光纖傳感器、光纖傳感器製造方法及光纖傳感器測量系統與流程

2024-03-25 05:41:05

本發明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種光纖傳感器、光纖傳感器製造方法及光纖傳感器測量系統。

背景技術：

在石油開採、化工產業和航空航天等行業的生產過程中，傳感器常用於高溫環境下的參數測量。當前，高溫環境下傳感器的通常使用輻射式紅外測溫儀和貴金屬製造的熱電偶傳感器。但熱電偶傳感器在高溫時抗氧化性能差，長期使用會產生較大誤差；輻射式紅外測溫儀常用於遠距離遙測，但其測量精度不高、可靠性差。輻射式紅外測溫儀和貴金屬製造的熱電偶傳感器兩種常用傳感器在耐高溫能力、尺寸和抗電磁幹擾等方面還遠遠不能滿足生產的需求。而光纖傳感器具有抗電磁幹擾、耐高溫、體積小、無源和便於復用等特點，為高溫環境下的參數測量提供了一條較佳的解決途徑。

但現有的光纖傳感器無法同時實現溫度和應力的雙參數測量，從而導致需要兩套光纖傳感器的測量系統同時應用在一個設備中，這樣既佔用了設備中過多的空間，又增加了設備的成本。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是，提供一種光纖傳感器、光纖傳感器製造方法及光纖傳感器測量系統，克服現有技術中無法通過一個光纖傳感器對溫度和應力進行雙參數測量的缺陷。

本發明採用的技術方案是，所述光纖傳感器，包括：第一光纖和第二光纖；

所述第一光纖和所述第二光纖均為圓柱體；

所述第一光纖的第一橫截面與所述第二光纖的第一橫截面熔接；所述第一光纖與所述第二光纖同軸；

所述第一光纖的第一橫截面用於反射所述第一光纖的第二橫截面的入射光；

所述第二光纖的第一橫截面設置有與所述第二光纖同軸的圓柱形孔；

所述圓柱形孔的底面用於反射所述第一光纖的第二橫截面的入射光；

所述第二光纖的第二橫截面用於反射所述第一光纖的第二橫截面的入射光。

進一步的，所述第一光纖包括纖芯和包層；

所述纖芯為二氧化矽材料的晶體光纖；所述包層設置有多個圓柱形空氣柱；

所述圓柱形空氣柱的軸與所述第一光纖的纖芯軸平行。

進一步的，所述纖芯折射率高於所述包層折射率，以使所述纖芯與所述包層的接觸面對光能夠全反射。

進一步的，所述第二光纖為藍寶石光纖；所述第二光纖的長度為10～6000μm。

進一步的，所述圓柱形孔填充氣體為空氣；所述圓柱形孔的長度為10～3000μm；所述圓柱形孔的端面直徑為11～80μm。

本發明還提供一種光纖傳感器測量系統，包括：光源、光譜測量單元、計算單元和上述光纖傳感器；

所述光源和所述光譜測量單元均設置在所述第一光纖的第二端面；

所述光譜測量單元，用於測量第一反射光與第二反射光的第一相位差；測量第二反射光與第三反射光的第二相位差；

所述第一反射光為所述第一光纖的第一橫截面的放射光；

所述第二反射光為所述圓柱形孔的底面的放射光；

所述第三反射光為所述第二光纖的第二橫截面的放射光；

所述計算單元，用於基於所述光譜測量單元測量得到的所述第一相位差和所述第二相位差，計算環境溫度和環境應力。

進一步的，所述計算單元，具體用於：

基於所述光譜測量單元得到的所述第一相位差，計算所述圓柱形孔的長度；根據所述圓柱形孔的長度與應力的映射關係，得到環境應力；

基於所述光譜測量單元得到的所述第二相位差，計算所述圓柱形孔的底面至所述第二光纖的第二橫截面的距離；基於所述距離與溫度的映射關係，得到環境溫度。

本發明還提供一種光纖傳感器製造方法，包括：

步驟一，將第一光纖和第二光纖切割為設定長度的圓柱體；

步驟二，通過飛秒雷射在所述第二光纖的第一橫截面上加工一個與所述第二光纖同軸的圓柱形孔；

步驟三，通過熔接機將所述第一光纖的第一橫截面與所述第二光纖的第一橫截面熔接；所述第一光纖與所述第二光纖同軸。

進一步的，所述第一光纖為二氧化矽材料的晶體光纖。

進一步的，所述第二光纖為藍寶石光纖；所述第二光纖的長度為10～6000μm。

進一步的，所述圓柱形孔填充氣體為空氣；所述圓柱形孔的長度為10～3000μm；所述圓柱形孔的底面直徑為11～80μm。

進一步的，所述熔接機的放電時間為0.3秒，所述熔接機的放電電流為4.8mA。

採用上述技術方案，本發明至少具有下列優點：

本發明所述一種光纖傳感器、光纖傳感器製造方法及光纖傳感器測量系統，能夠通過一個光纖傳感器對溫度和應力進行雙參數測量，有效的減小了測量系統的體積，降低了製造成本；能夠適應高溫環境的測量；具有體積小、靈敏度高和抗電磁幹擾的優點。

附圖說明

圖1為本發明第一實施例的光纖傳感器組成結構示意圖；

圖2為本發明第三實施例的光纖傳感器製造方法流程圖；

圖3為本發明第五實施例的光纖傳感器測量系統組成結構示意圖。

具體實施方式

為更進一步闡述本發明為達成預定目的所採取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對本發明進行詳細說明如後。

本發明第一實施例，一種光纖傳感器，如圖1所示，包括以下組成部分：

第一光纖10和第二光纖20。

第一光纖10和第二光纖20均為圓柱體。

第一光纖10的第一橫截面與第二光纖20的第一橫截面熔接；第一光纖10與第二光纖20同軸。

第一光纖10的第一橫截面用於反射第一光纖10的第二橫截面的入射光。

第二光纖20的第一橫截面設置有與第二光纖20同軸的圓柱形孔30。

圓柱形孔30的底面用於反射第一光纖10的第二橫截面的入射光。

第二光纖20的第二橫截面用於反射第一光纖10的第二橫截面的入射光。

本發明第二實施例，一種光纖傳感器，包括以下組成部分：

第一光纖和第二光纖。

第一光纖和第二光纖均為圓柱體。

第一光纖包括纖芯和包層。

其中，纖芯為二氧化矽材料的晶體光纖；包層設置有多個圓柱形空氣柱。

圓柱形空氣柱的軸與第一光纖的纖芯軸平行。

纖芯折射率高於包層折射率，以使纖芯與包層的接觸面對光能夠全反射。

第二光纖為藍寶石光纖；第二光纖的長度為10～6000μm。

第一光纖的第一橫截面與第二光纖的第一橫截面熔接；第一光纖與第二光纖同軸。

第一光纖的第一橫截面用於反射第一光纖的第二橫截面的入射光。

第二光纖的第一橫截面設置有與第二光纖同軸的圓柱形孔。

第二光纖為藍寶石光纖；第二光纖的長度為10～6000μm。

圓柱形孔的底面用於反射第一光纖的第二橫截面的入射光。

第二光纖的第二橫截面用於反射第一光纖的第二橫截面的入射光。

本發明第三實施例，一種光纖傳感器製造方法，如圖2所示，包括以下具體步驟：

步驟S301，將第一光纖和第二光纖切割為設定長度的圓柱體。

步驟S302，通過飛秒雷射在第二光纖的第一橫截面上加工一個與第二光纖同軸的圓柱形孔。

步驟S303，通過熔接機將第一光纖的第一橫截面與第二光纖的第一橫截面熔接；第一光纖與第二光纖同軸。

本發明第四實施例，一種光纖傳感器製造方法，包括以下具體步驟：

一種光纖傳感器製造方法，其特徵在於，包括：

步驟S401，將第一光纖和第二光纖切割為設定長度的圓柱體。

其中，第一光纖為二氧化矽材料的晶體光纖。

第二光纖為藍寶石光纖；第二光纖的長度為10～6000μm。

步驟S402，通過飛秒雷射在第二光纖的第一橫截面上加工一個與第二光纖同軸的圓柱形孔。

其中，圓柱形孔填充氣體為空氣；圓柱形孔的長度為10～3000μm；圓柱形孔的底面直徑為11～80μm。

步驟S403，通過熔接機將第一光纖的第一橫截面與第二光纖的第一橫截面熔接；第一光纖與第二光纖同軸。

其中，熔接機的放電時間為0.3秒，熔接機的放電電流為4.8mA。

本發明第五實施例，一種光纖傳感器測量系統，如圖3所示，包括以下組成部分：

光源40、光譜測量單元50、計算單元60和光纖傳感器70；

光纖傳感器70包括：第一光纖10和第二光纖20。

第一光纖10和第二光纖20均為圓柱體。

第一光纖10的第一橫截面與第二光纖20的第一橫截面熔接；第一光纖10與第二光纖20同軸。

第二光纖20的第一橫截面設置有與第二光纖20同軸的圓柱形孔30。

光源40和光譜測量單元50均設置在第一光纖10的第二端面。

光譜測量單元50，用於測量第一反射光與第二反射光的第一相位差；測量第二反射光與第三反射光的第二相位差。

其中，第一反射光為第一光纖10的第一橫截面的放射光；

第二反射光為圓柱形孔30的底面的放射光；

第三反射光為第二光纖20的第二橫截面的放射光。

計算單元60，用於基於光譜測量單元50測量得到的第一相位差和第二相位差，計算環境溫度和環境應力。

本發明第六實施例，一種光纖傳感器測量系統，包括以下組成部分：

光源、光譜測量單元、計算單元和光纖傳感器；

光纖傳感器包括：第一光纖和第二光纖。

第一光纖和第二光纖均為圓柱體。

第一光纖包括纖芯和包層。

其中，纖芯為二氧化矽材料的晶體光纖；包層設置有多個圓柱形空氣柱。

圓柱形空氣柱的軸與第一光纖的纖芯軸平行。

纖芯折射率高於包層折射率，以使纖芯與包層的接觸面對光能夠全反射。

第二光纖為藍寶石光纖；第二光纖的長度為10～6000μm。

第一光纖的第一橫截面與第二光纖的第一橫截面熔接；第一光纖與第二光纖同軸。

第一光纖的第一橫截面用於反射第一光纖的第二橫截面的入射光。

第二光纖的第一橫截面設置有與第二光纖同軸的圓柱形孔。

第二光纖為藍寶石光纖；第二光纖的長度為10～6000μm。

圓柱形孔的底面用於反射第一光纖的第二橫截面的入射光。

第二光纖的第二橫截面用於反射第一光纖的第二橫截面的入射光。

光源和光譜測量單元均設置在第一光纖的第二端面。

光譜測量單元，用於測量第一反射光與第二反射光的第一相位差；測量第二反射光與第三反射光的第二相位差。

其中，第一反射光為第一光纖的第一橫截面的放射光；

第二反射光為圓柱形孔的底面的放射光；

第三反射光為第二光纖的第二橫截面的放射光。

計算單元，用於基於光譜測量單元得到的第一相位差，計算圓柱形孔的長度；根據圓柱形孔的長度與應力的映射關係，得到環境應力；基於光譜測量單元得到的第二相位差，計算圓柱形孔的底面至第二光纖的第二橫截面的距離；基於該距離與溫度的映射關係，得到環境溫度。

通過具體實施方式的說明，應當可對本發明為達成預定目的所採取的技術手段及功效得以更加深入且具體的了解，然而所附圖示僅是提供參考與說明之用，並非用來對本發明加以限制。