[发明专利]基于线性啁啾光纤光栅的二维应力传感器

摘要

本发明涉及一种光纤传感器，特别是能够对应力、位移等参量进行二维、高精度实时监控与测量的利用基于线性啁啾光栅的二维应力(位移)传感器，它的结构、感测方法及应用。本发明包括：线性啁啾光纤光栅、光纤、显示器等。其中，传感基元—线性啁啾光纤光栅用粘结剂以一定方式粘贴于悬臂梁表面。光纤光栅的连接有两种方式：其一为反射式连接，其二为透射式连接。发明中采用的传感基元——线性啁啾光纤光栅，其反射谱(或透射谱)具有一定宽度，约几纳米至十几纳米。本发明的有益效果是传感器的传感基元仅为一根线性啁啾光纤光栅，可实时感测应力、位移的大小，亦可实时感测其方向，结构简洁，易于系统集成，应用广泛。

主权项

1、一种基于线性啁啾光纤光栅二维应力传感器，它包括线性啁啾光纤光栅、光纤、悬臂梁、固定端、光纤接插器、光纤耦合器、匹配液、光源、波长测试仪、O/E电路、数据处理器、显示器；其特征在于：将传感光纤光栅(1)用粘结剂粘贴于悬臂梁(3)表面靠近固定端的位置，使光栅栅区恰好全部贴于梁的表面，光栅与该面法线，即悬臂梁的中性面与表面的交线呈一定角度；有两种连接方式：反射式连接，即光纤耦合器(10)一侧的两个端口，一端连接已粘贴的线性啁啾光纤光栅(1)，另一端置入匹配液(11)；而光纤耦合器另外一侧的两个端口，一端接光源(12)，另一端与波长测试仪(13)、O/E电路(14)、数据处理器(15)、显示器(16)依次连接；或透射式连接，即不用光纤耦合器，将光纤光栅的一端与光源直接连接，另一端与波长测试仪、O/E电路、数据处理器、显示器依次连接；所述的数据处理器根据应力矩阵、位移矩阵、合应力与合位移及方位角关系，将光纤光栅传感器感测的应力、位移信号输入显示器分别输出；所述的应力矩阵、位移矩阵、合应力与合位移、方位角关系分别为：$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \lambda }}_B\left(F\right)\\ {\mathrm{\Delta \lambda }}_{\mathrm{chirp}}\left(F\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{K}_x\left(F\right)& 0\\ 0& K_y\left(F\right)\end{array}\right]\times \left[\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\end{array}\right]---\left(1\right)$ $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \lambda }}_B\left(\omega \right)\\ {\mathrm{\Delta \lambda }}_{\mathrm{chirp}}\left(\omega \right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{K}_x\left(\omega \right)& 0\\ 0& K_y\left(\omega \right)\end{array}\right]\times \left[\begin{array}{c}{\omega }_x\\ {\omega }_y\end{array}\right]---\left(2\right)$ $F=\sqrt{F_x^2+F_y^2},\Omega =\sqrt{{\omega }_x^2+{\omega }_y^2}---\left(3\right)$ α＝arctan(Fy/Fx)，β＝arctan(ωy/ωx) (4)式中ΔλB(F)、Δλchirp(F)分别是受应力作用时，反射或透射中心波长λB(F)及3dB带宽λchirp(F)的变化量；ΔλB(ω)、Δλchirp(ω)分别是矩形弹性梁位移变化时，反射或透射中心波长λB(ω)及带宽λchirp(ω)的变化量。(1)式和(2)式中右边第一项均为系数矩阵，Kx(F)、Ky(F)分别是沿矩形梁两个表面垂直方向即x、y方向上的应力传感系数，Kx(ω)、Ky(ω)分别是x方向和y方向上的位移传感系数，Fi、ωi(i＝x，y)分别是传感参量应力、位移在x方向和y方向上的分量。在小挠度条件下，(1)式和(2)式中的Kx(F)、Ky(F)、Kx(ω)和Ky(ω)不随传感参量Fi、ωi(i＝x，y)发生变化，而仅由构成传感器材料本身的性质和尺寸所决定。