[发明专利]高精度高灵敏度光纤光栅应变传感器

说明书

技术领域

本发明涉及应变传感器领域，尤其涉及一种高精度高灵敏度光纤光栅应变传感器。

背景技术

近年来，随着光纤传感技术的飞速发展及土木工程领域对结构健康监测需求的迅速增长，光纤光栅传感器相比传统的机械电子式传感器越来越显示出其在土木工程领域的优势。而应变是表征工程结构安全的重要指标，通过对结构应变进行分析，可以获取结构的危险截面和疲劳程度等信息，并可对结构的寿命进行估计。

光纤光栅应变传感器由于其本征安全、波长编码、结构轻巧、耐腐蚀、抗电磁干扰、组网方便、远程实时在线监测等突出优势得到了广泛应用。

大部分光纤光栅应变传感器都是利用了光纤光栅本身的应变特性，即对光栅进行拉伸或挤压致使光栅周期发生变化，光纤本身所具有的弹光效应使得有效折射率也随着外界应力状态的变化而改变。光纤光栅本身的应变特性，即1.2με/pm的灵敏度，若光纤光栅解调仪的精度为3pm，除去传感器误差，那么整套传感系统的误差大约为3.6με，在对应变精度要求较高的场合则无法满足其监测要求。

针对实际工程结构健康应变监测的应用，目前光纤光栅应变传感器的封装结构如图1所示(图1中11为传感器固定位置，12为光纤封装位置，13为裸光纤，14为丙烯酸酯涂覆层光纤，15为传感器弹性体)。

采用普通丙烯酸酯涂覆层光纤，如图2所示(图2中21为Bragg光栅，22为光纤纤芯，23为包层，24为机械裂纹，25为丙烯酸酯涂覆层，A为入射光，B为返射光)，由于现有刻栅技术限制光栅的栅区处必须要剥除丙烯酸酯涂覆层，导致光栅处为裸光栅，并通过环氧树脂胶粘接的方式，将光栅两端的光纤固定在弹性体上，光栅两端的光纤固定位置点与传感器使用过程中的固定位置即标距的比例几乎为1:1。这种结构的传感器的分辨率即为裸光栅的分辨率1.2με/pm，由于采用普通光纤光栅以及传感器弹性体的金属材料的线膨胀系数的限制使得无法对其增敏，通常量程为±3000微应变的光纤光栅应变传感器在室外环境使用时，由于被测材料的热膨胀系数，导致实际的测量量程在±4000微应变左右，已经是普通光栅承载的极限，其封装结构很大程度只起到了保护光栅不损坏以及安装方便的作用。

这种分辨率1.2με/pm传感器再叠加上传感器本身的误差与仪器解调的误差，一般传感器在使用时实际测量误差在±5pm左右，在一些对精度要求比较高的地方，难以满足需求。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种高精度高灵敏度光纤光栅应变传感器及其制作方法，其测量精度提高三倍，应变监测范围达到±3000με，且能提升传感器的抗拉强度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种高精度高灵敏度光纤光栅应变传感器，包括：

光纤，其表面具有聚酰亚胺涂覆层，该光纤的纤芯上设有由飞秒激光刻栅制成的光栅，所述光栅两端的光纤分别经低熔点玻璃焊料焊接固定在所述弹性体的两个基座上。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的高精度高灵敏度光纤光栅应变传感器，其有益效果为：

由于采用表面具有聚酰亚胺涂覆层的光纤，光纤上的光栅是由飞秒激光刻栅制成，而且光栅两端的光纤是由低熔点玻璃焊料焊接在两个基座上，使得形成的光纤光栅应变传感器的抗拉强度更高，监测精度提高至现有同类传感器的三倍，满足了工程应用中高精度高灵敏大应变监测范围的要求。而且由于使用了低熔点玻璃焊料焊接，封装工艺中可直接将金属管套与光纤密封，无需将光纤表面金属化，浸润性良好，能够达到气密封装；化学稳定较好，熔封过程中不产生气体，熔封后无残留物；气密封接温度比较低，封接温度范围为330℃～380℃，易于操作；适用性强，相对传统封装，使用该产品封装后的元件寿命长。较常规环氧树脂胶的封装工艺，光纤光栅依靠低熔点玻璃焊接，接触点稳定性好，消除了蠕变造成的波长零点的漂移。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为现有技术提供的现有光纤光栅应变传感器的封装结构示意图；

图2为现有技术提供的丙烯酸酯涂覆层的光纤光栅结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光纤光栅应变传感器的整体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的飞秒激光刻栅、聚酰亚胺涂覆层光纤光栅结构示意图；