔室Cl和集线腔室C2。 2)在压力测量工作腔室Cl内，金属隔板21上设置有三个物理参数及结构相同的 测压光纤布拉格光栅FBG l，可同时测量三个正交方向压力。 3)顶板9为圆盘形或正方形，形心与工作膜片4中心对齐。传力杆3垂直于顶板 9表面，并与顶板9形心对齐。 4)杠杆7固定在杠杆支架6上，杠杆7的一端与传力杆3相接触，另一端与测压FBG l连结。测压FBG 1—端由测压FBG紧固件10夹紧，另一端由杠杆7上的紧固件夹紧。 FBG光纤布拉格光栅沿金属隔板21对角线布置。 5)由于环境温度会对测压FBG 1的测量结果造成误差，在金属隔板21上安装一个 温度补偿FBG 2，其只感受温度的变化，可单独测量出温度的变化，从而可以分离出压力引 起测压FBG 1的变化量。 6)压力测量工作腔室内Cl的三个测压FBG 1和温度补偿FBG 2用光纤引入到集 线腔室C2内，进行光纤的走线布置。 当工作膜片受压力作用时，带动顶板、传力杆和杠杆的一端产生向下的位移，导致 杠杆的另一端产生向上的位移，从而使测压FBG产生拉应变。当一束宽频光源通过测压 FBG时，测压FBG只反射入射光中满足布拉格衍射的光，即光纤光栅响应波长的移动受光栅 周期的变化和折射率改变的影响，通过测量光纤光栅响应波长的移动来测量外界压力的大 小。 由于传感器内部测量元件采用的是光纤，其抗电磁、抗腐蚀能力强，可适应恶劣的 工作环境。压力测量工作腔室C1内的测压FBG和温度补偿FBG用一根光纤连结，因此，可 以采用复用技术，对每个光栅实行波长编码，这样，就可将多个FBG串接起来，实现沿光纤 铺设路径上分布场的测量，从而减少光纤的使用，显著降低系统成本。 本发明可测量三向压力的光纤布拉格光栅传感器中设置有三个FBG(布拉格光
栅)，可同时测出三个正交方向的外部压力，其基本原理是在光纤核心中设置一段纵向折射
率周期性变化排列的光栅，其间周期性折射率改变的光栅间距以A表示，一般常使用如发
光二极管、冷光二极管、半导体激光产生的宽频光源注入光纤中，当其经过光栅时，只有波
长为AB的光会被反射回来(图5)所示， AB = 2nA (1) 式中，n为光纤纤芯的有效折射率。 当光栅受到外力产生应变时，造成原间距为A的改变增量为A A，代入式(1)中 可以得到 A入b = 2n A A (2) 根据应变的定义，有
「 ， A/AA 、 s = : = 7 (3) 得到
<formula>formula see original document page 4</formula>因此，A为折射率周期性改变的间距，有 g _ A/ — AAfl / 、 FBG传感器与传统的电阻量测器最大的不同点，在于光栅的多工特性，并不受限于 传统电子回路一对一信号传输要求，只要在光栅制作时安排不同波长的光栅作用于同一光 纤上，利用足够强度的宽频光源，就可以在同一时间内一次测量数点的应变应力信号。若以 传统的电路排列，需要安置数条电线，且电线之间彼此因为电磁效应会相互干扰，产生噪音信号，影响量测结果的准确性。FBG传感器不但只需要一至两条光纤即可，不占空间，而且由
于没有电磁干扰问题，只要光源足够就可大量串接，可保持较高的精度。 本实用新型的优点在于能够同时独立测量作用在工作膜片上的三个相互垂直方
向上的外部压力。当该传感器应用于测量土层中的压力时，可以不受传感器位置的影响，测
量出土层中观测点位置作用于传感器表面三个垂直方向上的正应力，从而了解观测点处岩
土体或结构物的应力状态。

图1是三向FBG传感器内部构造三维图。
图2是三向FBG传感器集线腔室内部光纤连接图，包括内部光纤始端13 、内部光纤终端14[0033][0034][0035][0036]
图3是三向FBG传感器内部构造正视图。图4是三向FBG传感器工作膜片构造图。图5是FBG构造图。
图中1-测压FBG(光纤布拉格光栅)、2-温度补偿FBG、3-传力杆、4_工作膜片、5-光纤、6-杠杆支架、7-杠杆、8-非工作膜片、9-顶板、10-测压FBG紧固件、ll-光纤支架、12_温度补偿？86紧固件、13-内部光纤始端、14-内部光纤终端、15入射光、16反射光、17全息埋入光栅、18保护层、19光栅间距、21金属隔板。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型。 图1为一种可测量三向压力的光纤布拉格光栅传感器内部构造三维图，金属隔板将传感器内部分隔为压力测量工作腔室C1和集线腔室C2，传感器由三个测压FBG和一个温度补偿FBG组成。 图2为三向FBG传感器集线腔室C2光纤走线图。三向FBG传感器中，三个测压FBG和一个温度补偿FBG均用一条光纤连接。光纤从外部被引入集线腔室C2中，如图2内部光纤始端13。光纤首先串联温度补偿FBG，然后再依次串联三个测压FBG，最后再引出集线腔室C2，如图2内部光纤终端14。 图3为内部构造正视图，测压工作腔室C1的金属隔板上安装有三个设计参数相同的测压FBG。在测量时，立方体工作膜片4与需要测量的压力直接接触。工作膜片4受压力作用发生挠曲变形，并将压力传递给传力杆3。因传力杆3与杠杆7的一端接触，当传力杆3受压力作用产生向下的位移，便引起杠杆7的另一端产生向上的位移，从而使测压FBG 1产生拉应变。当一束宽频光源通过测压FBG 1时，测压FBG 1只反射入射光中满足布拉格衍射的光，即光纤光栅响应波长的移动受光栅周期的变化和折射率的改变的影响，通过测量光纤光栅响应波长的移动来测量外界压力的大小。当传感器内部设置有三个FBG，并按图2进行布置，便可满足同时测量三个正交方向压力的目的。 图4为工作膜片构造图，表明工作膜片4、顶板9、传力杆3之间的相对位置关系。顶板9为圆盘形，形心与工作膜片4中心对齐。传力杆3垂直于顶板9表面，并与顶板9形心对齐。当外部压力作用于工作膜片4时，工作膜片4产生向内的变形，其中心处的变形量均匀地传递给顶板9，进而通过传力杆3将变形量传递给杠杆7。 图5为FBG构造图，说明FBG(光纤布拉格光栅)的工作原理。当一束宽频光源通过FBG时，全息埋入光栅17只反射入射光15中满足布拉格衍射的光。当外界压力、温度等因素引起的变形，导致全息埋入光栅17的光栅间距19发生变化，便造成全息埋入光栅17响应波长的移动。通过测量响应波长的移动来测量外界压力或温度的大小。[0043] 在一种可测量三向压力的光纤布拉格光栅传感器的制造过程中，首先在金属隔板21上安装三个测压FBG(光纤布拉格光栅)。根据金属隔板上光纤5的通过位置先打上小孔，然后将杠杆支架6、光纤支架11和测压FBG紧固件10通过焊接或螺栓连接安装在金属隔板上。杠杆支架6上的杠杆7事先已安装好。最后再放置带有测压FBG l的光纤5。当金属隔板上的三个FBG都安装好后，再安装温度补偿FBG 2。安装温度补偿FBG 2时，先安装温度补偿FBG紧固件12，然后放置带有温度补偿FBG2的光纤。 带有三个测压FBG的金属隔板制作好后，将其与三块非工作膜片8焊接在一起。另外三块带有顶板9和传力杆3的工作膜片4事先制作好。最后，通过焊接或螺栓将其合并为一个整体。 制作好的可测量三向压力的光纤布拉格光栅传感器用于同时测量传感器埋设处的岩土体或结构物三个正交方向的应力状态，适用于公路、建筑、矿业等部门。本实用新型加工方便，结构简单，造价低廉。
权利要求一种测量三向压力的光纤布拉格光栅传感器，包括测压光纤布拉格光栅FBG(1)、温度补偿FBG(2)、传力杆(3)、工作膜片(4)、光纤(5)、杠杆支架(6)、杠杆(7)、非工作膜片(8)、顶板(9)、测压FBG紧固件(10)、光纤支架(11)、温度补偿FBG紧固件(12)、金属隔板(21)，其特征在于1)外形为立方体结构，由三个工作膜片(4)和三个非工作膜片(8)构成，内部由三面正交的正方形金属隔板(21)分隔为压力测量工作腔室C1和集线腔室C2；2)在压力测量工作腔室C1内，金属隔板(21)上设置有三个物理参数及结构相同的测压光纤布拉格光栅FBG(1)，同时测量三个正交方向压力；3)顶板(9)为圆盘形或正方形，形心与工作膜片(4)中心对齐，传力杆(3)垂直于顶板(9)表面，并与顶板(9)形心对齐；4)杠杆(7)固定在杠杆支架(6)上，杠杆(7)的一端与传力杆(3)相接触，另一端与测压FBG(1)连结，测压FBG(1)一端由测压FBG紧固件(10)夹紧，另一端由杠杆(7)上的紧固件夹紧，测压FBG(1)沿金属隔板(21)对角线布置。
2. 如权利要求1所述的测量三向压力的光纤布拉格光栅传感器，其特征在于所述金 属隔板(21)上还安装一个温度补偿FBG(2)。
3. 如权利要求1所述的测量三向压力的光纤布拉格光栅传感器，其特征在于压力测 量工作腔室C1内的三个测压FBG(l)和温度补偿FBG(2)用同一条光纤(5)连结，引入到集 线腔室C2内。
专利摘要一种测量三向压力的光纤布拉格光栅传感器，属于土木工程测试仪器领域。本实用新型外形为立方体结构，内部由三面正交的正方形金属隔板分隔为压力测量工作腔室C1和集线腔室C2；在压力测量工作腔室C1内，金属隔板上设置有三个物理参数及结构相同的测压FBG(光纤布拉格光栅)，同时还装有一个温度补偿FBG。当压力作用于工作膜片上时，工作膜片挠曲变形后将压力传递给传力杆。传力杆产生向下的位移，从而使测压FBG产生拉应变。当一束宽频光源通过测压FBG时，测压FBG只反射入射光中满足布拉格衍射的光，通过测量光纤光栅响应波长的移动来测量外界压力的大小。本实用新型可用于同时测量传感器埋设处岩土体或构筑物三个正交方向的应力状态，适用于公路、建筑、矿业等部门。本实用新型加工方便，结构简单，造价低廉。
文档编号G01L1/24GK201532269SQ20092024711
公开日2010年7月21日 申请日期2009年11月23日 优先权日2009年11月23日
发明者吴顺川, 周喻 申请人:北京科技大学