[发明专利]同时检测应变与温变的光纤传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器件，特别是一种同时测量温度变化和应力变化双参数的光纤传感器。

背景技术

光纤传感器是光纤传感器中引人注目和十分重要的一类传感器件，使用光纤传感器可对钢结构/混凝土结构的应力和温度变化进行测量。同时由于光纤传感器采用光信号进行检测和传输，因此可以通过波分复用的技术实现任意规模的组网，从而进行大范围监控测量，因此该技术在测量、控制技术领域中，特别是在建筑、石油、采矿、化工、电力、交通等产业中得到了广泛的应用。

光纤微栅的基本原理：在光纤纤芯内形成空间相位微栅，通常为布拉格微栅(Bragg微栅)，由于布拉格微栅的布拉格波长和波形同它所处环境的参数，如温度、应力有着密切的关系，当该微栅所在的区域的温度或应力发生改变时，该光纤的波长会发生相应的变化，通过对上述光纤微栅波长的变化情况监测，即可获得传感器安装所在区域的温度和应力变的变化情况。其检测方法是采用所谓波长编码，即以光纤微栅峰值波长作为传感变量。但是由于光纤微栅对温度和应变同时敏感，即温度和应力变化会同时引起光纤微栅峰值波长的变化，这样通过检测单一光纤微栅峰值波长的变化是无法区分温度和应力这二个参量的。这种交叉敏感效应严重影响着光纤微栅在传感技术中的应用。

为了克服这种效应，人们已提出了几种解决方案，实现同时测量温度和应力的变化。1994年M.GXu等人在《Electronics Letters》刊物第30(13)卷，第1085页发表了一种解决方案，采用在光纤同一位置写入两个布拉格波长相差很大(450nm)的重叠短周期微栅，通过这两种微栅峰值波长的变化对温度和应力具有不同的响应，以此测定温度和应力。这种方案的缺点在于在同一位置写入两个布拉格波长的复合光纤微栅的制备工艺复杂，复合光纤微栅制备费用高，测量中需用两套宽带光源，两套光谱解调设备，整个系统的成本高。

1996年James.S.W等人在《Electronics Letters》刊物第32(12)卷，第1133页提出另一种方法，该方法是将两段不同种类的光纤熔接，而后在熔接处写入微栅，利用其相同周期而不同本底折射率，产生二个分离的布拉格衍射峰。这种方法的缺点是熔接质量的好坏将影响传感器的寿命，而且两段不同种类光纤的芯径不同，会引入耦合损耗(实测为2dB)。

1998年Yu Lung Lo在《Optical Engineering》刊物第37(8)卷，第2272页提出又一种方法，该方法是将一根常规短周期光纤微栅先加应力拉伸，将其一部分粘固在样品上，而后撤掉外加应力，利用粘在样品上的微栅的周期大于自由部分的周期，产生两个不同的布拉格衍射峰，通过其对温度和应力的响应差异，达到同时测量温度和应变的目的。虽然此方法比较简单，但作为实际应用，应力的测量范围会受到限制，同时对波长的解调技术要求很高，另外，这样处理后的拉伸段光纤的芯径比自由部分的要小，影响光纤的机械强度。

以上缺陷制约了光纤传感器在产业中的应用。

此外，由于光纤传感器比较脆弱，因此光纤传感器的封装技术十分关键。在现有技术中，光纤传感器大都使用环氧树脂胶封装。但是，环氧树脂胶具有如下的缺陷：(1)不增韧时，固化物一般偏脆，抗剥离、抗冲击性能差；(2)对极性小的材料(例如，聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等)粘接力小，必须进行表面活化处理；(3)某些原材料如活性稀释剂、固化剂等具有不同程度的毒性和刺激性；(4)环氧树脂胶在高温或高湿度环境下易失效或性能变差(例如：粘接力变小)，这会引起传感器本身的波长蠕变，从而干扰对实际被测物体的应变变化的判断。所以，现有技术中以环氧树脂胶封装的光纤传感器具有难以克服的耐久性问题，使用寿命一般不超过2年。

鉴于以上现有技术的种种不足，本发明提供一种制作工艺简单，可同时测量温度和应力的变化的光纤传感器。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种光纤传感器，它不仅能进行温度和应力传感检测，而且制备工艺简单，成本低，工作稳定可靠。