粗芯徑光纖傳感器的製作方法

2023-12-01 06:07:31 1

專利名稱：粗芯徑光纖傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及物理參數的測量技術，尤其涉及測量機械運動參數的光纖傳感器的改進與創新。
背景技術：
在工程技術及科學研究的許多領域如石油勘探、醫療、航天航空、精密測量及加工、自動控制中，經常要對物體的壓力、速度、加速度、角度、溫度及機械振動的位移、頻率、相位、速度、加速度等類機械運動參數進行測量，而且，隨著科技及生產力的進步，對於上述參數測量的精度要求不斷提高；而目前傳統的測量方法採用有機械式、磁電式、電感式、電容式、壓敏電阻式、壓電式等類傳感器件，它們的局限性在於靈敏度低，抗電磁幹擾能力差，應用頻帶窄；雖然也有大量光纖傳感器被引入應用，但普遍採用的是小數值芯徑的光纖，故其與光源及光電傳感器間的光耦合困難、耦合器件多、工藝複雜、生產成本很高；且因為其芯徑很小，光纖的形變主要調製光強的損耗，而很少利用非常敏感的幹涉效應，以致測量的靈敏度低下，不能滿足日益提高的測量精度要求。

發明內容
針對現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題，是要提供一種能抗電磁幹擾、測量靈敏度高、工作頻帶寬、生產工藝簡單、應用領域廣闊的粗芯徑光纖傳感器。
為此，本發明所採取的技術方案是一種粗芯徑光纖傳感器，是由光纖作為敏感元件串聯在光源與光電轉換器之間而構成，其特徵在於所述的光纖是纖芯折射率大於或小於包層折射率的光纖，且其纖芯直徑大於100μm。
所述光纖的包層及以上每隔一定軸向間距設有一緊束環；所述纖芯折射率大於包層折射率的多模光纖，其數值孔徑大於0.25；所述纖芯折射率小於包層折射率的光纖，其包層外表面有不鍍膜和鍍膜兩種結構。
所述的光纖被製成多種形狀的光纖敏感體如微彎形、同軸線圈形、單或多(層)螺旋形、回彎交叉形、雙或多股絞環形、花瓣形、串/並聯混合形等；所述的光纖敏感體可藉助機械耦合件與外配質量塊進行耦合如膜片夾、彈性弦弓、嚙合齒條夾、套軸串盤、橡膠柱、橡膠圓筒環、開周槽橡膠圓柱環、預製空心鑄塊、穿孔彈性板等。
所述的纖芯及包層是光學玻璃、光學塑料或其他透光材料所製成。
所述的光源是發光二極體、半導體雷射器等；所述的光電轉換器是光敏二極體、或光敏三極體等。
所述的發光二極體及光敏二極體的塑料管帽具有中心套孔，套孔直徑為2.20mm，套孔深度為4.60mm；所述的光纖是塑料材質的，其芯徑為800μm，包層外徑為1.00mm，護套層外徑為2.20mm，長度為800mm，製成直徑為30mm的雙股絞環形的光纖敏感體；所述的預設質量塊在弓形彈片彈壓下從軸向上與光纖雙股絞環作直接耦合。
由於採用了上述的技術方案，本發明具有如下優點採用粗芯徑及較大的數值孔徑(含包層與纖芯折射率反置模式及緊束環光纖)的光纖作為敏感元件，因為允許的光線入射角度範圍寬、纖徑大，一舉解決了細光纖端面與光源及光電轉換器之間的光耦合困難、耦合器件多、工藝複雜的老大難問題，極大地降低了生產成本；經實踐證實，粗芯徑光纖彎製成的各種敏感體及帶緊束環的光纖敏感體，光纖內部界面上的幹涉機制大大加強，較之簡單的光強損耗機制，幹涉機制對光強的調節作用敏感度大大增加、響應時間小於10-12秒，因此本發明的粗芯徑光纖傳感器對各種機械運動參數的測量靈敏度大大提高；光耦合的簡化允許採用發光二極體作為光源，具有發光穩定、壽命長等優點，允許採用光敏二極體作為光電轉換器，具有很寬的工作響應頻帶；加之參考光纖與差分放大器的處理電路能有效地消除溫度變化造成的測量漂移，從而保證極高的測量穩定性與精度；本發明既可用於如石油、地質、天然地震等領域中的低頻率的振動測量和重力測量，也可用於如航天航空領域中的高頻率的振動測量，具有極強的抗電磁幹擾能力，而且結構簡單、成本低廉、實施容易。
以下結合附圖對本發明作出說明

圖1為本發明實施例1的光、機、電結構原理示意圖。
圖2為本發明實施例1中光纖敏感體的俯視圖。
圖3為本發明實施例1的實測加速度～振動頻率相關性圖。
圖4為本發明實施例1的實測加速度～信號輸出線性度圖。
圖5為螺旋形光纖敏感體在套軸串盤中與質量塊耦合的主視圖。
圖6為螺旋形光纖敏感體在套軸下串盤中的俯視圖。
圖7、8、9、10、11、12、13、14、15為本發明的各種形狀光纖敏感體及藉助不同機械耦合件與預設質量體作耦合的結構示意圖。
圖16為本發明的帶緊束環光纖的示意圖。
具體實施例方式如圖1、2所示一種粗芯徑光纖傳感器，是由光纖串聯在發光二極體1與光敏二極體2之間，所述的預設質量塊3在弓形彈片3-1彈壓下從軸向上與雙股絞環形光纖敏感體4作直接耦合。所述的光纖4-0是纖芯折射率大於包層折射率的塑料材質多模光纖(或纖芯折射率小於包層折射率的光纖、緊束環光纖)，其數值孔徑大於0.25，其芯徑為800μm，包層外徑為1.00mm，護套層外徑為2.20mm，長度為800mm，製成直徑D為30mm的雙股絞環形光纖敏感體4；所述的發光二極體1與光敏二極體2的塑料管帽皆具有中心套孔，套孔直徑為2.20mm，套孔深度為4.60mm，所述的光纖4-0兩端即分別套插入發光二極體1或光敏二極體2的塑料管帽的套孔中，非常簡單地實現了完善的光耦合；在傳感器外殼3-0內、與所述的粗芯徑光纖傳感器平行還並聯有參考光纖5，粗芯徑光纖傳感器與參考光纖5的輸出電信號一同送入差分放大器6作放大處理；而7為發光二極體1的恆流源。
如圖3所示上述實施例1在標準振動實驗臺上，恆定加速度在0.22g左右，測定振動頻率f從0.1到80Hz寬範圍變化時的信號輸出電壓out(v)的變化關係，曲線表明在相當寬的頻率f(Hz)變化範圍內，輸出信號值out(v)不受影響。
如圖4所示上述實施例1在標準振動實驗臺上，恆定振動頻率在20Hz左右時，測定加速度a(g)與信號輸出值out(mv)的變化關係，曲線表明加速度值a(g)與輸出信號值out(mv)成良好的線性關係；實驗證明本發明的實施例1的工作頻帶寬，測量精度及靈敏度高。
如圖5、6所示，螺旋形光纖敏感體8裝在帶有套軸9-1的下串盤9中通過上串盤10與質量塊11耦合。
如圖7所示，串聯式同軸線圈形光纖敏感體12通過彈性弦弓13與質量塊11耦合。
如圖8所示，串聯式同軸線圈形光纖敏感體12通過彈性膜片夾14與質量塊11耦合。
如圖9所示，微彎形光纖敏感體15通過嚙合齒條夾16與質量塊11耦合。
如圖10所示，繞在橡膠圓筒環17表面上的光纖敏感體18直接與質量塊11(未示出)從軸向上作耦合。
如圖11所示，同軸線圈形光纖敏感體12-0繞在橡膠柱19上並通過橡膠柱19軸向與質量塊11(未示出)耦合。
如圖12所示，繞在開周槽20-1的橡膠圓柱環20上的光纖敏感體18直接從圓柱環20的軸向上與質量塊11(未示出)耦合。
如圖13所示，預製空心鑄塊21中的同軸線圈形光纖敏感體12-0通過預製空心鑄塊21與質量塊11耦合。
如圖14所示，預製在穿孔彈性板22中的與回彎交叉形光纖敏感體23通過穿孔彈性板22表面與質量塊11(未示出)耦合。
如圖15所示，為三瓣花瓣形光纖敏感體24。
如圖16所示，所述的粗芯徑光纖4-0，每隔一定間距的包層表面上設有緊束環25。
現結合上述附圖對本發明做出進一步說明當外界力場或溫度等物理參數變化感應到本發明的粗纖芯光纖4-0及各種敏感體如4、12、18、24等中，導致光纖內部界面上的折射率分布發生變化，界麵條件改變，引發光強損耗及光幹涉量變化，最終產生光、電信號變化，在線性工作頻帶範圍內，光、電信號精確反映各種物理量的變化，從而實現精確測量目的。
權利要求
1.一種粗芯徑光纖傳感器，是由光纖作為敏感元件串聯在光源與光電轉換器之間而構成，其特徵在於所述的光纖是纖芯折射率大於或小於包層折射率的光纖，且其纖芯直徑大於100μm。
2.如權利要求1所述的粗芯徑光纖傳感器，其特徵在於所述光纖的包層及以上每隔一定軸向間距設有一緊束環；所述纖芯折射率大於包層折射率的多模光纖，其數值孔徑大於0.25；所述纖芯折射率小於包層折射率的光纖，其包層外表面有不鍍膜和鍍膜兩種結構。
3.如權利要求1或2所述的粗芯徑光纖傳感器，其特徵在於所述的光纖被製成多種形狀的光纖敏感體如微彎形、同軸線圈形、單或多(層)螺旋形、回彎交叉形、雙或多股絞環形、花瓣形、串/並聯混合形等；所述的光纖敏感體可藉助機械耦合件與外配質量塊進行耦合如膜片夾、彈性弦弓、嚙合齒條夾、套軸串盤、橡膠柱、橡膠圓筒環、開周槽橡膠圓柱環、預製空心鑄塊、穿孔彈性板等。
4.如權利要求3所述的粗芯徑光纖傳感器，其特徵在於所述的纖芯及包層是光學玻璃、光學塑料或其他透光材料所製成。
5.如權利要求4所述的粗芯徑光纖傳感器，其特徵在於所述的光源是發光二極體、半導體雷射器等；所述的光電轉換器是光敏二極體、或光敏三極體等。
6.如權利要求5所述的粗芯徑光纖傳感器，其特徵在於所述的發光二極體及光敏二極體的塑料管帽具有中心套孔，套孔直徑為2.20mm，套孔深度為4.60mm；所述的光纖是塑料材質的，其芯徑為800μm，包層外徑為1.00mm，護套層外徑為2.20mm，長度為800mm，製成直徑為30mm的雙股絞環形的光纖敏感體；所述的預設質量塊在弓形彈片彈壓下從軸向上與光纖雙股絞環作直接耦合。
全文摘要
一種粗芯徑光纖傳感器,是由光纖作為敏感元件串聯在光源與光電轉換器之間而構成,其特徵:光纖是纖芯折射率大於或小於包層折射率,且其纖芯直徑大於100μm;所述光纖的包層及以上每隔一定軸向間距設有一緊束環;所述纖芯折射率大於包層折射率的多模光纖,其數值孔徑大於0.25;纖芯折射率小於包層折射率的光纖,其包層外表面有不鍍膜和鍍膜兩種結構。所述光纖被製成多種形狀的光纖敏感體如:微彎形、花瓣形、串/並聯混合形等;光纖敏感體可藉助機械耦合件與外配質量塊進行耦合如:膜片夾、彈性弦弓、嚙合齒條夾、套軸串盤、橡膠柱、橡膠圓筒環、預製空心鑄塊等。本發明測量靈敏度高、工作頻帶寬、生產工藝簡單、應用領域廣闊。
文檔編號G01D5/26GK1356532SQ02113908
公開日2002年7月3日 申請日期2002年1月11日 優先權日2002年1月11日
發明者譚成忠, 喻春光, 蔣建業 申請人:湖南先光英博光纖傳感技術有限公司