CN102147311A - 光纤光栅气压传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤光栅气压传感器，包括宽带光源、波长解调仪、1×2光纤耦合器、单模光纤光栅、边孔光纤光栅。边孔光纤光栅作为传感头，利用自身的结构特点来感应外界气压的变化。当外界气压变化时，包层中的两个空气孔中的气压发生变化，使边孔光纤光栅发生应变，从而引起其反射波长发生变化。单模光纤光栅仅对温度敏感，作为参考光栅来补偿温度对压力测量带来的影响。本发明针对现有技术的不足，提供了一种无需封装、结构简单、本质安全、灵敏度高、低成本的光纤光栅气压传感器。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种新型光纤光栅气压传感器。
背景技术
传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一。在工业生产过程中，压力是一个重要的参数，在对气体或者液体的压力传感领域，仪表厂家推出多种气压表，但不能完全满足石油、化工、煤矿等行业易燃易爆场合的需要，研制一种本质防爆、防燃的气压传感器成为迫切需要。近十几年发展起来的光纤式传感器越来越为人们所重视。与传统的传感器相比，光纤传感器具有独特的优点：灵敏度高、重量轻、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、本质安全(防燃防爆)。光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，这使它可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中，易于采用波分复用、时分复用和空间复用技术构成光纤光栅智能传感网络等特点。目前，光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。
自1989年Morey的报道将光纤Bragg光栅(FBG)用作传感以来，FBG温度和压力传感器理论及其应用吸引了很多研究兴趣。如何将压力信息转换为FBG沿轴向的拉伸(压缩)应变，同时解决温度交叉敏感的问题，实现压力参量的高灵敏度检测是研究人员需要解决的问题。对于压力测量，很多方案主要强调对FBG的增敏，裸FBG的压力响应灵敏度约为0.003nm/MPa，当采用有机弹性体、波纹管和膜片等对FBG封装后，压力响应灵敏度可以提高很多，但其封装后的结构复杂、体积变大，及封装材料不能满足防燃防爆等，带来了新的问题和局限性。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种无需封装、结构简单、本质安全、灵敏度高、低成本的光纤光栅气压传感器。
本发明包括宽带光源、波长解调仪、1×2光纤耦合器、单模光纤光栅、包层中具有2个对称的空气孔的光纤(以下称为边孔光纤)上刻写的光栅。边孔光纤光栅与单模光纤光栅熔接(或两种光纤先熔接，然后在熔接点两侧同时写入光栅)，作为传感头。边孔光纤光栅的空气孔在与单模光纤光栅熔接的一端被封闭住，另外一端开放，用于气压探测。传感头通过1×2光纤耦合器分别与光源和波长解调仪相连接，形成光纤光栅气压传感系统。
本发明所具有的优点：
1.边孔光纤与普通单模光纤熔接后致使空气孔一端封闭，一端开放，可利用自身结构来感应外界气压的变化。因此结构简单(无需封装)，保持了光纤本质安全的特性；
2.气压通过光纤包层内的空气孔几乎直接作用在光纤的纤芯上，可以有效的提高光纤光栅对气压的灵敏度；
3.普通单模光纤上的光纤光栅不受气压的影响，因此可以作为参考光栅单独测量温度，以补偿温度变化对边孔光纤光栅压力测量的影响，提高气压传感器的准确度。
附图说明
图1为本发明的装置结构图。
图2为本发明边孔光纤端面图及传感头的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1所示，光纤光栅气压传感器，包括宽带光源1、波长解调仪2、1×2光纤耦合器3、单模光纤光栅4、边孔光纤光栅5，气压装置6。
宽带光源1与1×2光纤耦合器3的一端相连，光纤耦合器3的另一端连接到单模光纤光栅4的一端，光纤耦合器3的另一端与波长解调仪2相连，经过单模光纤光栅4的另一端与边孔光纤光栅5熔接，将边孔光纤光栅5的开放端放入气压装置6中。
边孔光纤与单模光纤熔接，在熔接位置刻光纤光栅，由于两种光纤纤芯材料的不同致使光纤光栅的Bragg中心波长不同。同时两种光纤熔接致使边孔光纤一端封闭，一端开放，开放端来感应外界气压的变化。利用边孔光纤自身结构解决了一般光纤光栅气压传感器借助有机弹性体、波纹管和膜片等封装带来的复杂工作，使其结构紧凑，操作简单。
当外界气压变化时，包层中的2个空气孔中的气压发生变化，空气孔与边孔光纤光栅距离较近，致使应变传递速率高，使边孔光纤光栅发生应变，从而引起Bragg中心波长发生飘移，提高了压力响应的灵敏度。普通单模光纤上的光纤光栅不受气压的影响，因此可以作为参考光栅单独测量温度，以补偿温度变化对边孔光纤光栅压力测量的影响，提高气压传感器的准确度。
Claims (5)
1.光纤光栅气压传感器，包括宽带光源、波长解调仪、1×2光纤耦合器、单模光纤光栅、边孔光纤光栅。
宽带光源与1×2光纤耦合器的端口一相连，光纤耦合器的端口二连接到单模光纤光栅的一端，光纤耦合器的端口三与波长解调仪相连，经过单模光纤光栅的另一端与边孔光纤光栅熔接，将边孔光纤光栅的开放端放入被测气压中。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅气压传感器，其特征在于：包层中具有2个对称的空气孔的光纤(称为边孔光纤)上刻写光栅，气压通过光纤包层内的空气孔几乎直接作用在光纤的纤芯上，作为气压探测。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅气压传感器，其特征在于：在普通单模光纤上刻写光栅与边孔光纤光栅熔接(或两种光纤先熔接，然后在熔接点两侧同时写入光栅)，普通单模光纤上的光纤光栅不受气压的影响，作为参考光栅单独测量温度，以补偿温度变化对边孔光纤光栅气压测量的影响。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅气压传感器，其特征在于：宽带光源是指带宽大于两个光纤光栅反射波长最大变化范围的光源。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅气压传感器，其特征在于：波长解调仪是指能解调出两个光纤光栅波长变化的信息。
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