用于复合材料健康监测的干涉型光纤传感器

摘要

本发明提供的是一种用于复合材料健康监测的干涉型光纤传感器。它由测量光纤、参考光纤、光纤耦合器、光纤连接器连接组成，光纤连接器经过光纤耦合器II连接测量光纤和参考光纤，测量光纤和参考光纤的端部镀有介质膜。发明应用于复合材料领域，涉及干涉型光纤传感器，同以往的传感器相比，该发明使用E2000光纤连接器，保护插针不受灰尘的污染和磨损；在测量光纤和参考光纤的末端镀介质膜，形成高反射面；E2000、测量光纤和参考光纤通过耦合器相连。传感器体积小，重量轻，适合粘贴或埋入到复合材料中。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种传感器，具体地说是一种专用于复合材料健康监测的传感器。

(二)背景技术

复合材料由于轻质、高强而广泛用于航空航天领域。但复合材料受到冲击易于损伤，因此对其进行健康监测，保证整个结构的安全尤为重要。用于监测复合材料健康状况的传感器有光纤类，压电类。使用光纤制作成的传感器，与传统的各种传感器相比，具有众多优点，它集体积小、重量轻、灵敏度高、损耗低、频带宽、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、光路可挠曲、便于与计算机连接、结构紧凑等优点于一身，能够传感多种物理量和化学量，工作可靠，工作温度范围从-150℃～500℃，这些都完全符合在室外恶劣环境工作的要求。现有的光纤光栅传感器，光纤微弯传感器，F-P光纤传感器虽然已用于复合材料的健康监测，但它们都是对结构的点进行监测，而本发明的监测范围却可以根据结构定制，从0.3m～10m均可制作。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种既可以粘贴在结构表面，还可以埋入到复合材料结构中，与复合材料的相容性好，埋入后对结构的力学性能影响小的用于复合材料健康监测的干涉型光纤传感器。

本发明的目的是这样实现的：它由测量光纤、参考光纤、光纤耦合器、光纤连接器连接组成，光纤连接器经过光纤耦合器连接测量光纤和参考光纤，测量光纤和参考光纤的端部镀有介质膜。

本发明还可以包括如下特征：

1、所述的光纤连接器是E2000光纤连接器。

2、所述的光纤耦合器是单模光纤耦合器。

3、所述的测量光纤和参考光纤的端部的介质膜是Ta₂O₅和SiO₂膜。

本发明的传感器的长度可根据结构尺寸定制，其上的连接器防尘耐磨，耦合器小型化，光纤断面的镀膜反射率高。传感器主要包括以下几个部分及主要特点：

1)E2000光纤连接器：E2000连接器是少有的几种装有弹簧闸门的光纤连接器，这样可以保护插针不受灰尘的污染，并不受到磨损。当拔出连接器时，闸门就会自动关闭，以防止污染物，因此保护了因网络故障和有害激光造成的损害。使用的E2000与单模光纤相连，经过实测，最大插入损耗0.11dB，最小0.09dB，最大回波损耗61.2dB，最小59.5dB。

2)单模光纤耦合器：使用的耦合器为1×2，中心波长为1310nm，带宽±40nm，耦合比50％∶50％。其特点有低插入损耗，低附加损耗，低偏振相关损耗，稳定性好，体积小，封装的金属套管直径为3mm。

3)光纤端面镀膜：在光纤端面镀介质膜，材料选取Ta₂O₅和SiO₂，镀膜的层数和厚度设计使反射率在1300±50nm的范围内能够达到95％。

将三个部件准备好后，使用光纤熔接机把光纤部分连接好，形成光通路。

本发明的基本原理为：

干涉型光纤传感器根据迈克尔逊干涉原理设计而成，工作原理如图1所示。1300nm的光源发出宽带光，经耦合器到达连接器，再经过耦合器到达测量光纤和参考光纤。两束光在光纤端面镀膜处发生反射后回到解调仪中，在解调仪中当可移动反射镜所移动的距离与结构的变形相匹配后，两束光发生干涉，并且干涉条纹出现极大值，此时解调仪中的模块输出反射镜移动的距离，测量完毕。

本发明的传感器的性能可通过如下方法分析

1)应变特性

为了检验干涉型光纤传感器的应变特性，制作了微给进装置，该装置的最小给进距离为10μm。装置的左端为三个方向均可调的一个平台，右端是通过螺旋测微装置可横向移动的一个金属平台。在两个平台上固定有光纤夹具，试验中通过右端平台的移动来拉伸光纤，检验其应变特性。

夹持的测量光纤长500mm，预先张拉0.5％，使测量光纤处于张紧状态，然后进行拉伸试验。试验中每次拉伸光纤10μm，然后和SOFO读数仪(传感器的解调装置)测量到的数值进行对比，SOFO读数仪的分辨率为2μm。图2为应变特性的实验结果，可以看出，传感器对应变响应具有很好的线性度，拉伸曲线的线性拟合度0.99976，卸载曲线的线性拟合度0.9996，并且卸载后光纤恢复到了初始状态，只和初始值相差0.002mm。

2)温度特性

用两个传感器来进行此项实验。将一个传感器的测量光纤放置在干燥箱中，参考光纤置于室温下，另一个传感器的两臂都放入到干燥箱中。图3显示了两个传感器的测量结果，只将测量光纤放入干燥箱的传感器的变化值为5.392mm，将两臂均放入干燥箱的变化值为0.818mm。

3)灵敏度分析

灵敏度是指传感器的输出增量与输入增量之比，即：

k＝Δy/Δx

发明为线性传感器，根据2)中的所述实验可得k＝2με/μm。对于大型结构使用的传感器，此精度能满足要求。本发明应用于复合材料领域，涉及干涉型光纤传感器，同以往的传感器相比，该发明使用E2000光纤连接器，保护插针不受灰尘的污染和磨损；在测量光纤和参考光纤的末端镀介质膜，形成高反射面；E2000、测量光纤和参考光纤通过耦合器相连。传感器体积小，重量轻，适合粘贴或埋入到复合材料中。

(四)附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是应变特性曲线；

图3是温度特性曲线。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

用于复合材料健康监测的干涉型光纤传感器的主要组成包括以下几个部分：

E2000光纤连接器；单模光纤耦合器：使用的耦合器为1×2，中心波长为1310nm，带宽±40nm，耦合比50％∶50％；光纤端面镀膜：在光纤端面镀介质膜，材料选取Ta₂O₅和SiO₂，镀膜的层数和厚度设计使反射率在1300±50nm的范围内能够达到95％。结合图1，1300nm的光源1经光纤耦合器I 2连接光纤连接器3，光纤连接器再经过光纤耦合器II4连接测量光纤5和参考光纤6，测量光纤和参考光纤的端部镀有介质膜7。两束光在光纤端面镀膜处发生反射后回到解调仪8中。