[发明专利]能够利用单个衍射光栅进行形变和温度测量的埋藏式光学传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光学形变(应变)和温度传感器，尤其涉及利用带有布拉格(Bragg)光栅的在结构上埋藏的光纤的光学传感器。

技术背景

在形变传感器领域中已知把带有例如布拉格光栅这样的反射元件的光纤埋藏到一个结构之中，如授权给Meltz等人的美国专利No.4,806,012和No.4,761,073，标题分别为“Distributed，Spatially Resolving Optical Fiber Strain Gauge(分布式空间可分辨的光纤应变测量计)”和“Distributed，Spatially Resoving Optical Fiber Strain Gauge(分布式空间可分辨的光纤应变测量计)”，中所描述的。也已经知道，可以把光纤传感器埋藏在组合材料或结构中，由此便能对该结构的形变和/或温度进行测量。

典型地，向光纤中发射一束来自宽波长带光源的光，而光栅只反射光源光的一个窄的波长带。光栅的反射波长(也即反射光中局部极大处的波长)根据光栅所在处的形变和温度两者的变化而发生移动。因此，为了独立于温度变化地确定形变，这种传感器需要一个分开的温度测量装置(例如另一个光栅)。从而，在这种结构中单个光栅(或传感器)既不能提供经过温度补偿的形变测量，也不能提供经过形变补偿后的温度测量。于是，对于埋藏在结构中的传感器同样也存在着不能由单个传感器来进行温度和形变测量的问题。

因此，希望能提供这样一种埋藏式光纤传感器，它能够从单个光栅提供出一些光学信号，根据这些信号可以确定温度和形变两者。

本发明的公开内容

本发明的目的包括提供一种埋藏式光纤传感器，它能够用单个光栅来进行温度和形变两者的测量。

根据本发明，一种埋藏式光学传感器含有一个光学波导，用来限制入射光和返回光；至少一个反射元件被设置在光学波导内的入射光光路中，该反射元件具有一个第一横向轴和一个垂直于第一横向的第二横向轴，第一横向轴和第二横向轴两者都垂直于一个纵轴；提供了横向应力装置，用来在反射元件上施加力，以在反射元件中产生不相等的横向应力；不相等的横向应力在反射元件中产生双折射，并且不相等的横向应力随温度而变化，从而引起双折射也随温度变化；双折射引起与反射元件的第一偏振轴相关连的反射元件的第一峰点反射波长和与反射元件的第二偏振轴相关连的反射元件的第二峰点反射波长；存在有一个等于第一峰点和第二峰点之间的波长差的波长间距和存在有一个等于位在第一峰点和第二峰点正中间的波长的平均波长；以及波长间距具有一个对温度和形变的灵敏度，它与平均波长的灵敏度不同，因此便能够用一个反射元件来进行独立的温度和形变测量。

进一步根据本发明，横向应力装置包括一个环绕着反射元件的组合结构。进一步根据本发明，组合结构包括相对于反射元件有预定取向的一些加强丝，以及用来使组合材料结合在一起的结合材料。

进一步根据本发明，相邻于反射元件的那些加强丝的取向不平行于反射元件的纵轴。进一步根据本发明，组合结构包括多个每一层都含有加强丝和结合材料的层。

进一步根据本发明，波导是一个光纤，并且反射元件是一个布拉格光栅。

本发明在下述方面代表了对以往的埋藏式光纤形变和温度传感器的重大改进：使单个光栅能够提供这样的信号，由此可以确定温度和形变两者，从而减少了补偿温度变化所需的光栅或其他传感器的数目，并且改善了经温度补偿的形变测量的完整性(因为温度是在所希望的补偿点上测量的)。其结果是，本发明提供了下述可能性：从每个光栅来进行温度测量和利用单个光栅的经温度补偿的形变测量或者分开的形变和温度测量。

通过下面对如附图所示的本发明的示范性实施例的详细说明，本发明的上述目的和其他目的以及特点和优点将变得更为明显。

附图的简单说明

图1是根据本发明的一个埋藏式光学传感器的剖视透视图，它示出多个含有加强丝并构成了一个其中埋藏有一个光纤的层状结构的多个层。

图2是根据本发明的一个层的侧视剖视截面图，它示出加强丝和各丝之间的树脂。

图3是根据本发明的含有沿垂直于光纤纵轴方向取向的加强丝的多个层的侧视截面图，它示出了一个富有树脂的区域。

图4是传感器被埋入结构之前的光纤传感器的传感器透射率对波长的曲线图。

图5是根据本发明的传感器被埋入一个结构之后的图4所示光纤传感器的传感器反射率对波长的曲线图，其中的结构具有垂直于光纤的相邻层加强丝。

图6是根据本发明的另一个实施例的含有加强丝的多个层的侧视截面图，其中的加强丝沿着埋藏光纤的纵轴取向。