CN103148894A - 基于光纤布拉格光栅的角度应力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤布拉格光栅的角度应力传感器，包括：一光纤布拉格光栅阵列，该布拉格光纤光栅阵列包括多个不同波长的光纤布拉格光栅组成，且成轴对称分布，每个该布拉格光纤光栅包括栅区部分和非栅区部分；一传感头，该传感头为弹性体，成半圆球形状，光纤布拉格光栅阵列的栅区部分位于传感头内部，用于起感受外界应力的作用；一保护管，该保护管为管状形状，用于固定光纤布拉格光栅阵列的非栅区部分，起固定和保护作用；一支撑体，该支撑体为圆柱形状，保护管位于支撑体内部，该支撑体的一端与传感头连接，该支撑体用于提供整个传感器的支撑。本发明具有应力大小和角度同时测量的能力，能够实现全角度(360度)测量，且结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别是用于角度和应力同时测量的医学和工程方面的应用。
背景技术
光纤光栅是一种新型的无源光子器件，可制成各种传感器件，在传感领域得到广泛的应用。与传统的电传感器相比，光纤光栅传感器具有结构简单、体积小、重量轻、抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作等优点，近年来光纤光栅传感器在土木工程、生物医疗等领域得到了广泛的应用。
光纤布拉格光栅具有窄带滤波的光学特性，其结构特点是在光纤纤芯纵向方向形成正弦分布的折射率调制。光纤布拉格光栅可以直接用于温度和应力的直接测量，通过不同的封装方式可以进一步测量压力、扭转、振动、加速度、弯曲等物理量。余有龙等人采用悬臂梁结构的光纤光栅传感器对应力的测量进行分析和改进。李丰丽等人采用双光纤光栅和悬臂梁结构来消除环境温度变化对应力测量的影响。傅海威等人利用金属波纹管对光纤光栅进行封装来测量压力，波纹管具有纵向可以形变，横向基本不形变的特性，可以把外界压力转化为纵向应变，进而结合弹性材料实现对光纤光栅压力传感器的增敏。在上述传感器中，对作用力的方向一般都有要求，当外界作用力方位或者角度未知的情况下，则很可能达不到预期的测量目的。因此有必要在测量应力的同时给出方位角信息，不过关于角度和应力同时测量的传感器报道相对较少。杨双收等人(公布号：CN102322991A)提出的保偏长周期光纤光栅多角度应力传感器，在保偏光纤上制作长周期光纤光栅，由于双折射效应会存在两个光栅，当外界不同角度的应力 作用到保偏光纤光栅，两光栅的波长变化量不同，通过计算可以得到应力和角度的信息。但由于保偏光纤的横向轴对称性，采用单一保偏光纤光栅在测量横向应力时，在90度范围内成单调特性，因此该角度应力传感器难以实现对应力方向的全角度(360度)的定位。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于光纤布拉格光栅的角度应力传感器，具有应力大小和角度同时测量的能力，能够实现全角度(360度)测量，且结构简单。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种基于光纤布拉格光栅的角度应力传感器，包括：
一光纤布拉格光栅阵列，该布拉格光纤光栅阵列包括多个不同波长的光纤布拉格光栅组成，且成轴对称分布，每个该布拉格光纤光栅包括栅区部分和非栅区部分；
一传感头，该传感头为弹性体，成半圆球形状，光纤布拉格光栅阵列的栅区部分位于传感头内部，用于起感受外界应力的作用；
一保护管，该保护管为管状形状，用于固定光纤布拉格光栅阵列的非栅区部分，起固定和保护作用；
一支撑体，该支撑体为圆柱形状，保护管位于支撑体内部，该支撑体的一端与传感头连接，该支撑体用于提供整个传感器的支撑。
本发明的优点在于，通过四个光纤布拉格光栅组网来实现应力大小和角度的同时测量，结构简单，无复杂结构，且成本低廉。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实例和附图对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明提供的一种基于光纤布拉格光栅的角度应力传感器的示意图。
图2是本发明提供的一种基于光纤布拉格光栅的角度应力传感器的剖视图。
具体实施方式
请参考图1及图2所示，本发明提供一种基于光纤布拉格光栅的角度应力传感器，包括：
一光纤布拉格光栅阵列1，该布拉格光纤光栅阵列由四只不同波长的光纤布拉格光栅组成，且成轴对称分布，每个该布拉格光纤光栅包括栅区部分11和非栅区部分12。
一传感头2，该传感头2为弹性橡胶，成半圆球形状，光纤布拉格光栅阵列1的栅区部分位于传感头2内部，用于起感受外界应力的作用。
一保护管3，该保护管3为管状形状，该保护管3为毛细玻璃管或者毛细钢管，用于固定光纤布拉格光栅阵列的非栅区部分，起固定和保护作用。
一支撑体4，该支撑体4为圆柱形状，可以为硬塑料或刚性材料，保护管3位于支撑体4内部，该支撑体4用于提供整个传感器的支撑。
在本实施例中，光纤布拉格光栅阵列1由4个波长分别为1550nm(FBG1)、1551nm(FBG2)、1552nm(FBG3)和1553nm(FBG4)的光纤布拉格光栅组成，每个光栅栅区长度为2mm，所使用的光纤类型为普通单模光纤。光纤光栅阵列成轴对称正方形分布，光栅离中心的间距为0.5mm，具体排布如图2所示。光纤布拉格光栅阵列1的栅区部分11位于传感头2的内部，非栅区部分12固定在保护管3，保护管3按照同样的轴对称正方形分布在支撑体4内。该传感头2为弹性橡胶，半球直径为5mm，支撑体4为聚四氟乙烯，圆柱直径为5mm。由于传感头为弹性橡胶，当外界应力作用于传感头时，传感头发生弹性形变，进而引起内部光纤布拉格光栅阵列1的中心波长的漂移。4个不同波长的光纤光栅分别处在X轴和Y轴上，把平面分成4个区间I、II、III和IV。当外界应力沿法线方向作用到传感头上时，根据应力方向的不同，4个光纤布拉格光栅1的波长变化量不同。情况1：法向力作用到某个区间，以I区间为例。当沿着I区间法向方向作用于传感头时，FBG1和FBG2的波长变化幅度要大于FBG3和FBG4， 因此可以定位在区间I，而应力的大小可以根据FBG1和FBG2波长变化量的平均值近似计算得到，关于应力的角度可以根据波长变化量的比值计算得到。如此类推，我们可以得到其他3个区间不同法向应力的大小和角度。情况2：法向力作用到XZ平面或者YZ平面，以XZ平面为例。当沿ZX平面的法向方向作用于传感头时，FBG1或FBG3的波长变化最大，FBG2和FBG4的波长变化量相同，根据最大波长变化的光栅可以确定是应力来自于X轴的正方向还是反方向，根据最大波长变化量来计算应力的大小。如此类推，我们可以得到其他YZ平面内法向应力的大小和方向。情况3：法向力作用在Z轴。这时四个光栅的波长变化量相同，因此方向是唯一的，且应力大小可有波长变化量计算得到。由此，我们可以根据4个光纤布拉格光栅的波长变化特性可以计算得到全角度(360度)的应力方向和大小。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于光纤布拉格光栅的角度应力传感器，包括：
一光纤布拉格光栅阵列，该布拉格光纤光栅阵列包括多个不同波长的光纤布拉格光栅组成，且成轴对称分布，每个该布拉格光纤光栅包括栅区部分和非栅区部分；
一传感头，该传感头为弹性体，成半圆球形状，光纤布拉格光栅阵列的栅区部分位于传感头内部，用于起感受外界应力的作用；
一保护管，该保护管为管状形状，用于固定光纤布拉格光栅阵列的非栅区部分，起固定和保护作用；
一支撑体，该支撑体为圆柱形状，保护管位于支撑体内部，该支撑体的一端与传感头连接，该支撑体用于提供整个传感器的支撑。
2.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的角度应力传感器，其中光纤布拉格光栅阵列的数量为四个。
3.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的角度应力传感器，其中该传感头为弹性橡胶。
4.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的角度应力传感器，其中保护管为毛细玻璃管或毛细钢管。
5.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的角度应力传感器，其中支撑体为硬塑料或刚性材料。
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