[发明专利]基于光纤光栅的应力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅的应力传感器。

背景技术

在煤矿、油井、气田、核能等场合，力值测量是基本的检测项目之一，其中基于光纤光栅的应力传感器以其具有耐腐蚀、抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、可分布式测量等特性在这些场合中被广泛应用。在基于光纤光栅的应力传感器中，光纤光栅是其中十分重要的部件，所谓光纤光栅是指利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。其中光纤光栅具有类似应变片的作用，具有很高的灵敏度。其中光纤光栅包括：均匀光纤光栅、均匀长周期光纤光栅、切趾光纤光栅、相移光纤光栅等。目前，对光纤光栅设置于悬臂梁之类的弹性体时经常出现的现象是：由于光栅与弹性体的耦合不匹配，导致应变分布不均匀，例如悬臂梁在受力时将会产生挠度，挠度会增大光栅的不均匀性，而应变分布不均匀将会导致光纤光栅产生啁啾效应，即反射峰中心波长会出现上下摆动状况。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于光纤光栅的应力传感器，具有温度自补偿和遏制啁啾效应的作用。

本发明提供了一种基于光纤光栅的应力传感器，包括：光纤光栅和弹性体，所述光纤光栅包括：至少一组光栅对，所述光栅对由两根结构相同或相似的光纤光栅组成，所述两根光纤光栅均采取两端粘贴的方式固定于所述弹性体上，且所述两根光纤光栅在所述弹性体上的设置方式使：当所述弹性体受外界应力作用时，其中一根光纤光栅产生拉伸作用，另一根光纤光栅产生对应的压缩作用。

进一步，所述两根光纤光栅均先预紧，然后两端粘贴于所述弹性体上。

进一步，所述弹性体为悬臂梁、柱式结构、筒式结构或环式结构。

进一步，所述弹性体为悬臂梁时，所述两根光纤光栅分别设置在所述悬臂梁的上、下表面。

进一步，所述悬臂梁的中间设有至少一圆孔。

进一步，所述悬臂梁的中间设有双圆孔。

进一步，还包括：耦合器、环形器、激光器和光栅分析模块，所述应力传感器的光路为：从所述激光器发出的光顺序经过所述环形器、耦合器进入所述光栅对中的光纤光栅产生中心波长随外界应力变化而变化的反射波长，所述反射波长再顺序通过所述耦合器、环形器进入所述光栅分析模块进行分析得到应力数字信号。

进一步，所述光栅分析模块包括：准直镜、色散单元、聚光透镜、探测单元、控制电路、数字信号处理器DSP和存储器，分别依次用于对输入的光信号进行准直、色散、聚光、探测、控制、数字信号处理和存储。

进一步，所述色散单元采用透射式全息体相位衍射光栅VPHG，所述探测单元采用线阵铟砷化镓PIN二极管光电探测阵列。

本发明的有益效果：

将光纤光栅组织成光栅对，并将光栅对粘贴于弹性体上使弹性体受外界应力作用时，光栅对中的两根光纤光栅中一根产生拉伸作用，另一根产生相应的压缩作用，因两光纤光栅产生相反的波长移动方向从而起到温度自补偿，同时由于光纤光栅采用两端粘贴的方式具有遏制啁啾效应的作用。

另外，光纤光栅采取先预紧，然后两端粘贴于弹性体上的方式时，具有非常好的遏制弹性体应变不均匀而带来的反射波长的啁啾效应的作用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明提供的基于光纤光栅的应力传感器的实施例的结构示意图。

如图2是光纤对安装于悬壁梁时的安装示意图。

如图3（a）至（c）是常见的几种常见弹性体的光纤光栅粘结简图。

图4是光栅分析模块的实施例的结构示意图。

图5是悬臂梁受力变形示意图。

图6是光栅对安装于悬臂梁后的示意图。

具体实施方式

请参考图1，是本发明提供的基于光纤光栅的应力传感器的实施例的结构示意图，其包括：弹性体1、至少一组光栅对2、耦合器3、环形器4、激光器5和光栅分析模块6。其中光栅对2由两光纤光栅组成且设置在弹性体1上。

如图所示，该应力传感器的光路为：从激光器5发出的光顺序经过环形器4、耦合器3进入光栅对2中的光纤光栅并产生反射波长，该反射波长的反射峰的中心波长随外界应力变化而变化，该反射波长再顺序通过耦合器3、环形器4进入光栅分析模块6进行分析得到应力数字信号。