基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置的製作方法
2023-10-04 15:44:59
專利名稱：基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感技術領域的光纖傳感裝置，具體是一種包含分布於內柱形體和殼體間的基於光纖彎曲形變的螺旋型的物理量測試的光纖傳感裝置。
背景技術：
現有光纖傳感器的種類非常多，而光纖微彎傳感器仍是目前成本低、精度高的一種非常具有潛力的光纖傳感器，微彎傳感器從提出到現在已經有二、三十年的歷史，但由於結構設計上的不合理導致該類型傳感器並沒有大批量使用，甚至鮮見有成熟商業化的產品面市。在《成都科技大學學報》1990年3期，總第51期中第65_70頁有《光纖微彎傳感器結構及其性能研究》，該文章中介紹了一種螺旋型光纖微彎傳感器，示意圖見圖1、圖2，螺旋型變形器1為一鋁製的帶螺紋的圓筒，圓筒上沿圓筒縱向開有四條弧形溝槽4，信號光纖 10纏繞在螺紋7齒谷中，彈性體3是一個緊套在圓筒表面上的橡皮套，光源5-1將光信號輸入到信號光纖10中，信號光纖10的另一端接光探測器5-2，當受外力作用時，溝槽上的橡皮向溝槽內產生變形，從而壓迫相應位置的信號光纖10段向內彎曲，壓力越大，信號光纖10向內彎曲幅度越大，信號光纖10曲率半徑越小，微彎損耗越大，信號光纖10中傳輸的光信號功率變化並通過光探測器5-2感知該變化，當外力取消，橡皮套恢復後，信號光纖10 靠自身的彈性恢復原形。這種光纖傳感器的傳感體為螺旋型，光纖圈數多，光纖長，因此其靈敏度和測試範圍明顯高於其他一般的微彎傳感器。但該傳感器採用了彈性體3，在螺旋型變形器1的溝槽多且較小時，即使沒有受力時，對外界溫度、氣壓敏感的彈性體3也會隨著螺旋型變形器1的溝槽變化而使信號光纖10彎曲而出現測試結果的幹擾和誤差，橡皮套類的高彈性體3的易變形會限制螺旋型變形器1的溝槽數量的增加及溝槽深度的減少，而溝槽數量和溝槽深度是充分發揮微彎型光纖傳感器性能的關鍵，另外橡皮套類的高彈性體 3在使用壽命、內部密度的均勻性及精細機械加工方面均存在著明顯的缺陷，從而限制了該傳感器精度的提高和使用範圍的擴展。
發明內容
為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種基於光纖彎曲的螺旋型光纖傳感裝置，該傳感器結構簡單、設計合理、操作方法方便且使用方式靈活、具有一定的環境抗幹擾能力、靈敏度高，使該光纖傳感器具有廣闊的使用範圍；並可利用時分技術、光時域反射技術(OTDR)及相干頻率調製連續波技術(FMCW)可實現準分布式或分布式測量，為本發明的光纖傳感器的應用進一步提供了非常廣闊的應用前景。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是一種基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置，其特徵在於一個內柱形體及內柱形體外部的殼體，內柱形體的表面上沿縱向分布有多個溝槽，內柱形體外部的殼體的內表面上沿縱向也分布有多個溝槽，且內柱形體表面上的溝槽與內柱形體外部的殼體的內表面上的溝槽是交錯對應的，在內柱形體表面上橫向纏繞有信號光纖，信號光纖夾持在內柱形體表面上溝槽的溝壟與內柱形體外部的殼體內表面上溝槽的溝壟之間，信號光纖的延伸光纖接測試單元。當有物理量如溫度變化時，內柱形體及內柱形體外部的殼體間的距離變化，從而使夾持在內柱形體表面上溝槽的溝壟與內柱形體外部的殼體內表面上溝槽的溝壟之間的信號光纖的彎曲曲率變化，從而使信號光纖內部傳輸的光信號的功率變化，測試單元通過信號光纖的延伸光纖獲取光信號的變化來感知物理量如溫度的變化。測試單元可以是光源和光功率計，也可以選用光時域反射技術(OTDR)及相干頻率調製連續波技術(FMCW)來實現準分布式或分布式測量，或選擇幹涉儀進行更高精度的測量。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的內柱形體表面上橫向上分布有螺紋，信號光纖纏繞在螺紋的齒谷中，從而保持信號光纖位置的固定。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是內柱形體及內柱形體外部的殼體是兩種不同的材料，如感測物理量是溫度時，內柱形體及內柱形體外部的殼體的膨脹係數不同，從而在溫度變化時改變內柱形體及內柱形體外部的殼體間的距離。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是內柱形體及內柱形體外部的殼體其中之一是磁致伸縮材料或電致伸縮材料。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是內柱形體是水晶。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是內柱形體外部的殼體的材料是各向同性的石英玻璃。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是水晶材料的內柱形體和各向同性的石英玻璃殼體共同放置於一個真空腔體內，防止溫度、氣壓等因素對內柱形體和殼體的影響。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是信號光纖的一端安置有光反射裝置。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是信號光纖的另一端與1X2分路器的1 口連接，1X2分路器的2 口分別接測試單元的光信號輸入輸出口。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是在信號光纖的一端安置的光反射裝置是光纖光柵型反射器件。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是內柱形體是一個腔體，如管狀的。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是內柱形體是錐體狀，內柱形體外部的殼體的內腔也是與內柱形體的錐體狀相匹配，改變兩者的軸向距離，則會改變信號光纖的彎曲曲率，從而通過測試單元感知軸向位移的大小。所述信號光纖為外部包有多層光纖保護層的光纖，如緊套光纖、碳塗覆光纖、金屬塗覆光纖或聚醯亞胺塗覆。所述信號光纖是多芯光纖、偏振光纖、雙模光纖、高分子聚合物光纖或光子晶體光纖。本發明與現有技術相比具有以下優點1、結構簡單、加工製作方便且結構形式多樣，使用方式靈活。
2、使用操作簡便且各組件間連接關係設計合理，通過螺旋形纏繞於內柱形體上的信號光纖，大大增加了信號光纖隨物理量變化可以彎曲的長度，從而在保證信號光纖壽命的基礎上，提高了測試精度。3、通過選擇具有不同物理性質的材料，可以監測不同的物理量，如內柱形體選擇具有壓電特性的水晶材料，殼體選擇各向同性的石英玻璃，水晶在高電壓時具有逆壓電效應，水晶體積的微小變化使信號光纖的彎曲曲率變化，從而使信號光纖內部傳輸光信號的損耗變化，並通過測試單元獲取該變化，從而感知到電壓、電流的變化，也可以根據信號光纖彎曲曲率的形變的變化，利用測試單元通過幹涉法獲取信號光纖形變量的大小而感知電壓的變化，在電力傳輸領域特別是超高電壓領域具有廣闊的用途。4、內柱形體是管狀體時，可安置於管線上，感知管子內部的壓力變化。綜上所述，本發明結構簡單、設計合理、加工製作方便且使用方式靈活、靈敏度高、 使用效果好，該傳感器結構簡單、設計合理、操作方法方便且使用方式靈活、具有一定的環境抗幹擾能力、靈敏度高，使該光纖傳感器具有廣闊的使用範圍；並可利用時分技術、光時域反射技術(OTDR)及相干頻率調製連續波技術(FMCW)可實現準分布式或分布式測量，為本發明的光纖傳感器的應用進一步提供了非常廣闊的應用前景。下面通過附圖和實施例，對發明的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為現有技術的實施方式的結構示意圖。圖2為現有技術的實施方式的橫截面示意圖。圖3為本發明第一具體實施方式
的結構示意圖。圖4為圖3中沿A-A，的剖面結構示意圖。圖5為本發明第二具體實施方式
的結構示意圖。圖6為本發明第三具體實施方式
的結構示意圖。圖7為圖6中沿B-B，的剖面結構示意圖。附圖標記說明
權利要求
1.基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置，其特徵在於一個內柱形體及內柱形體外部的殼體，在內柱形體的表面上沿縱向分布有多個溝槽，在內柱形體外部的殼體的內表面上沿縱向也分布有多個溝槽，且內柱形體表面上的溝槽與內柱形體外部的殼體的內表面上的溝槽是交錯對應的，在內柱形體表面上橫向纏繞有信號光纖，信號光纖夾持在內柱形體表面上溝槽的溝壟與內柱形體外部的殼體內表面上溝槽的溝壟之間，信號光纖的延伸光纖接測試單元。
2.按照權利要求1所述的基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置，其特徵在於所述的內柱形體表面上橫向上分布有螺紋，信號光纖纏繞在螺紋的齒谷中。
3.按照權利要求1所述的基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置，其特徵在於內柱形體及內柱形體外部的殼體是兩種不同的材料。
4.按照權利要求1所述的基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置，其特徵在於內柱形體或內柱形體外部的殼體是由磁致伸縮材料或電致伸縮材料構成。
5.按照權利要求4所述的基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置，其特徵在於內柱形體是由水晶材料構成。
6.按照權利要求5所述的基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置，其特徵在於內柱形體外部的殼體是由各向同性的石英玻璃構成。
7.按照權利要求6所述的基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置，其特徵在於水晶材料的內柱形體和各向同性的石英玻璃殼體共同放置於一個真空腔體內。
8.按照權利要求1所述的基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置，其特徵在於內柱形體是一個管狀體。
9.按照權利要求1所述的基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置，其特徵在於內柱形體是錐體狀，內柱形體外部的殼體的內腔也是錐體狀。
10.按照權利要求1至9任意一項所述的基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置，其特徵在於信號光纖的一端安置有光反射裝置。
11.按照權利要求10所述的基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置，其特徵在於 信號光纖的另一端與1X2分路器的1 口連接，1X2分路器的2 口分別接測試單元的光信號輸入輸出口。
12.按照權利要求10所述的基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置，其特徵在於 在信號光纖的一端安置的光反射裝置是光纖光柵型反射器件。
全文摘要
本發明公開了一種基於光纖彎曲形變的螺旋型光纖傳感裝置，通過使光纖處於螺旋型多圈型結構，大大延長了信號光纖的有效作用長度，內柱形體和內柱形體外部的殼體間有對應的多道溝槽，在大幅度減小信號光纖彎曲曲率形變情況下提高了本發明光纖傳感裝置的動態範圍，並在內柱形體和殼體的材料上通過選擇不同的材料感知不同的物理量，使本發明可以應用於更多的場合，本發明結構簡單、設計合理、加工製作方便且使用方式靈活、靈敏度高、壽命長、使用效果好，並可擴展為多種物理量的測定，為本發明的光纖傳感裝置的應用提供了非常廣闊的應用前景。
文檔編號G01D5/26GK102235884SQ20101015644
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月27日 優先權日2010年4月27日
發明者杜兵, 杜蔚, 杜迎濤 申請人:西安金和光學科技有限公司