一种光纤光栅波长压缩的应变传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是涉及一种光纤光栅波长压缩的应变传感器及其制作方法。

背景技术

FBG(光纤布拉格光栅)应变传感器因其具有本质安全、寿命长、抗电磁干扰能力强等优势，被用于道路、桥梁、隧道、大坝、边坡等表面应变的测量，从而实现对上述结构进行结构健康监测、状态监测，甚至故障预警的目标。常规的FBG应变传感器(直接将裸FBG进行预拉操作后封装在金属结构上)，其温度和应变的灵敏度分别为10.0pm/℃和1.2pm/uε。一般而言，裸FBG(栅区没有再次涂覆)的波长在受到压缩或者降温作用后，其波长会发生蓝移(波长变小)，而在受到拉伸或者升温作用后，其波长则发生红移(波长变大)。通常，裸FBG因拉伸引起的波长为5nm左右。由于常规的FBG应变传感器对裸FBG进行了预拉操作(为了准确测量出结构表面的应变，使FBG处于绷直状态的操作，具体做法是利用光栅预拉设备对裸FBG施加一定的拉力，待裸FBG的波长达到预设值后，利用环氧胶将裸FBG两端固定的操作)，其因拉伸引起的波长变化范围只为3nm左右(太小)。常规的FBG应变传感器的另外一个明显缺点是其波长只能发生红移，不能发生蓝移。这是由于常规的FBG应变传感器需要对裸FBG进行预拉操作，预拉后的裸FBG(处于绷直状态)受到外部(轴向)挤压力时，裸FBG会发生弯曲(甚至断裂)，发生弯曲的裸FBG不是处于绷直状态，则不能再用于结构表面应变的测量。

骆飞等人在专利号为CN101424771B题为“光纤光栅调谐装置和光学系统”的国内发明专利中描述了一种光纤光栅波长调谐装置，通过紧密的机械装置可实现对光纤光栅波长进行拉伸，但该装置结构复杂、涉及零部件较多，且该光纤光栅因拉伸引起的波长变化范围小于5nm；此外，Long在专利号为No.6360042题为“Tunable optical fiber gratingsdevice(可调谐光纤光栅装置)”的美国专利中描述了一种将裸光栅粘贴在悬臂梁上的方法，以达到对裸光栅波长拉伸的目的，但该方法严重依赖于操作人员熟练的粘贴技术，且该裸光栅因拉伸引起的波长变化范围不超过5nm。

发明内容

为解决应变传感器的光纤光栅波长因拉伸引起的波长变化范围较小的问题，本发明提出了一种光纤光栅波长压缩的应变传感器及其制作方法。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种光纤光栅波长压缩的应变传感器，包括刻有光栅的光纤、热固化涂层和热胀冷缩基底，所述光纤包括具有所述光栅的裸光纤段，所述裸光纤段由所述热固化涂层经过热固化工艺固定在所述热胀冷缩基底上，经过所述热固化工艺后冷却的所述热胀冷缩基底通过热胀冷缩作用压缩所述光栅的初始波长，从而增大所述光栅受拉伸时引起的波长变化范围。

在一些实施例中，所述热固化涂层为聚酰亚胺涂层或环氧树脂胶涂层或UV胶涂层。

在一些实施例中，所述热胀冷缩基底为金属基底，优选为铝或铝合金或不锈钢。

在一些实施例中，所述热固化涂层与所述热胀冷缩基底的热膨胀系数差的绝对值小于等于3.0×10

在一些实施例中，所述光栅为布拉格光栅、长周期光栅、啁啾光栅或倾斜光栅。

在一些实施例中，所述热固化涂层的厚度大于或等于所述裸光纤段的直径，涂覆长度超出所述裸光纤段的长度。

在一些实施例中，所述热固化涂层的宽度大于所述裸光纤段的直径且不大于10mm。

在一些实施例中，所述裸光纤段的长度大于所述光栅的长度。

在一些实施例中，所述热胀冷缩基底具有平滑面，所述裸光纤段固定在所述平滑面上。

本发明还提出了一种上述的应变传感器的制作方法，包括：

S1、将光纤的具有光栅的裸光纤段放置在热胀冷缩基底上，并在所述裸光纤段上涂覆热固化涂层；

S2、经过热固化工艺，将所述裸光纤段由所述热固化涂层固定在所述热胀冷缩基底上，然后使所述热胀冷缩基底冷却。

在一些实施例中，所述热固化涂层为聚酰氨酸溶液，步骤S2中的热固化工艺的温控过程包括：从室温升至80℃并维持1小时；将温度升至160℃并维持1小时；再将温度升至220℃并维持2小时；然后使温度自然冷却至室温。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：

本发明通过裸光纤段由热固化涂层经过热固化工艺固定在热胀冷缩基底上，冷却的热胀冷缩基底因为热胀冷缩的作用压缩了光栅的初始波长，从而增大光栅受拉伸时引起的波长变化范围。在一些优选实施例中，利用金属基底的热胀冷缩作用迫使FBG周期变小，导致FBG初始波长的极大压缩，FBG的初始波长至少减少3nm，使得FBG应变传感器因拉伸引起的波长变化范围得到明显提高。

本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

附图说明

图1a是本发明实施例中布拉格光栅应变传感器装配前的结构示意图；

图1b是本发明实施例中布拉格光栅应变传感器装配后的结构示意图；

图2是本发明实施例中应变传感器SFBG2和SFBG3的波长随温度的变化关系曲线图；

图3是本发明实施例中布拉格光栅应变传感器因拉伸引起的波长变化示意图；

附图标记如下：

1-光纤，1.1-普通光纤段，1.2-裸光纤段，1.2.1-布拉格光栅，2-聚酰亚胺涂层，3-金属基底。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

以下是对本发明实施例的概述：

本发明实施例提出了一种光纤光栅波长压缩的应变传感器，包括刻有光栅的光纤、热固化涂层和热胀冷缩基底，所述光纤包括具有所述光栅的裸光纤段，所述裸光纤段由所述热固化涂层经过热固化工艺固定在所述热胀冷缩基底上，经过所述热固化工艺后冷却的所述热胀冷缩基底通过热胀冷缩作用压缩所述光栅的初始波长，从而增大所述光栅受拉伸时引起的波长变化范围。

在一些实施例中，热固化涂层与热胀冷缩基底具有相近的热膨胀系数，两者的热膨胀系数差的绝对值小于等于3.0×10

其中热固化涂层可以为聚酰亚胺涂层或环氧树脂胶涂层或UV胶涂层；热胀冷缩基底可以为金属基底，优选为铝或铝合金或不锈钢；光栅可以为布拉格光栅、长周期光栅、啁啾光栅或倾斜光栅。本发明中所称的光栅的含义不限于单个光栅，也涵盖多个光栅形成的光栅串。优选地，热固化涂层的厚度大于或等于所述裸光纤段的直径，涂覆长度超出所述裸光纤段的长度，裸光纤段的长度大于所述光栅的长度，热固化涂层的宽度大于所述裸光纤段的直径且不大于10mm。

在一些实施例中，热胀冷缩基底具有平滑面，裸光纤段固定在平滑面上。

本发明实施例还提出了一种应变传感器的制作方法，包括：

S1、将光纤的具有光栅的裸光纤段放置在热胀冷缩基底上，并在所述裸光纤段上涂覆热固化涂层；

S2、经过热固化工艺，将所述裸光纤段由所述热固化涂层固定在所述热胀冷缩基底上，然后使所述热胀冷缩基底冷却。

其中热固化涂层为聚酰氨酸溶液，步骤S2中的热固化工艺的温控过程包括：从室温升至80℃-100℃并维持1-2小时；将温度升至150℃-160℃并维持1-2小时；再将温度升至220℃-230℃并维持2-3小时；然后使温度自然冷却至室温。

实施例

本实施例的光纤光栅采用布拉格光栅，并提出了一种实现布拉格光栅(FBG)波长压缩的应变传感器及其制作方法。

布拉格光栅(FBG)波长压缩的应变传感器包括刻有FBG的光纤、聚酰亚胺涂层和金属基底，其中聚酰亚胺涂层为热固化涂层，金属基底为热胀冷缩基底；刻有FBG的光纤由两段光纤构成，即含有聚酰亚胺涂层的普通光纤段和剥去聚酰亚胺涂层的裸光纤段(裸光纤段长度为剥纤长度)；

聚酰亚胺涂层由聚酰氨酸溶液经过热固化工艺后形成的薄膜，其厚度需大于或等于裸光纤段的直径，其长度需大于剥纤长度，用于保护裸光纤段和将裸光纤段固定在金属基底上；其中裸光纤段的长度大于布拉格光栅的长度；

聚酰亚胺涂层与金属基底之间拥有强的附着力，该附着力可以将刻有FBG的光纤牢牢地固定在金属基底上；

利用金属基底的热胀冷缩作用迫使FBG周期变小，导致FBG波长的极大压缩，使得FBG应变传感器因拉伸引起的波长变化范围得到明显提高。

裸光纤段包括一段折射率周期性变化的光栅结构即FBG，其长度在3～10mm不等。

聚酰氨酸溶液的固含量为15％，粘度为16000cP，其为黄色透明澄清液体，溶剂的主要成分为二甲基乙酰胺。

本实施例的应变传感器的制作方法包括以下步骤：

S1、将光纤的具有光栅的裸光纤段放置在热胀冷缩基底上，并在所述裸光纤段上涂覆热固化涂层；

S2、经过热固化工艺，将所述裸光纤段由所述热固化涂层固定在所述热胀冷缩基底上，然后使所述热胀冷缩基底冷却。

其中热固化工艺包括以下步骤：

将鼓风干燥箱的温度从室温升至80℃并维持1小时；再将鼓风干燥箱的温度升至160℃并维持1小时；再将鼓风干燥箱的温度升至220℃并维持2小时；关闭鼓风干燥箱，让其温度自然冷却至室温。

聚酰亚胺涂层与金属基底之间拥有强的附着力，是指金属基底和聚酰亚胺涂层这两种不同物质接触部分之间的相互吸引力，这种吸引力是只有当两种物质分子间的距离非常小时才能显示出来。

优选的，聚酰亚胺涂层与所选用的金属基底具有相近的热膨胀系数，两者的热膨胀系数差的绝对值小于等于3.0×10

金属基底厚度大于0.1mm即可，其形状没有特别要求，其材料可以为铝及其合金、不锈钢等。

金属基底表面需平坦、光滑，且没有油渍、锈渍等。

FBG波长的极大压缩是指相比初始波长，成膜后的FBG波长至少减少3nm。

在另一些实施例中，热固化涂层为环氧树脂胶涂层或UV胶涂层；热胀冷缩基底优选为铝或铝合金或不锈钢；光栅为长周期光栅、啁啾光栅或倾斜光栅。

其中刻有FBG的光纤制作方法包括以下步骤：

步骤1：预先从Corning公司购买纤芯内掺锗的普通单模光纤(SMF)。SMF的涂覆层、包层、纤芯三部分构成，其中涂覆层材料可以是丙烯酸酯或聚酰亚胺，包层和纤芯的材料为二氧化硅且纤芯的折率略高于包层的折射率。

步骤2：借助准分子激光器与相位掩模板结合技术在SMF刻写FBG。具体做法是利用光纤剥纤钳先将纤芯内掺锗的SMF局部剥去涂覆层(剥纤长度3-15mm)，再把局部剥去涂覆层的光纤即裸光纤段放置在相位掩模板正后方，利用248nm的准分子激光器发出紫外激光，该光束通过波形整形组合(主要由柱面镜、光阑、准直镜等构成)后到照射到相位掩模板上，通过掩模板后形成衍射光束，照射到裸光纤段的包层和纤芯，入射光子和纤芯内的锗离子相互作用引起纤芯折射率发生永久性的改变。

步骤3：对刻写好FBG的SMF进行后续处理。具体做法如下：

1)将刻写好FBG的SMF放入温度箱内进行高温退火处理(120℃，保持24小时)，用于降低FBG的内应力，使FBG的性能稳定；

2)取出高温退火处理后的刻有FBG的SMF，利用光谱仪测试对其进行测试，测试指标包括波长、-3dB带宽、边模抑制比(SMSR)、反射率；

3)挑选出高质量(-3dB带宽<7nm，SMSR的绝对值≥15dB，反射率≥50％)的刻有FBG的SMF作为本发明中所述的刻有FBG的光纤。

在一些实施例中，用其他涂覆材料将FBG固定在金属基底上制作成应变传感器，比如353ND胶、UV胶等。

在一些实施例中，裸光栅段上刻写除布拉格以外的光栅，如长周期光栅、啁啾光栅、倾斜光栅等。

在一些实施例中，利用聚酰亚胺涂覆层在金属基板上固定多个光栅。

本发明实施例具有如下有益效果：

本实施例中提供了一种实现FBG波长压缩的应变传感器及其制作方法，本实施例中的应变传感器通过聚酰亚胺涂层与金属基底之间强的附着力，将刻有FBG的光纤牢牢地固定在金属基底上，利用金属基底的热胀冷缩作用迫使FBG周期变小，导致FBG波长的极大压缩，即FBG的初始波长至少减少3nm，使得FBG应变传感器因拉伸引起的波长变化范围得到明显提高。

实验例：

本发明实验例中FBG应变传感器装配前后的结构如图1a和图1b所示，本发明实验例中的应变传感器包括刻有FBG的光纤1、聚酰亚胺涂层2和金属基底3。

其中，刻有FBG的光纤1由两段光纤构成，即含有涂覆层的普通光纤段1.1和剥去涂覆层的裸光纤段1.2(裸光纤段长度为剥纤长度用字母L标识)；剥去涂覆层的裸光纤段1.2中间包含一小段布拉格光栅1.2.1(即FBG)，布拉格光栅长度用字母K标识，K与L需满足K

聚酰亚胺涂层2由聚酰氨酸溶液经过热固化工艺后形成的薄膜，其厚度需大于或等于裸光纤段的直径125um，其长度需大于剥纤长度L，其宽度最好满足以下关系：裸光纤段的直径125um<其宽度≤10mm，需要注意的是成膜后，尽量做到裸光纤段在聚酰亚胺涂层2横向的中轴线上，聚酰亚胺涂层2用于保护裸光纤段1.2和将其固定在金属基底3上；

金属基底3表面要求平坦、光滑，且没有油渍、锈渍等，否则可能引起布拉格光栅1.2.1的波形发生畸变。

本实验例中4个FBG应变传感器(SFBG1-SFBG4)在成膜前后的环境温度和波长变化如表1所示，由于预拉操作是制作常规FBG应变传感器的必要步骤，为了对比有无预拉操作对本发明中FBG应变传感器的波长影响。

在本实验例中，准备了4个应变传感器(即SFBG1-SFBG4)，其中SFBG1和SFBG2无预拉操作，而SFBG3和SFBG4进行了预拉操作，预拉波长的计算如下：预拉后的波长减去初始波长，之后再减去温度导致的波长偏移(即温度灵敏度与预拉前后温度差之间的乘积)。可以计算出SFBG3的预拉波长为2.094nm，即1537.345-1535.249-(24.6-24.4)×10÷1000＝2.094，此处的数值10为裸光栅的温度灵敏度(即10pm/℃)，1000为皮米(pm)与纳米(nm)之间单位转化产生的数值。

同理，SFBG4的预拉波长为2.084nm，即1537.457-1535.371-(24.6-24.4)×10.0÷1000＝2.084，可以发现，SFBG3和SFBG4的预拉波长均在2nm左右。

此外，由表1可知，SFBG1、SFBG2、SFBG3、SFBG4成膜后的波长减去初始波长和温度导致的波长偏移(本实验例中的FBG应变传感器温度灵敏度约为36pm/℃)分别为-4.289nm、-3.754nm、-3.372nm、-3.175nm，其中“-”表示相比于初始波长，成膜后的波长有所减少(即波长压缩)。

波长有所减少是由于聚酰亚胺溶液在经过热固化工艺时，在高温220℃作用下，变成了性能较为稳定的薄膜(即聚酰亚胺涂层2)，该薄膜与金属基底3之间形成了强的附着力，该附着力将SFBG1、SFBG2、SFBG3、SFBG4中的裸光纤段1.2牢牢的固定在金属基底3上。当温度冷却至室温时，由于热胀冷缩作用，金属基底3会收缩从而迫使裸光纤段1.2收缩，裸光纤段1.2收缩迫使布拉格光栅1.2.1周期(Λ)变小。

根据布拉格波长(λ

这是由于SFBG3和SFBG4进行波长压缩时需要消耗预拉操作带来的波长增大的影响，导致SFBG3和SFBG4的波长压缩稍微弱些。

表1

本实验例中应变传感器SFBG2和SFBG3的波长随温度的变化关系如图2所示，在上述实验例中提到：本实验例中的FBG应变传感器温度灵敏度约为36pm/℃，这是通过试验得到的数值。

以SFBG2和SFGB3为例，把SFBG2和SFGB3放入温度控制箱内，利用FBG波长解调仪(用于FBG波长信号的解调装置)监测SFBG2和SFBG3的波长随温度的变化(从-40℃到120℃)，试验结果如图2所示，SFBG2的波长(y)与温度(x)的关系满足：y＝0.0358x+1530.6491(温度灵敏度为35.8pm/℃)，线性度(R

可以看出SFBG2和FBG3的温度灵敏度在36pm/℃附近，该温度灵敏度是裸光栅的温度灵敏度(10pm/℃)的3.6倍，且两者均有良好的线性度，即两者的线性度(R

表明SFBG2和SFBG3具有良好的温度传感特性，实际上，本发明中的FBG应变传感器在不受应变的情况下，可以当作FBG温度传感器来使用。

本实验例中FBG应变传感器因拉伸引起的波长变化范围如图3所示，通常，裸FBG和常规的FBG应变传感器受到拉伸作用后，它们的波长会发生红移，如图3所示，这是由于当FBG受到拉伸作用时，FBG周期会变大，根据布拉格波长表达式，在纤芯的有效折射率没有明显变化情况下，布拉格波长随FBG周期的变大而增大。对于裸FBG因拉伸导致的波长偏移在5nm左右，常规FBG应变传感器因拉伸引起的波长变化范围为3nm左右，预拉波长在2nm左右。而本实验例中FBG应变传感器其初始波长至少压缩3nm(如表1所示)，即FBG的初始波长发生了蓝移。

此外，由于本发明中FBG应变传感器的FBG用聚酰亚胺涂层2保护，具有更强的抗拉强度。因此，当本发明中FBG应变传感器受到拉伸作用时，能够达到最大偏移波长，甚至超过最大偏移波长，即本发明中的FBG应变传感器因拉伸引起的波长变化范围显著提高(≥8nm)。

本发明实验例的工作原理如下：

通过聚酰亚胺涂层与金属基底之间强的附着力，将刻有FBG的光纤牢牢地固定在金属基底上，利用金属基底的热胀冷缩作用迫使FBG周期变小，导致FBG波长的极大压缩，即FBG的初始波长至少减少3nm，使得FBG应变传感器因拉伸引起的波长变化范围得到明显提高(≥8nm)。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。