[发明专利]一种基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏度提高方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体是一种基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏度提高方法。

背景技术

1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤布拉格光栅(FBG)。FBG传感器具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、带宽大等优点，并能实现多点分布式测量，已应用于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物、舰船系统、海洋、航空、医学领域、电力系统等,取得了丰硕的成果。

主要成分为SiO₂的裸光栅细小质脆，尤其是抗剪能力很差，直接将其作为传感器在工程实际应用中遇到了很多问题，如温度、应变灵敏度低，容易损坏，布设工艺复杂等。且FBG的中心波长对温度和应力存在交叉敏感效应，影响了传感器的性能。温度和应变是光纤光栅能够直接传感测量的两个最基本的物理量，其他各种物理量如位移、压力、振动、加速度、流速等传感，均需特殊的机械结构将其转换为应变或温度传感。因此，必须对FBG进行保护、敏化等封装。

多年来，科研工作者们对悬臂梁结构的FBG传感器开展了广泛的研究。目前，有文献报道的主要有以下几种：(1)双波长矩阵法，在悬臂梁上粘贴两个FBG，构建双波长矩阵进行传感测量，克服了中心波长交叉敏感问题；(2)多波长矩阵法，在悬臂梁上粘贴两个以上的FBG，利用多波长矩阵法进行多参数传感测量；(3)参数变更法，利用某些方式改变测量中使用的两个FBG或单个FBG不同区域的温度和应变敏感度系数，类似双波长矩阵法；(4)啁啾光栅法，利用光栅啁啾效应光谱半宽展宽温度不敏感来克服交叉敏感问题，进行应变测量；(5)双参量矩阵法，除中心波长外再引入一个温度应变敏感量，利用双参量矩阵法进行多参数传感测量。

目前，悬臂梁结构的FBG传感器技术已经得到了较为广泛的研究，但目前研究的主要目的在于解决交叉敏感问题，随着社会经济的迅速发展，各行各业对传感器灵敏度要求越来越高。因此，研制高灵敏度的悬臂梁结构的FBG传感器对社会、国民经济发展有着重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏度提高方法，进一步解决检测灵敏度和测量精度等困扰当前FBG传感器的关键问题。

本发明的技术方案为：

一种基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏度提高方法，包括以下顺序的步骤：

(1)在悬臂梁的适当位置开设一个通孔，并且使所述通孔关于悬臂梁的中心轴线对称；

(2)以垂直于所述通孔截面的方向为所述悬臂梁的载荷施加方向，对所述悬臂梁施加一定载荷，确定此时悬臂梁的两个正向应变最大处或两个负向应变最大处；

(3)在所述悬臂梁的两个正向应变最大处或两个负向应变最大处分别粘贴一个FBG，使所述载荷施加方向与粘贴在悬臂梁上的两个FBG所构成的平面相垂直；

(4)当采用所述两个FBG测量施加在悬臂梁上的待测载荷时，使所述两个FBG的光谱重叠并利用FBG光谱展宽效应对所述两个FBG进行传感解调。

所述的基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏度提高方法，步骤(1)中，所述在悬臂梁的适当位置开设一个通孔，具体为在悬臂梁的中心位置开设一个通孔；所述通孔的截面形状包括矩形、菱形、圆形和三角形。

所述的基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏度提高方法，步骤(2)中，所述确定此时悬臂梁的两个正向应变最大处或两个负向应变最大处，具体采用有限元法进行分析。

所述的基于悬臂梁结构的FBG传感器灵敏度提高方法，步骤(4)中，所述利用FBG光谱展宽效应对所述两个FBG进行传感解调，具体包括：

a、宽带光源输出的光经耦合器到达所述两个FBG，经其反射后到达光谱分析仪；

b、所述光谱分析仪对所述两个FBG的重叠光谱进行分析，得到所述重叠光谱的3dB带宽；

c、当施加在悬臂梁上的待测载荷发生变化时，由所述光谱分析仪得到所述重叠光谱的3dB带宽变化量；

d、根据所述重叠光谱的3dB带宽变化量以及预先测定的载荷传感灵敏度，利用以下公式，反演得到待测载荷的变化量：

ΔF′₁₂＝K′_FL×ΔL

其中，ΔF′₁₂表示重叠光谱的3dB带宽变化量，K′_FL表示载荷传感灵敏度，ΔL表示待测载荷的变化量。

本发明的有益效果为：