[实用新型]一种温度、应变同时测量光纤光栅传感器

说明书

一、技术领域

本实用新型涉及光纤传感器，尤其是光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器。

二、技术背景

光纤光栅作为新型传感元件，具有许多其它传感器无法比拟的优点：全光测量，在监测现场无电气设备，不受电磁及核辐射干扰；以反射光的中心波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响；绝对量测量，使用寿命长等等。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，它与光栅发生耦合作用，光栅对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回；其余宽带光则直接透射过去。反射回的窄带光的中心波长值(也叫Bragg波长)为：

λ_B＝2n_effΛ

上式中，n_eff为FBG的有效反射系数，Λ为FBG的相邻两个栅隔之间的几何距离。

温度和应变变化引起的光栅返回波长变化量为：

Δλ_B＝λ_B(1-P_e)Δε_FBG+λ_B*ξ*ΔT        (1)

其中，P_e(≈0.22)是光栅的弹光常数，ξ是光栅的热光系数，Δε_FBG是光栅的应变变化，ΔT是环境温度变化量。

光纤光栅应变传感器在桥梁、土木等行业已广泛使用。由于光纤光栅对温度和应变同时敏感，所以在测量应变时，有必要知道环境的温度变化情况。

三、实用新型内容

本实用新型提供的是一种温度、应变同时测量的光纤光栅传感器，包括两根光栅、一根宽棒、一根窄棒和一根杆组成，在所述杆上固定所述的两根棒，所述光栅中的一根固定于所述两根棒之间，所述光栅中的另一根固定在所述杆与所述宽棒之间。

现场安装时，先将两根棒固定到待测应变的物体。然后，松开杆和窄棒的固定。这样，当待测应变发生变化时，两棒之间的光栅的返回波长就相应发生变化；当温度发生变化是，两根光栅的返回波长都相应变化。因此，通过数据处理，就能得出环境的温度变化和应变变化。该传感器结构简单，使用方便。

四、附图说明

附图1是两根的棒固定到杆上的正面剖视图。

附图2是两根的棒固定到杆上的底面视图。

附图3是固定光纤光栅的结构示意图。

附图4是在待测应变物体上加螺钉的结构示意图。

附图5是传感器安装完成后的结构示意图。

其中，1为宽棒，2为窄棒，3为杆，4为与待测应变物体偶合的螺钉孔，5为光栅，6为待测应变物体，7为固定在待测应变物体上的螺钉。

五、具体实施方案

下面结合举例对本实用新型做更详细的描述：

该传感起主要以下部分组成：两根光栅、一根宽棒、一根窄棒和一根杆组成。两根棒和杆的形状如附图1和附图2所示，杆的下部带有一块凸起的方块，两根棒上都有一个与待测应变物体偶合的螺钉孔。在杆上固定两根棒。一根光栅固定于两根棒之间，另一根光栅固定在杆与宽棒之间。固定光栅时，根据设计需要的测量区间，设置其预松长度或预拉应变。

现场安装时，在待测应变的物体上通过焊接、胶粘等方式固定两个螺钉座，如图4所示。然后将传感器固定到待测应变物体，松开杆和窄棒的固定点，完成安装，如图5所示。

光栅的固定，可以用胶粘、金属化后焊接等方式；棒和杆之间、棒和待测应变物体之间的固定可以用螺钉、胶粘等方式；设置光纤光栅的预松长度和预拉应变的方法可以采用条孔、拉伸平台等结构实现。

通过设置两棒的热膨胀系数和其间的光栅长度，可实现自动温度补偿的应变测量，如专利200810104456.7所示。通过设置宽棒和杆的长度、热膨胀系数和其间光栅长度，可实现不同温度灵敏度的测量。

为了对传感器进行保护，可以通过加保护罩、缩小两根棒之间的距离和在棒上开内嵌槽等方式。