專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖光柵門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳感器探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖光柵門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳感器探頭，可以用于監(jiān)測(cè)高端精密結(jié)構(gòu)的門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，例如飛機(jī)、船艦的艙門(mén)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，屬于測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖光柵傳感器的傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制，這一傳感機(jī)制的好處在于(1)測(cè)量信號(hào)不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測(cè)器老化等因素的影響；(2)避免了一般干涉型傳感器中相位測(cè)量的不清晰和對(duì)固有參考點(diǎn)的需要；(3)具有不受電磁干擾、靈敏度高、重量輕、適用于高溫、腐蝕環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)；(4)能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個(gè)布喇格光柵進(jìn)行分布式測(cè)量。光纖光柵已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局對(duì)光纖光柵傳感器的應(yīng)用非常重視，他們?cè)诤教祜w機(jī)X-33上安裝了測(cè)量應(yīng)變和溫度的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)。X-33用做“國(guó)際空間站”的往返飛行。Ames研究中心用無(wú)損傷靈敏壓力傳感器對(duì)直升機(jī)旋翼進(jìn)行測(cè)量，他們將光纖光柵傳感器埋入一個(gè)特別設(shè)計(jì)的套管中，管厚度小于1.6mm，可在飛行和風(fēng)洞試驗(yàn)中提供兩維、實(shí)時(shí)的傳感數(shù)據(jù)。目前直升機(jī)旋翼的壓力傳感是在機(jī)翼上鉆孔，將壓力傳感器放入孔中進(jìn)行測(cè)量。這種有損傷的方法要求對(duì)旋翼進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)和制造，需耗資一百多萬(wàn)美元。他們還將光纖光柵傳感器應(yīng)用于測(cè)量尾部旋翼荷載、轉(zhuǎn)子與機(jī)身的作用、機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子航空動(dòng)力學(xué)、傾斜轉(zhuǎn)子中轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子的相互作用，轉(zhuǎn)軸航空動(dòng)力學(xué)、以及尾流與尾翼的相互作用。
自1996年起，德國(guó)Daimler-Benz研究中心和Daimler-Benz宇航空中客車(chē)共同研究基于光纖光柵的自適應(yīng)機(jī)翼，尋找一種結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)方案優(yōu)化飛機(jī)的航空動(dòng)力學(xué)性能，在結(jié)構(gòu)變化監(jiān)視中埋入了靜態(tài)分布式光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器(Trutzel M，Betz D，Holz M et al.Investigation of Fiber Optic Grating Sensors forApplications in the Aviation Industry，SPIE，1999，3746624～627)。
Blue Road Research聯(lián)合美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心和波音幻影工作組，使用BlueRoad Research生產(chǎn)的光纖光柵傳感器對(duì)飛機(jī)的粘和接頭完好性進(jìn)行了評(píng)估。以前這種評(píng)估所常用的方法，如超聲波和X射線，非常耗時(shí)而且信號(hào)難以處理，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室將光纖光柵傳感器固定在飛機(jī)輕型天線反射器的不同位置，測(cè)量縱向應(yīng)變、彎曲和扭矩。由于反射器的支桿很小，不能用常規(guī)的電阻應(yīng)變儀進(jìn)行測(cè)量。
目前SYSTEMS PLANNING & ANALY SIS，INC受阿林頓海軍研究辦公室的資助，已經(jīng)制成用于美國(guó)海軍艦隊(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的低成本光纖網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)系統(tǒng)基于商用光纖光柵和通信技術(shù)。他們還開(kāi)發(fā)了一種解調(diào)裝置，這個(gè)裝置使用數(shù)字空間波長(zhǎng)域復(fù)用技術(shù)，從而能低成本多復(fù)用地進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，此裝置能以2kHz的取樣率對(duì)多達(dá)120個(gè)分離光纖光柵進(jìn)行詢(xún)查。整個(gè)系統(tǒng)于2001年初進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，計(jì)劃2002年投入商用。最近他們準(zhǔn)備采用光纖光柵傳感技術(shù)和混合空間/波分復(fù)用技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量拖曳陣列的三維形狀，這種技術(shù)對(duì)陣列測(cè)量的改善將超過(guò)現(xiàn)有陣列估算技術(shù)一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而可增強(qiáng)海軍的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)有技術(shù)都存在裸光纖的抗剪切性能差和直接測(cè)量范圍小的缺點(diǎn)，所以對(duì)傳感器探頭結(jié)構(gòu)要進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化，才能保證具體工程的安全使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種光纖光柵門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳感器探頭，能夠有效提高安全測(cè)量范圍，并使其靈敏度更高，工作性能更加可靠。
為實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)提供的光纖光柵門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳感器探頭，由光纖環(huán)行器、圓環(huán)骨架及刻有兩個(gè)布喇格光柵的摻鍺光纖構(gòu)成，圓環(huán)骨架的外圍開(kāi)有凹槽，摻鍺光纖上的兩個(gè)布喇格光柵分別垂直對(duì)稱(chēng)固定在圓環(huán)骨架的上下兩端的凹槽中，兩個(gè)施力點(diǎn)水平對(duì)稱(chēng)加載在圓環(huán)骨架的左右兩端；外部白光從光纖環(huán)行器的第一通道輸入，從第二通道輸出，光纖環(huán)行器的第二通道與摻鍺光纖的首端相連，布喇格光柵將布喇格中心波長(zhǎng)反射譜內(nèi)的光反射回光纖環(huán)行器的第二通道，并由光纖環(huán)行器的第三通道輸出。外部光譜分析儀連接光纖環(huán)行器的第三通道或摻鍺光纖的末端，通過(guò)觀察反射光譜或投射光譜的中心波長(zhǎng)的移位，探測(cè)出應(yīng)變信號(hào)。
本發(fā)明所述的圓環(huán)骨架，其中間是圓形中空，呈環(huán)狀。沿圓環(huán)骨架外圍開(kāi)一道深5mm的凹槽，用來(lái)放置布喇格光柵。
由于本發(fā)明中的圓環(huán)骨架起到了應(yīng)變傳遞和放大的作用，所以構(gòu)成圓環(huán)骨架的材料采用塑性材料。當(dāng)對(duì)圓環(huán)骨架施力時(shí)，圓環(huán)骨架向外變形呈橢圓環(huán)狀，并將形變傳遞到布喇格光柵上。
本發(fā)明所述的布喇格光柵，用填充好光纖油膏的光纖松套管簡(jiǎn)易成纜，再將所述的布喇格光柵用環(huán)氧樹(shù)脂膠固定在圓環(huán)骨架外圍的凹槽中。一根摻鍺光纖上的兩個(gè)布喇格光柵分別垂直對(duì)稱(chēng)固定在圓環(huán)骨架的上下兩端的凹槽內(nèi)，兩個(gè)施力點(diǎn)水平對(duì)稱(chēng)加載在圓環(huán)骨架的左右兩端。
所述的光纖光柵門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳感器探頭能夠傳感的有效范圍或者說(shuō)安全使用范圍，可以通過(guò)調(diào)節(jié)圓環(huán)骨架半徑和凹槽的深度來(lái)改變。
外部白光從光纖環(huán)行器的第一通道輸入，從光纖環(huán)行器的第二通道輸出，光纖環(huán)行器的第二通道與刻有兩個(gè)布喇格光柵的摻鍺光纖的首端相連。布喇格光柵將布喇格中心波長(zhǎng)反射譜內(nèi)的光反射回光纖環(huán)行器的第二通道，并由光纖環(huán)行器的第三通道輸出。如果觀察反射光譜的中心波長(zhǎng)移位，探測(cè)出應(yīng)變信號(hào)，則光譜分析儀連接到環(huán)形器第三通道；如果觀察投射光譜的中心波長(zhǎng)移位，探測(cè)出應(yīng)變信號(hào)，則光譜分析儀連接到刻有兩個(gè)布喇格光柵的摻鍺光纖末端。
本發(fā)明的光纖光柵門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳感器探頭的抗剪性能好，測(cè)量范圍大，具有測(cè)量靈敏度高、工作穩(wěn)定性可靠性更好的特點(diǎn)，可以用于監(jiān)測(cè)高端精密結(jié)構(gòu)的門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，例如飛機(jī)、船艦的艙門(mén)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。


圖1為本發(fā)明光纖光柵門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳感器探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，1為光纖環(huán)行器第一通道，2為光纖環(huán)行器第二通道，3為光纖環(huán)行器第三通道，4為圓環(huán)骨架，5為布喇格光柵，6為刻有兩個(gè)布喇格光柵的摻鍺光纖。
圖2為本發(fā)明傳感器探頭的受力狀態(tài)示意圖。
圖3為傳感器探頭在門(mén)關(guān)狀態(tài)時(shí)布喇格光柵的投射譜。
圖4為傳感器探頭在門(mén)開(kāi)狀態(tài)時(shí)布喇格光柵的投射譜。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
本發(fā)明光纖光柵門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳感器探頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括光纖環(huán)行器、圓環(huán)骨架4、刻有兩個(gè)布喇格光柵5的摻鍺光纖6。
所述的圓環(huán)骨架4，中間是圓形中空，呈環(huán)狀。沿圓環(huán)骨架外圍開(kāi)一道深5mm的凹槽，用來(lái)放置布喇格光柵5。摻鍺光纖6上的兩個(gè)布喇格光柵5分別垂直對(duì)稱(chēng)固定在圓環(huán)骨架4的上下兩端的凹槽中，兩個(gè)施力點(diǎn)水平對(duì)稱(chēng)加載在圓環(huán)骨架4的左右兩端。
所述的布喇格光柵5，用填充好光纖油膏的光纖松套管簡(jiǎn)易成纜，再將所述的布喇格光柵用環(huán)氧樹(shù)脂膠固定在圓環(huán)骨架4外圍的凹槽中。
外部寬帶光源連接光纖環(huán)行器的第一通道1，外部白光從光纖環(huán)行器的第一通道1輸入，從光纖環(huán)行器的第二通道2輸出，光纖環(huán)行器的第二通道2與摻鍺光纖6的首端相連，布喇格光柵5將布喇格中心波長(zhǎng)反射譜內(nèi)的光反射回光纖環(huán)行器的第二通道2，并由光纖環(huán)行器的第三通道3輸出。
外部光譜分析儀連接光纖環(huán)行器的第三通道3或摻鍺光纖6的末端，通過(guò)觀察反射光譜或投射光譜的中心波長(zhǎng)的移位，探測(cè)出應(yīng)變信號(hào)。
本發(fā)明的光纖光柵門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳感器探頭的有效使用范圍或者說(shuō)安全使用范圍，可以通過(guò)調(diào)節(jié)圓環(huán)骨架4的內(nèi)徑、外徑和凹槽的深度來(lái)改變。
圖2為本發(fā)明傳感器探頭的受力狀態(tài)示意圖。如圖2所示，當(dāng)對(duì)圓環(huán)骨架4施力F時(shí)，圓環(huán)骨架4變形呈橢圓環(huán)，形變傳遞到布喇格光柵5。
圖3為門(mén)關(guān)狀態(tài)時(shí)的投射光譜。此時(shí)圓環(huán)骨架4沒(méi)有受擠壓，沒(méi)有形變傳遞到布喇格光柵5，光柵布喇格光柵的反射波長(zhǎng)為1552.34nm。
圖4為門(mén)開(kāi)狀態(tài)時(shí)的投射光譜，圓環(huán)骨架4受到擠壓，形變傳遞到布喇格光柵5，光柵布喇格光柵的反射波長(zhǎng)為1552.64nm。
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳感器探頭，其特征在于由光纖環(huán)行器、圓環(huán)骨架(4)及刻有兩個(gè)布喇格光柵(5)的摻鍺光纖(6)構(gòu)成，所述圓環(huán)骨架(4)的外圍開(kāi)有凹槽，摻鍺光纖(6)上的兩個(gè)布喇格光柵(5)分別垂直對(duì)稱(chēng)固定在圓環(huán)骨架(4)的上下兩端的凹槽中，兩個(gè)施力點(diǎn)水平對(duì)稱(chēng)加載在圓環(huán)骨架(4)的左右兩端；外部白光從光纖環(huán)行器的第一通道(1)輸入，從光纖環(huán)行器的第二通道(2)輸出，光纖環(huán)行器的第二通道(2)與摻鍺光纖(6)的首端相連，布喇格光柵(5)將布喇格中心波長(zhǎng)反射譜內(nèi)的光反射回光纖環(huán)行器的第二通道(2)，并由光纖環(huán)行器的第三通道(3)輸出；外部光譜分析儀連接光纖環(huán)行器的第三通道(3)或摻鍺光纖(6)的末端，通過(guò)觀察反射光譜或投射光譜的中心波長(zhǎng)的移位，探測(cè)出應(yīng)變信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖光柵門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳感器探頭，其特征在于所述圓環(huán)骨架(4)外圍開(kāi)的凹槽深為5mm，圓環(huán)骨架(4)采用塑性材料，受力時(shí)變形呈橢圓環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖光柵門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳感器探頭，其特征在于所述布喇格光柵(5)用環(huán)氧樹(shù)脂膠固定在圓環(huán)骨架(4)的凹槽中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖光柵門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳感器探頭，由光纖環(huán)行器、圓環(huán)骨架、及刻有兩個(gè)布喇格光柵的摻鍺光纖構(gòu)成，圓環(huán)骨架的外圍開(kāi)有凹槽，摻鍺光纖上的兩個(gè)布喇格光柵分別垂直對(duì)稱(chēng)固定在圓環(huán)骨架的上下兩端的凹槽中，兩個(gè)施力點(diǎn)水平對(duì)稱(chēng)加載在圓環(huán)骨架的左右兩端；外部白光從光纖環(huán)行器的第一通道輸入，從第二通道輸出，光纖環(huán)行器的第二通道與摻鍺光纖的首端相連，布喇格光柵將布喇格中心波長(zhǎng)反射譜內(nèi)的光反射回光纖環(huán)行器的第二通道，并由光纖環(huán)行器的第三通道輸出。外部光譜分析儀連接光纖環(huán)行器的第三通道或摻鍺光纖的末端，通過(guò)觀察反射光譜或投射光譜的中心波長(zhǎng)的移位，探測(cè)出應(yīng)變信號(hào)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)的抗剪切性能好，測(cè)量范圍大，穩(wěn)定可靠。
文檔編號(hào)G01J3/28GK1932567SQ20061002914
公開(kāi)日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月20日
發(fā)明者文瑜, 李新碗, 陳建平, 盧加林, 吳龜靈 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)