[發明專利]高精度高靈敏度光纖光柵應變傳感器

在審

• 申請號: 201710697536.7
• 申請日: 2017-08-15
• 公開（公告）號: CN107300365A
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 董俊偉;申曉換;侯良;田璀
• 申請（專利權）人: 浙江智遠光電科技有限公司
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司11260
• 代理人: 鄭立明,付久春

技術領域

本發明涉及應變傳感器領域，尤其涉及一種高精度高靈敏度光纖光柵應變傳感器。

背景技術

近年來，隨著光纖傳感技術的飛速發展及土木工程領域對結構健康監測需求的迅速增長，光纖光柵傳感器相比傳統的機械電子式傳感器越來越顯示出其在土木工程領域的優勢。而應變是表征工程結構安全的重要指標，通過對結構應變進行分析，可以獲取結構的危險截面和疲勞程度等信息，并可對結構的壽命進行估計。

光纖光柵應變傳感器由于其本征安全、波長編碼、結構輕巧、耐腐蝕、抗電磁干擾、組網方便、遠程實時在線監測等突出優勢得到了廣泛應用。

大部分光纖光柵應變傳感器都是利用了光纖光柵本身的應變特性，即對光柵進行拉伸或擠壓致使光柵周期發生變化，光纖本身所具有的彈光效應使得有效折射率也隨著外界應力狀態的變化而改變。光纖光柵本身的應變特性，即1.2με/pm的靈敏度，若光纖光柵解調儀的精度為3pm，除去傳感器誤差，那么整套傳感系統的誤差大約為3.6με，在對應變精度要求較高的場合則無法滿足其監測要求。

針對實際工程結構健康應變監測的應用，目前光纖光柵應變傳感器的封裝結構如圖1所示(圖1中11為傳感器固定位置，12為光纖封裝位置，13為裸光纖，14為丙烯酸酯涂覆層光纖，15為傳感器彈性體)。

采用普通丙烯酸酯涂覆層光纖，如圖2所示(圖2中21為Bragg光柵，22為光纖纖芯，23為包層，24為機械裂紋，25為丙烯酸酯涂覆層，A為入射光，B為返射光)，由于現有刻柵技術限制光柵的柵區處必須要剝除丙烯酸酯涂覆層，導致光柵處為裸光柵，并通過環氧樹脂膠粘接的方式，將光柵兩端的光纖固定在彈性體上，光柵兩端的光纖固定位置點與傳感器使用過程中的固定位置即標距的比例幾乎為1:1。這種結構的傳感器的分辨率即為裸光柵的分辨率1.2με/pm，由于采用普通光纖光柵以及傳感器彈性體的金屬材料的線膨脹系數的限制使得無法對其增敏，通常量程為±3000微應變的光纖光柵應變傳感器在室外環境使用時，由于被測材料的熱膨脹系數，導致實際的測量量程在±4000微應變左右，已經是普通光柵承載的極限，其封裝結構很大程度只起到了保護光柵不損壞以及安裝方便的作用。

這種分辨率1.2με/pm傳感器再疊加上傳感器本身的誤差與儀器解調的誤差，一般傳感器在使用時實際測量誤差在±5pm左右，在一些對精度要求比較高的地方，難以滿足需求。

發明內容

基于現有技術所存在的問題，本發明的目的是提供一種高精度高靈敏度光纖光柵應變傳感器及其制作方法，其測量精度提高三倍，應變監測范圍達到±3000με，且能提升傳感器的抗拉強度。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

本發明實施方式提供一種高精度高靈敏度光纖光柵應變傳感器，包括：

光纖，其表面具有聚酰亞胺涂覆層，該光纖的纖芯上設有由飛秒激光刻柵制成的光柵，所述光柵兩端的光纖分別經低熔點玻璃焊料焊接固定在所述彈性體的兩個基座上。

由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的高精度高靈敏度光纖光柵應變傳感器，其有益效果為：

由于采用表面具有聚酰亞胺涂覆層的光纖，光纖上的光柵是由飛秒激光刻柵制成，而且光柵兩端的光纖是由低熔點玻璃焊料焊接在兩個基座上，使得形成的光纖光柵應變傳感器的抗拉強度更高，監測精度提高至現有同類傳感器的三倍，滿足了工程應用中高精度高靈敏大應變監測范圍的要求。而且由于使用了低熔點玻璃焊料焊接，封裝工藝中可直接將金屬管套與光纖密封，無需將光纖表面金屬化，浸潤性良好，能夠達到氣密封裝；化學穩定較好，熔封過程中不產生氣體，熔封后無殘留物；氣密封接溫度比較低，封接溫度范圍為330℃～380℃，易于操作；適用性強，相對傳統封裝，使用該產品封裝后的元件壽命長。較常規環氧樹脂膠的封裝工藝，光纖光柵依靠低熔點玻璃焊接，接觸點穩定性好，消除了蠕變造成的波長零點的漂移。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。

圖1為現有技術提供的現有光纖光柵應變傳感器的封裝結構示意圖；

圖2為現有技術提供的丙烯酸酯涂覆層的光纖光柵結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的光纖光柵應變傳感器的整體結構示意圖；

圖4為本發明實施例提供的飛秒激光刻柵、聚酰亞胺涂覆層光纖光柵結構示意圖；