控制光纤光栅中心波长的传感器制作装置转让专利
申请号 : CN202111616146.5
文献号 : CN113983945B
文献日 : 2022-03-22
发明人 : 周军 , 罗浩 , 李五一 , 朱海龙 , 肖增利 , 李智
申请人 : 南京牧镭激光科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种控制光纤光栅中心波长的传感器制作装置,其特征在于它包括工装单元和测试单元,
所述工装单元包括:传感器基底(3)、传感器制作平台(4)、三维微位移光纤调整架(5),其中:传感器基底(3)和三维微位移光纤调整架(5)呈直线排列,并固定于传感器制作平台(4)上;含光纤光栅的单模光纤(1)放置于传感器基底(3)的轴线中心,在距光纤光栅左边
1cm的光纤涂覆层处,点胶并加热固化,单模光纤(1)的另一端固定于三维微位移光纤调整架(5)上;
所述测试单元包括:宽带光源、3dB耦合器、光纤光栅解调仪和上位机,其中:单模光纤(1)的一端和宽带光源分别连接3dB耦合器的输入端,3dB耦合器的输出端通过光纤光栅解调仪连接上位机;
测试单元对单模光纤(1)中光纤光栅的中心波长进行实时监测,当监测发现中心波长的拉伸量异常,控制高精度微位移移动平台动作,定量改变光纤光栅的预拉伸量=温补后的光纤光栅的中心波长变化量ΔλB';温补后的光纤光栅的中心波长变化量ΔλB'通过下式获得:
ΔλB'=(1‑Pe)·ɛ·(λB-ΔλBT)其中,ΔλB是光纤光栅的中心波长变化量,ɛ是传感器的应变量,Pe是光纤光栅的有效弹光系数,λB是光纤光栅的中心波长,ΔλBT是温度影响下光纤光栅的中心波长的变化量;通过下式计算温度影响下光纤光栅的中心波长的变化量ΔλBT:ΔλBT=(2·neff·Λ)·Δd/d其中,neff为光纤光栅的折射率,Λ为光纤光栅的周期,d为光纤光栅栅区的长度,Δd为栅区长度的变化量;栅区长度的变化量Δd通过下式获得:Δd/d=a·ΔT
其中,ΔT表示单模光纤(1)的实时温度与标准温度的差值,a表示热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于工装单元还包括可旋转圆形支柱(7),可旋转圆形支柱(7)上固定热吹风机,热吹风机枪口对准光纤专用胶涂胶位置,通过吹风完成加热固化操作。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于工装单元还包括磁力夹具(6),磁力夹具(6)中间设有245µm光纤放置槽,通过磁铁将单模光纤(1)的另一端固定于三维微位移光纤调整架(5)上。
4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于工装单元还包括Z轴位移平台(2),传感器基底(3)设置在Z轴位移平台(2)上,Z轴位移平台(2)在高度上可调,确保单模光纤(1)和传感器基底(3)的完美贴合。
5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于三维微位移光纤调整架(5)型号为7SAM301,用于实现单模光纤(1)的定量拉伸。
6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于标准温度设为20℃或由温度计测得。
说明书 :
控制光纤光栅中心波长的传感器制作装置
技术领域
背景技术
较大误差;二是光栅中心波长预拉伸量过大,进行大范围的正应变测量时,光栅容易断裂,
降低了传感器的生存应变和可靠性;三是在解调范围受限的环境中,光栅中心波长预拉伸
量不一致,预拉伸量的精度没有控制在一定范围内,会导致部分传感器在使用中超出可解
调的波长范围,无法满足全应变范围的测量需求。
应用于航天航空,风力水利发电和井下勘探等领域。光纤光栅传感器是众多光纤传感类型
中使用最为广泛的一种,目前已成为一种值得信赖的传感监测技术,特别是在一些应用于
温度和应变监测的传感领域中。光纤光栅传感器的封装技术是其走向工程化的关键,有必
要保证传感器封装技术的可靠性。
Λ是光栅周期。纤芯折射率和光栅周期的变化都会引起光纤光栅中心波长的变化。根据应
变产生变化时,会引起光纤光栅栅区的拉伸或收缩,改变光栅的中心波长。
法监测负应变。同样,若是在需求大量程的负应变检测环境中,若光纤光栅8预拉伸量过小,
仍会在达到一定测量范围后,光纤光栅8不受力变为松弛状态,无法进行更大的负应变监
测。为了满足测量负应变的需求,有必要在制作光纤光栅应变传感器时对内部光纤光栅进
行一定量的预拉伸。
出本身承受能力,最终断裂。同时,为了满足批量生产的需求或是在一些可解调波长范围有
限的条件下,需要将光纤光栅预拉伸量控制在0.2nm的精度范围内。控制光纤光栅预拉伸
量,保证预拉伸的一致性,是光纤光栅应变传感器封装的关键。
的难度,降低了传感器的制作效率,成品率不高;二、采用高精度电动位移平台,该方法操作
简单,波长拉伸可调且拉伸一致性好,但是零部件多为国外进口,成本高昂;三、采用固定拉
伸工装如图2所示,传感器基底3、不锈钢凸台9、不锈钢夹具10、螺丝11构成传感器制作平台
4,其中:不锈钢凸台9放置于传感器基底3上面,不锈钢夹具10通过螺丝11固定于传感器基
底3的一端。这种方法操作简单,但是无法控制波长拉伸量的大小,拉伸量控制精度低,对于
不同的波长拉伸量需求需要不同的工装设计,这限制了该方法在制作传感器时的应用。
动螺钉使不锈钢夹具不断向内收缩,直至完全夹紧传感器基片。通过加热的方式使光纤和
传感器基片粘合在一起,并完全固化。在加热过程中,不锈钢夹具会受热膨胀,向内挤压传
感器基片。受到挤压的传感器基片会在冷却后,慢慢恢复到原来的状态。在传感器基片冷却
并恢复的过程中,会顺带拉伸已经粘合在基片上的光纤,从而起到一个光纤光栅预拉伸的
作用。这种固定工装的方法虽然操作简单,但是仍存在一些缺点:一是无法控制光纤光栅波
长拉伸量的大小,光纤光栅的拉伸量是随机的,不可控的;二是对于光纤光栅拉伸量的控制
精度低,达到预拉伸量精度±0.2nm的需求;三是传感器制作过程中,无法实时监测并调整
光纤光栅中心波长预拉伸量,降低了传感器生产的成品率。
发明内容
围内,提高了光纤光栅应变传感器封装的一致性和传感器的成品率。
栅的单模光纤放置于传感器基底的轴线中心,在距光纤光栅左边1cm的光纤涂覆层处,点胶
并加热固化,单模光纤的另一端固定于三维微位移光纤调整架上;
调仪连接上位机。
温补后的光纤光栅的中心波长变化量ΔλB'。
端面进行特殊处理,由此保证传感器制作工艺的一致性;
致性,提高了传感器制作的一致性。
附图说明
具体实施方式
作平台4上;含光纤光栅的单模光纤1放置于传感器基底3的轴线中心,在距光纤光栅左边
1cm的光纤涂覆层处,点胶并加热固化,单模光纤1的另一端固定于三维微位移光纤调整架5
上。将三维微位移光纤调整架5水平轴线对准传感器基底3放置,将磁力夹具6固定于三维微
位移光纤调整架5上。磁力夹具6中间设有245µm光纤放置槽,并通过上下两块磁铁将光纤固
定,以便于后续光纤光栅8的拉伸。将单模光纤1尾纤部分放置于磁力夹具6中间的槽上,并
对光纤进行固定。通过调节三维微位移光纤调整架5的xyz轴方向的位置,加大或减小作用
在单模光纤1上的拉力。单模光纤1上的拉力会传递到光纤光栅8上,导致中心波长的增大或
减小。通过拉伸或压缩得到想要的中心波长漂移量后,对光纤光栅8进行点胶固化。
通过光纤光栅解调仪连接上位机。宽带光源发出自发辐射光,经过3dB耦合器后传输至无热
化应变传感器,传感器中的光纤光栅会反射满足Bragg条件的光,反射光经过3dB耦合器会
进入光纤光栅解调仪,解调仪由此解调出反射光的中心波长,通过上位机程序对中心波长
进行实时监测。在制作应变传感器过程中,若监测得到传感器中心波长拉伸量异常,可及时
通过高精度微位移移动平台控制光纤光栅的预拉伸量,保证应变传感器制作的一致性。
时,需要用到热风枪加热,起到加速固化及增加粘胶强度的作用。使用353ND光纤专用胶涂
覆于光纤光栅8左边1cm里的光纤处,调整可旋转圆形支柱7,将热风枪枪口对准涂胶位置,
加热固化。
预拉伸量=温补后的光纤光栅的中心波长变化量ΔλB'。
得:
代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。