[發明專利]一種基于懸臂梁結構的FBG傳感器靈敏度提高方法

有效

• 申請號: 201510955644.0
• 申請日: 2015-12-17
• 公開（公告）號: CN105571619B
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發明（設計）人: 董鳳忠;楊爽;李俊;徐勝明;朱莉莎;湯玉泉;孫苗;董坤
• 申請（專利權）人: 安徽中科智泰光電測控科技有限公司
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26;G01D5/353
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙)34115
• 代理人: 宋倩

技術領域

本發明涉及光纖光柵傳感技術領域，具體是一種基于懸臂梁結構的FBG傳感器靈敏度提高方法。

背景技術

1978年加拿大渥太華通信研究中心的K.O.HILL等人首次在摻鍺石英光纖中發現光纖的光敏效應，并采用駐波寫入法制成世界上第一根光纖布拉格光柵(FBG)。FBG傳感器具有體積小、損耗低、靈敏度高、抗電磁干擾、電絕緣性好、帶寬大等優點，并能實現多點分布式測量，已應用于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物、艦船系統、海洋、航空、醫學領域、電力系統等,取得了豐碩的成果。

主要成分為SiO₂的裸光柵細小質脆，尤其是抗剪能力很差，直接將其作為傳感器在工程實際應用中遇到了很多問題，如溫度、應變靈敏度低，容易損壞，布設工藝復雜等。且FBG的中心波長對溫度和應力存在交叉敏感效應，影響了傳感器的性能。溫度和應變是光纖光柵能夠直接傳感測量的兩個最基本的物理量，其他各種物理量如位移、壓力、振動、加速度、流速等傳感，均需特殊的機械結構將其轉換為應變或溫度傳感。因此，必須對FBG進行保護、敏化等封裝。

多年來，科研工作者們對懸臂梁結構的FBG傳感器開展了廣泛的研究。目前，有文獻報道的主要有以下幾種：(1)雙波長矩陣法，在懸臂梁上粘貼兩個FBG，構建雙波長矩陣進行傳感測量，克服了中心波長交叉敏感問題；(2)多波長矩陣法，在懸臂梁上粘貼兩個以上的FBG，利用多波長矩陣法進行多參數傳感測量；(3)參數變更法，利用某些方式改變測量中使用的兩個FBG或單個FBG不同區域的溫度和應變敏感度系數，類似雙波長矩陣法；(4)啁啾光柵法，利用光柵啁啾效應光譜半寬展寬溫度不敏感來克服交叉敏感問題，進行應變測量；(5)雙參量矩陣法，除中心波長外再引入一個溫度應變敏感量，利用雙參量矩陣法進行多參數傳感測量。

目前，懸臂梁結構的FBG傳感器技術已經得到了較為廣泛的研究，但目前研究的主要目的在于解決交叉敏感問題，隨著社會經濟的迅速發展，各行各業對傳感器靈敏度要求越來越高。因此，研制高靈敏度的懸臂梁結構的FBG傳感器對社會、國民經濟發展有著重大意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于懸臂梁結構的FBG傳感器靈敏度提高方法，進一步解決檢測靈敏度和測量精度等困擾當前FBG傳感器的關鍵問題。

本發明的技術方案為：

一種基于懸臂梁結構的FBG傳感器靈敏度提高方法，包括以下順序的步驟：

(1)在懸臂梁的適當位置開設一個通孔，并且使所述通孔關于懸臂梁的中心軸線對稱；

(2)以垂直于所述通孔截面的方向為所述懸臂梁的載荷施加方向，對所述懸臂梁施加一定載荷，確定此時懸臂梁的兩個正向應變最大處或兩個負向應變最大處；

(3)在所述懸臂梁的兩個正向應變最大處或兩個負向應變最大處分別粘貼一個FBG，使所述載荷施加方向與粘貼在懸臂梁上的兩個FBG所構成的平面相垂直；

(4)當采用所述兩個FBG測量施加在懸臂梁上的待測載荷時，使所述兩個FBG的光譜重疊并利用FBG光譜展寬效應對所述兩個FBG進行傳感解調。

所述的基于懸臂梁結構的FBG傳感器靈敏度提高方法，步驟(1)中，所述在懸臂梁的適當位置開設一個通孔，具體為在懸臂梁的中心位置開設一個通孔；所述通孔的截面形狀包括矩形、菱形、圓形和三角形。

所述的基于懸臂梁結構的FBG傳感器靈敏度提高方法，步驟(2)中，所述確定此時懸臂梁的兩個正向應變最大處或兩個負向應變最大處，具體采用有限元法進行分析。

所述的基于懸臂梁結構的FBG傳感器靈敏度提高方法，步驟(4)中，所述利用FBG光譜展寬效應對所述兩個FBG進行傳感解調，具體包括：

a、寬帶光源輸出的光經耦合器到達所述兩個FBG，經其反射后到達光譜分析儀；

b、所述光譜分析儀對所述兩個FBG的重疊光譜進行分析，得到所述重疊光譜的3dB帶寬；

c、當施加在懸臂梁上的待測載荷發生變化時，由所述光譜分析儀得到所述重疊光譜的3dB帶寬變化量；

d、根據所述重疊光譜的3dB帶寬變化量以及預先測定的載荷傳感靈敏度，利用以下公式，反演得到待測載荷的變化量：

ΔF′₁₂＝K′_FL×ΔL

其中，ΔF′₁₂表示重疊光譜的3dB帶寬變化量，K′_FL表示載荷傳感靈敏度，ΔL表示待測載荷的變化量。

本發明的有益效果為：