基于光纤光栅的温度不敏感的应力应变传感器 【技术领域】
本发明属传感器领域，特别涉及用于制作对温度变化不敏感的基于光纤光栅的应力应变传感器。
背景技术
光纤光栅是光纤纤芯折射率受到周期性微扰而形成的一种新型全光纤无源器件。由于具备与光纤系统兼容、插入损耗低、结构简单、体积小、制备工艺简单、成本低廉、对温度和应变都非常敏感等优点，光纤光栅在传感领域有着非常广阔的应用前景。在一定范围内，普通光纤光栅的中心波长位置不但会随着光栅轴向应变的改变而线性变化，而且也随着环境温度的改变而变化，所以在用光纤光栅制作应力应变传感器时，温度与应变的交叉敏感是必须面对的问题。
跟本发明相近的现有技术是一种主要由光源、光纤光栅、检测器构成的传感器。探测光经光纤光栅透射或反射由检测器检测，构成透射式应力应变传感器或反射式应力应变传感器。为了解决温度和应变交叉敏感问题，要使用至少两支光纤光栅组合，其中的一支光纤光栅使用温控装置实现恒温控制；由普通光纤光栅的结构决定，要通过检测光栅波长来确定应力应变的大小，所以采用波长计或光谱仪作检测器对探测光检测。
背景技术采用将光纤光栅置于恒温的环境中，以及使用两支或多支光纤光栅组合测量等方法解决交叉敏感问题，使传感器结构复杂。另外，都是通过检测光栅波长来确定应力应变地大小，这就需要价格比较昂贵的波长计或光谱仪，加上温控装置，增加了传感器的成本。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是：提供一种简单实用的基于光纤光栅的应力应变传感器。在敏感元件中仅使用一支光纤光栅，传感器结构简单；更重要的是对传感器中的光信号采用功率检测，降低成本，解决了应变与温度交叉敏感问题，制作出灵敏度较高、测量范围较大的符合实际应用要求的应力应变传感器。
为到达上述目的，本发明的基于光纤光栅的温度不敏感的应力应变传感器的结构由光源、光纤光栅、检测器构成透射式或反射式应力应变传感器，所说的光纤光栅只使用一支，与一块石英板固定，且光纤光栅入射光端的一段与石英板固定，相应的另一段裸露；或者将光纤光栅制作成锥管形状，即直径沿轴向逐渐减小。所说的检测器可以采用光电探测器或功率计。
所说的光源采用宽带光源，光电探测器可以用光电二极管。
为了提高检测灵敏度，还可以将光纤光栅入射光端的一段与石英板固定，相应的裸露的另一段制作成锥管形状。
光纤光栅的前段，即光纤光栅短波长端的一段被固定在一块石英板上，石英板宽度远远大于光纤直径，比如，石英板宽度可以是光纤直径的10～300倍，光纤光栅的后段裸露，即不用石英板固定。这种结构的光纤光栅在受到沿光纤轴向应力或应变作用时，由于前段固定在宽度远远大于光纤直径的石英板上，根据力学原理，光纤光栅前段所受的应变变小，可以忽略，因此光纤光栅前段对应的反射或透射波长位置不随所加的应力或应变而变化；而光纤光栅后段所对应的波长受到应力或应变的作用而向长波方向移动。这就导致了光纤光栅的反射或透射光谱变宽，反射功率增大或透射功率减小，同时反射或透射谱中间发生劈裂，劈裂宽度也随着应力或应变变化，并引起反射功率减小或透射功率增大。因此在一定范围内，反射或透射谱的总功率随应力或应变的改变而线性变化，所以通过对反射或透射功率的测量就可以得到应力或应变的大小。当光纤光栅周围温度变化时，由于石英板与光纤具有相同的热膨胀系数，整支光纤光栅对温度具有相同的敏感系数，虽然光纤光栅波长随温度的变化而改变，但是反射或透射谱带宽不变，反射或透射功率也不会改变。因此对应力或应变的测量是温度不敏感的。基于以上的结构设计，仅通过对信号的功率检测就可以实现对应力或应变的测量，并且不受温度变化影响。
本发明中三种敏感元件，都能构成灵敏度较高、测量范围较大的对温度不敏感的应力应变传感器，而且敏感元件中仅使用一支光纤光栅，均不使用温控装置，使传感器构造简单；特别是，在信号解调中只需检测光纤光栅功率的变化，不用检测波长变化，大大降低传感器成本。
【附图说明】
图1是本发明采用的基本的敏感元件的反射功率检测系统装置示意图。
图2是本发明采用的基本的敏感元件的透射功率检测系统装置示意图。
图3是本发明的高灵敏度的锥管状敏感元件装置示意图。
图4是本发明的高灵敏度的锥管状加石英板固定敏感元件装置示意图。
图5是本发明的应力应变传感器的灵敏度曲线。
图6是本发明的反射信号功率随温度变化的曲线。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作举例详细说明。
实施例1 采用基本的敏感元件构成的本发明的装置。
图1是采用基本的敏感元件的反射式功率检测系统装置示意图。敏感元件包括一支直径相同的光纤光栅1和一块石英板2，宽带光源3和检测器4分别与光纤耦合器5相连，光纤耦合器5的另一端连接作为敏感元件的光纤光栅1，构成反射式功率检测的应力应变系统。检测器4采用光电探测器或功率计，用于光信号功率检测。
图2是采用基本的敏感元件的透射式功率检测系统装置示意图。宽带光源3直接与一支直径相同的光纤光栅1相连，在光纤光栅的另一端用检测器4检测光功率，光纤光栅1的前段固定在一块石英板2上，构成透射式功率检测的应力应变检测系统。
实施例2 采用锥管状光纤光栅作为敏感元件。
为了提高基于光纤光栅的应力应变传感器的灵敏度，我们采用如图3所示的敏感元件装置。
图3所示的敏感元件装置中，光纤光栅1的光纤直径沿轴向逐渐减小。当光纤光栅1受到轴向应力或应变作用时，光纤直径越小的地方应变越大，相对应的光栅波长向长波移动的越远，整支光纤光栅1的光谱带宽变得更大，检测到的反射(或透射)光信号的功率更大(小)。在一定范围内，光信号功率与光纤光栅1受到的应力或应变大小成正比，而且功率检测同样不受温度变化的影响，因此，这种温度不敏感的传感器具有比基本的敏感元件更高的灵敏度。
实施例3 锥管状加石英板固定的敏感元件装置。
图4所示的敏感元件装置中，光纤光栅1的结构集合了图1和图3中光纤光栅1结构的优点，即光纤光栅1前段也被固定在一块宽度远远大于光纤直径的石英板2上，后段的直径沿光纤轴向逐渐减小。根据前述的原理，在相同的轴向应力应变作用下，这种光纤光栅1具有比图1-3中光纤光栅1更宽的光谱。反射(或透射)光信号的功率更大(小)，在一定范围内，光信号功率与光纤光栅受到的应力或应变大小成正比，因此，基于这种光纤光栅结构的传感器具有更高的灵敏度。
实施例4 本发明的传感器的灵敏度曲线和反射信号功率随温度变化的曲线。
从图5可以看到三种传感器的灵敏度曲线在一定范围内线性度非常好，A，B，C分别代表图1、图3、图4所示的敏感元件的灵敏度曲线，A，B，C所代表的灵敏度依次升高。图6是图1、图3、图4所示的敏感元件反射信号功率随温度变化的曲线，三条曲线基本重合，曲线表明，温度改变时三种传感器的信号功率基本保持不变，即传感器对温度不敏感。
本发明不仅适用于直接对应力应变的测量，而且适用于将本传感器与其他敏感元件结合对应力和应变以及基于应力和应变的测量，例如位移等的测量。凡采用上述敏感元件及方法进行的应力和应变的测量及基于应力和应变的测量，均属于本专利公开的内容。