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光纤微结构位移 传感器

阅读：1036发布：2021-01-29

专利汇可以提供光纤微结构位移传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种光纤微结构位移传感器，在隔温保护罩的左端设置有左位移传动块、右端设置有滑动活塞，滑动活塞的右端设置有右位移传动块，右位移传动块和隔温保护罩上设置外套装有恢复弹簧的支撑杆，支撑杆的右端设置有位移限制块，左单模光纤的一端穿过左位移传动块与宽带光源相连，右单模光纤的一端穿过滑动活塞和右位移传动块与光谱分析仪相连，左单模光纤的另一端与细芯光纤的一端熔接，右单模光纤的另一端与细芯光纤的另一端熔接，在细芯光纤的包层上加工有折射率调制腔。这种结构的光纤微结构位移传感器，具有结简单、体积小、机械强度高、灵敏度和线性度高等优点，可作为位移传感器，也可作为折射率传感器、温度传感器。，下面是光纤微结构位移传感器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种光纤微结构位移传感器，其特征在于：在隔温保护罩(2)的左端设置有左位移传动块(1)、右端设置有滑动活塞(8)，滑动活塞(8)的右端设置有右位移传动块(9)，右位移传动块(9)和隔温保护罩(2)上设置外套装有恢复弹簧(3)的支撑杆(4)，支撑杆(4)的右端设置有位移限制块(7)，左单模光纤(12)的一端穿过左位移传动块(1)与宽带光源(13)相连，右单模光纤(6)的一端穿过滑动活塞(8)和右位移传动块(9)与光谱分析仪(10)相连，左单模光纤(12)的另一端与细芯光纤(5)的一端熔接，右单模光纤(6)的另一端与细芯光纤(5)的另一端熔接，在细芯光纤(5)的包层(5-2)上加工有折射率调制腔(a)。
2.根据权利要求1所述的光纤微结构位移传感器，其特征在于：所述的折射率调制腔(a)的长度为100～1000μm。
3.根据权利要求1所述的光纤微结构位移传感器，其特征在于：所述的细芯光纤(5)的长度为2～30mm。
4.根据权利要求1所述的光纤微结构位移传感器，其特征在于：所述的细芯光纤(5)的纤芯(5-1)外径是左单模光纤(12)的纤芯(12-1)、右单模光纤(6)的纤芯(6-1)外径的一半。
5.根据权利要求1或3或4所述的光纤微结构位移传感器，其特征在于：所述的细芯光纤(5)为光敏细芯光纤。

说明书全文

光纤微结构位移传感器

技术领域

[0001] 本发明属于传感器技术领域，具体涉及到位移全光纤传感器。

背景技术

[0002] 全光纤传感器主要包括光纤光栅传感器、光纤马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪传感器、光纤法布里-珀罗(Fabry–Pérot)干涉仪传感器和萨格纳克(Sagnac)干涉仪传感器等。全光纤传感器凭借其体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、制作简单、精度高、易集成和分辨率高等优点，已被广泛用于测量温度、应变、磁场、电流和位移等物理量。其检测原理是由被测体上述物理量的变化而引起光纤的反射或者透射光谱的波长偏移、相位变化、偏振态变化及强度变化，然后再通过解调这些光谱变化而达到对被测物理量的检测目的。

[0003] 光纤微位移传感器应用微弯对光传输的影响，实现对微小位移量的测量，由于光传输限制在光纤纤芯内，可免除周围环境的干扰，传感器不仅体积小，而且灵敏度高。

[0004] 目前，单纯利用光纤纤芯错位工艺实现的马赫增德尔干涉应用有很多报道，大部分全光纤类型的传感器，比如光纤光栅、光纤法布里-珀罗传感器，制作工艺复杂，成本较高；其它传统类型的电子类传感器，体积大，结构复杂，抗外界干扰(包括腐蚀、电磁干扰等)能力差；马赫曾德尔干涉结构传感器所利用的纤芯适配结构比较复杂、机械强度相对较差。

[0005] 利用马赫增德尔干涉原理设计的公开号为CN 103063238 A、发明名称为《一种基于马赫曾德尔干涉的全光纤传感器》，用于测试外界温度，折射率、液面及轴向应力等参量的测量传感器，采用在单模光纤的端部熔接多模光纤，多模光纤的端部熔接细芯光纤，细芯光纤的端部熔接单模光纤的结构，这种全光纤传感器，多模光纤和细芯光纤的长度都会明显影响到干涉光谱的强度以及自由光谱范围，而且长度较长、结构复杂机械强度下降，影响到测量范围以及灵敏度。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的问题是克服上述光纤传感器的缺点，提供一种结构简单、体积小、机械强度大、工艺简单的光纤微结构位移传感器。

[0007] 解决上述技术问题的方案是：在隔温保护罩的左端设置有左位移传动块、右端设置有滑动活塞，滑动活塞的右端设置有右位移传动块，右位移传动块和隔温保护罩上设置外套装有恢复弹簧的支撑杆，支撑杆的右端设置有位移限制块，左单模光纤的一端穿过左位移传动块与宽带光源相连，右单模光纤的一端穿过滑动活塞和右位移传动块与光谱分析仪相连，左单模光纤的另一端与细芯光纤的一端熔接，右单模光纤的另一端与细芯光纤的另一端熔接，在细芯光纤的包层上加工有折射率调制腔a。

[0008] 本发明的折射率调制腔a的长度为100～1000μm。

[0009] 本发明的细芯光纤的长度为2～30mm。

[0010] 本发明的细芯光纤的纤芯外径是左单模光纤的纤芯、右单模光纤的纤芯外径的一半。

[0011] 本发明的细芯光纤为光敏细芯光纤。

[0012] 由于本发明采用在细芯光纤的两端熔接单模光纤，细芯光纤的两端熔接单模光纤，细芯光纤的包层内加工有折射率调制腔，细芯光纤5的长度为2～30mm，折射率调制腔的长度为100～1000μm。细芯光纤的纤芯外径是单模光纤的纤芯外径的一半，使得这种传感器具有较高的灵敏度和线性度。本发明具有结简单、体积小、机械强度高、灵敏度和线性度高等优点，可作为位移传感器，也可作为折射率传感器、温度传感器。附图说明

[0013] 图1是本发明实施例1的结构示意图。

[0014] 图2是图1中细芯光纤5与左单模光纤12和右单模光纤6的联接示意图。

[0015] 图3是测试实验的光纤微结构位移传感器的初始光谱图。

具体实施方式

[0016] 下面结合附图和各实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

[0017] 实施例1

[0018] 在图1中，本实施例的光纤微结构位移传感器由左位移传动块1、隔温保护罩2、恢复弹簧3、支撑杆4、细芯光纤5、右单模光纤6、位移限制块7、滑动活塞8、右位移传动块9、光谱分析仪10、光纤夹持器11、左单模光纤12、宽带光源13联接构成。

[0019] 在隔温保护罩2的左端通过螺纹联接安装有左位移传动块1、右端安装有滑动活塞8，滑动活塞8的右端通过螺纹联接安装有右位移传动块9，右位移传动块9和隔温保护罩2上用螺纹紧固联接件固定联接安装有两个支撑杆4，每个支撑杆4外套装有恢复弹簧3，滑动活塞8在外力的作用下可沿着支撑杆4在隔温保护罩2的右端内左右移动，每个支撑杆4的右端焊接联接有位移限制块7，位移限制块7用于限制滑动活塞8向左移动的极限位置。

[0020] 左单模光纤12用光纤夹持器11固定在隔温保护罩2内左侧，右单模光纤6用光纤夹持器11固定在滑动活塞8的左端面。左单模光纤12的一端穿过左位移传动块1与宽带光源13相连，右单模光纤6的一端穿过滑动活塞8和右位移传动块9与光谱分析仪10相连，左单模光纤12的另一端与细芯光纤5的一端熔接，右单模光纤6的另一端与细芯光纤5的另一端熔接，本实施例的细芯光纤5为光敏细芯光纤，这种结构的细芯光纤5，便于在其上进行加工。

[0021] 在图2中，本实施例的左单模光纤12、右单模光纤6、细芯光纤5为市场上销售的商品，左单模光纤12和右单模光纤6是同一种产品，细芯光纤5的长度为15mm，细芯光纤5的纤芯5-1的外径是左单模光纤12的纤芯12-1、右单模光纤6的纤芯6-1外径的一半。在细芯光纤5的包层5-2上用激光加工有折射率调制腔a，本实施例折射率调制腔a的长度为500μm。宽带光源13的光从左单模光纤12输入，由于左单模光纤12的纤芯12-1的外径大于细芯光纤5的纤芯5-1的外径，纤芯失配，左单模光纤12的纤芯12-1中的部分光在它与细芯光纤5熔接处耦合到细芯光纤5的包层5-2中传输，在细芯光纤包层5-2中传输的光进入到折射率调制腔a内传输，由于折射率调制腔a的折射率小于包层5-2的折射率，从而达到使光传输的相位差变大，光通过折射率调制腔a后，在细芯光纤5与右单模光纤6熔接处的细芯光纤包层5-2中传输的光再次耦合到右单模光纤6的纤芯6-1中，这部分光和细芯光纤5的纤芯5-1中的光发生干涉，从右单模光纤6输出到光谱分析仪10。

[0022] 实施例2

[0023] 在本实施例中，细芯光纤5的长度为2mm，细芯光纤5的纤芯5-1的外径是左单模光纤12的纤芯12-1、右单模光纤6的纤芯6-1外径的一半。在细芯光纤5的包层5-2上用激光加工有折射率调制腔a，折射率调制腔a的长度为100μm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0024] 实施例3

[0025] 在本实施例中，细芯光纤5的长度为30mm，细芯光纤5的纤芯5-1的外径是左单模光纤12的纤芯12-1、右单模光纤6的纤芯6-1外径的一半。在细芯光纤5的包层5-2上用激光加工有折射率调制腔a，折射率调制腔a的长度为1000μm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0026] 实施例4

[0027] 在本实施例中，细芯光纤5的长度为2mm，细芯光纤5的纤芯5-1的外径是左单模光纤12的纤芯12-1、右单模光纤6的纤芯6-1外径的一半。在细芯光纤5的包层5-2上用激光加工有折射率调制腔a，折射率调制腔a的长度为1000μm。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0028] 实施例5

[0029] 在本实施例中，细芯光纤5的长度为30mm，细芯光纤5的纤芯5-1的外径是左单模光纤12的纤芯12-1、右单模光纤6的纤芯6-1外径的一半。在细芯光纤5的包层5-2上用激光加工有折射率调制腔a，折射率调制腔a的长度为100μm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0030] 为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1的光纤微结构位移传感器在测试平台上将进行实验，试验情况如下：

[0031] 将光纤微结构位移传感器固定在测试平台上，光纤微结构位移传感器一端固定不动，另一端固定在位移台上。位移台不发生位移时，记录初始光谱；位移从0～70μm每间隔10μm间续变化，记录光谱变化，光谱变化见图3。在图3中，取所记录的干涉光谱中的四个点(初始波长分别为1538.16nm、1545.08nm、1560.68nm、1567.20nm)为测量基准，分别记录每次滑动活塞8发生位移后，光谱的波长值，实验结果见表1。

[0032] 由表1可见，采用本发明实施例1的光纤微结构位移传感器，在实验中所取的波长点对于位移的测量具有很好的灵敏度和线性度。

[0033] 表1滑动活塞8发生位移后光谱的波长值

[0034]位移量(um) 波长I(nm) 波长II(nm) 波长III(nm) 波长IV(nm)
0 1538.16 1545.08 1560.68 1567.20
10 1538.18 1545.10 1560.74 1567.26
20 1538.20 1545.16 1560.80 1567.32
30 1538.24 1545.22 1560.86 1567.38
40 1538.30 1545.28 1560.92 1567.44
50 1538.36 1545.3 1560.98 1567.50
60 1538.40 1545.34 1561.04 1567.56
70 1538.44 1545.38 1561.10 1567.60

[0035] 本发明的工作原理如下：

[0036] 在初始所测物体没有发生位移时，宽带光源13的光从左单模光纤12输入，经过细心光纤5和右单模光纤6传输，进入到光谱分析仪10，记录初始光谱。光在光纤的传输过程中，由于左单模光纤12的线芯12-1和右单模光纤6的线芯6-1的直径大于细芯光纤5的纤芯5-1的直径，在细芯光纤5左端熔接面一部分传导光继续在细芯光纤5纤芯5-1中传导，另一部分进入细芯包层5-2中传输，在细芯光纤5右端的熔接面包层5-2和纤芯5-1中的光会发生干涉。光的干涉强度主要受细芯光纤5的包层5-2和纤芯5-1中光传播的相位影响，而光的相位主要由细芯光纤5的长度、光纤的折射率分布决定。光进入折射率调制腔a，使折射率差Δn发生改变如下式：

[0037] Δn'＝(ncore-ncladding)+(ncore-ncavity)

[0038] 式中Δφ,λ,L,Δn,ncore,ncladding分别为相位差，传导光波长，细芯光纤5的长度，纤芯和包层的折射率差，以及纤芯和包层的折射率，由于折射率调制腔a的折射率小于细芯光纤的包层5-2的折射率，光传播的相位变化Δφ增大如下式：

[0039]

[0040] 式中Lcore,Lcavity分别为细芯光纤5和折射率调制腔a的长度，ncavity为折射率调制腔a的折射率，相位变化Δφ的增大使干涉得到了加强。当所测物体发生了位移，滑动活塞8发生位移时，滑动活塞8压缩细心光纤5，使细芯光纤5发生弯曲，长度发生微小变化，折射率调制腔a的体积发生变化，使得折射率改变，光传播的相位也就会发生改变，反映在光谱上为对应的波长漂移，与所记录的初始光谱进行对比，利用漂移量的数值，可以解调出滑动活塞8发生的位移量大小。

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