[发明专利]基于倾斜光纤光栅的新型横向压力传感器及其解调方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种基于倾斜光纤光栅的新型光纤横向压力传感器及解调方法。

背景技术

光纤布拉格光栅由于其高灵敏度，远距离传感和多传感器复用等优点，已经被广泛用于大型建筑物，桥梁等结构健康监测。最初需要检测的物理量为沿光纤方向的纵向应变，而近年来许多应用场合需要检测沿光纤轴向的压力信号，如检测一个弹性体受压时的内部应力分布或者一个平面所受的垂直压力大小，这些统称为横向压力。现有的基于光纤光栅的横向压力传感器的原理是，光栅受压时由于光纤材料的光弹效应会产生双折射，使光栅的布拉格波长分裂成两个对应各自偏振态的波长，通过测两分裂布拉格波长的间隔即可获知所受横向压力的大小。但是由于光纤材料的杨氏模量很大(约70GPa)，传统光纤光栅的横向压力灵敏度都不高。因此有报道提出通过在高双折射光纤或者带空气孔的光子晶体光纤上刻写光栅的方法，来提高传感器的灵敏度，但其材料始终都是玻璃，所以增敏效果有限。

另一方面，传统的压力传感器只能用于线接触，而一些应用场合需要研究面接触的压力分布。如在医疗器械中，需要研究轮椅的受压分布对病人的舒适程度的影响；在工业应用中，需要研究大门的把手被手握的压力分布情况来设计把手的形状。这些应用场合都需要处理面接触压力，其特点是接触的两个对象的杨氏模量大不相同，一个为刚体，另一个为弹性体。目前极少有报道能应用于该类面接触的光纤压力传感器。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于倾斜光纤光栅特别涉及了一种基于倾斜光纤光栅的新型光纤横向压力传感器及解调方法。该传感器能大大提高横向压力测量的灵敏度，而相应的解调方法不需要精确的波长检测，可以大大缩短测试时间，同时方便制作，降低系统成本。

本发明的技术解决方案如下：

基于倾斜光纤光栅的新型光纤横向压力传感器及解调方法，其压力传感结构是将倾斜光纤光栅置于两片具有高折射率的超弹性体之间，两片弹性体再放置于两片玻璃片之间，横向压力施加在上层玻璃片上，然后被均匀的传递到光纤光栅上。倾斜光纤光栅受压时，弹性体与光纤的接触角(或面积)增加，相应的其投射谱的包层模耦合减弱。

解调装置包括可调激光器，光电探测器，数据采集卡和数据处理单元等。选用波长范围能覆盖倾斜光栅大部分包层模损耗峰的可调激光器，其光信号通过光电探测器转化为电信号，数据采集卡与可调激光器同步，从而得到倾斜光栅的透射谱信息。最后数据处理单元对一定波长范围的数据进行傅立叶变换，得到的强度谱峰值即代表相应的横向压力大小。

附图说明

图1是本发明的工作示意图；

图2是本发明中倾斜光纤光栅传感器横向压力装置示意图；

图3是本发明中传感器受压时光纤与超弹性体接触的几何图；

图4是本发明中倾斜光栅传感器输出的透射光谱图实例；

图5是本发明中倾斜光栅传感器输出的透射光谱经过傅立叶变换后的强度谱图实例。

具体实施方式

参照图1，可调激光器(1)发出的光经过倾斜光纤光栅压力传感器(2)，由光电探测器(3)转化为电信号，然后经数据采集卡(4)送入数据处理单元(5)进行处理。

图2所示为倾斜光纤光栅传感器横向压力装置示意图，是将倾斜光纤光栅(8)和另一具有相同直径和材料的光纤(9)平行的置于两片具有高折射率的超弹性体(6，7)之间，两片弹性体再放置于两片玻璃片(10，11)之间，横向压力施加在上层玻璃片(10)上，然后被均匀的传递到传感光纤光栅(8)上。光纤(9)的作用是用于保证压力装置受压时的平衡，使压力均匀分布在传感光栅(8)上。图3为传感器受压时光纤与超弹性体接触的几何示意图。光纤与超弹性体的接触面随压力增大而变大，同时倾斜光栅包层模透射谱随之减弱。

图4是倾斜光栅传感器输出的透射光谱图实例，图5是相应的光谱在波长为1520nm～1580nm范围内数据经过数据处理单元(5)进行傅立叶变换后得到的强度谱图实例。实例中倾斜光栅倾斜角为10度，长度1cm；所用超弹性体为硅胶，其折射率为1.4，杨氏模量为20MPa；玻璃片和硅胶片的尺寸都为2cm×2cm。图5中主峰(频率为0.8nm^-1)的幅值即代表相应的横向压力大小。由于温度引起的波长变化进行傅立叶变换后对其幅值影响微小，该传感器对环境温度变化不敏感，无需进行温度补偿。