专利名称：具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感技术领域的光纤传感器，具体是一种具有缓冲结构的弹簧型 多层的高精度应力参数测试的光纤传感器。
背景技术：
现有光纤传感器的种类非常多，主要包括光强度调整型光纤传感器、光纤光栅传 感器、光纤干涉传感器等多种类型，后两者的特点是传感灵敏度高，但是实际应用过程中， 存在设备复杂、使用运行成本高等缺陷和不足，从而使得光纤传感器的应用推广受到很大 限制。尤其是对较高灵敏度的光纤传感器，其会响应使用过程中各种环境条件的改变情形， 如光纤干涉传感器，由于其灵敏度很高，但当其应用于实际条件下后，发现温度、气压、振动 等环境因素均会对其工作参数造成影响，因而实际使用时，不得不采取多种措施来防止和 剔除上述环境因素的影响，从而使得其监测设备的结构越来越趋于复杂，运行使用成本大 巾畐提尚。而光纤微弯传感器是一种光强度调制的传感器，具有成本低、灵敏度高、具有一定 的环境抗干扰能力的特点，其实现方案是基于光纤的弯曲或微弯损耗来实现的。通过改变 光纤的弯曲程度，从而导致输出光功率的变化。光功率损耗的原理是当光纤受到弯曲扰动的时候，将会产生弯曲损耗，主要是微 弯损耗和宏弯损耗。两者弯曲损耗均是由于光纤弯曲时导致纤芯中的部分导模耦合至包层 引起的，两者损耗可以根据Marcuse的理论公式计算弯曲损耗大小，其公式如下Pout = Pin exp (- γ S)其中，Pout和Pin分别为输出和输入光功率，、是弯曲损耗系数，S为弯曲弧长。 可以看出光纤的弯曲损耗系数Y越大，即光纤弯曲半径越小，则损耗越大，但弯曲半径过 小会导致光纤寿命大幅度减少，影响衰减器的使用寿命，所以实际应用中光纤的弯曲半径 是受限制的；另一方面，在相同的弯曲损耗系数Y下，若增加弯曲弧长S，则可增大衰减，可 以通过大幅度增加弯曲弧长S，达到大幅度提高光纤衰减器的动态范围和精度的目的。在光纤微弯传感器中的弯曲出现时，光纤的长度要么伸长，要么从未出现弯曲的 部分移动一些补充，光纤的伸长将使光纤所受应力增加，影响了光纤的使用寿命，但随着弯 曲弧长S的增加，光纤被迫伸长的现象将会明显的出现，这样限制了该类光纤传感器的使 用寿命。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种具有缓冲结构的弹簧型高精度光 纤传感器，该传感器结构简单、设计合理、操作方法方便且使用方式灵活、具有一定的环境 抗干扰能力、灵敏度高，由于缓冲结构的光纤的存在，使该光纤传感器具有使用寿命长的特点。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在于一个由弹簧丝构成的多圈形弹簧型构件，在弹簧丝的上表面 和下表面上沿弹簧丝纵向布设有多个变形齿，相邻两圈弹簧丝中的上弹簧丝的下表面上的 变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿交错对应，并在上弹簧丝下表面上的变形齿与下弹簧 丝上表面上的变形齿之间夹有信号光纤，但信号光纤的其中至少一段作为缓冲信号光纤没 有夹持在变形齿间，弹簧型构件的两端受应力作用时弹簧型构件两端的位置改变，并导致 弹簧型构件中有相邻的两圈弹簧丝之间的距离改变，从而使这两圈弹簧丝中的上弹簧丝下 表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿之间位置改变，从而使夹在两者变形齿间的 信号光纤的弯曲曲率改变而导致信号光纤的长度有伸长或缩短趋势时，缓冲信号光纤会移 动来弥补或吸纳因弯曲曲率变化而导致的信号光纤长度的伸长或缩短。当弹簧型构件的两端位置变化时，如弹簧型构件在拉应力下伸长、在压应力下缩 短，则构成弹簧型构件中的多组相邻的两圈弹簧丝之间的距离拉大或缩小，从而使多组相 邻两圈弹簧丝中的上弹簧丝下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿间位置增大 或减小，从而使夹在两者变形齿间的信号光纤的弯曲曲率减小或增大而导致信号光纤的长 度缩短或伸长，信号光纤在应力作用下的拉伸会伸长，从而增加了光纤所受到的应力，导致 光纤使用寿命的减少，而缓冲信号光纤的出现，使信号光纤的伸长或缩短有了相应的补偿， 从而大幅度降低了信号光纤所受到的应力，延长了信号光纤的使用寿命。本发明的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的缓冲信号光纤是位于 弹簧型构件中的一组相邻的两圈弹簧丝之间无变形齿区域的信号光纤。本发明的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的缓冲信号光纤是从弹 簧型构件中的一点以切线方向离开弹簧型构件、又在另一点以切线方向进入弹簧型构件的 信号光纤。本发明的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的缓冲信号光纤放置于 托盘上。本发明的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的托盘与弹簧型构件相 连接。本发明的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的信号光纤的延长光纤 接测试单元。本发明的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的信号光纤被防水材料包覆。本发明的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的防水材料是阻水油膏。本发明的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述信号光纤6为外部包有 多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤6 也可以是塑料光纤或光子晶体光纤。本发明与现有技术相比具有以下优点1、具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器，该传感器结构简单、设计合理、操作 方法方便且使用方式灵活、具有一定的环境抗干扰能力、灵敏度高。2、具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器，由于缓冲结构的光纤的存在，使该 光纤传感器具有使用寿命长的特点。
综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、 使用效果好，所具有得缓冲结构可以大幅度减少信号光纤所受的拉伸应力，使本发明的光 纤传感器具有更长的使用寿命。下面通过附图和实施例，对发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明第一具体实施方式
的结构示意图。图2为图1中弹簧型构件的多圈弹簧丝截面示意图。图3为本发明第二具体实施方式
的结构示意图。图4为本发明第三具体实施方式
的结构示意图。附图标记说明
具体实施例方式实施例1如图1、图2所示，本发明包括一个由弹簧丝构成的多圈形弹簧型构件4，在弹簧丝 的上表面和下表面上沿弹簧丝纵向连续布设有多个变形齿，相邻两圈弹簧丝中的上弹簧丝 的下表面上的变形齿4-1与下弹簧丝上表面上的变形齿4-2交错对应，并在上弹簧丝下表 面上的变形齿4-1与下弹簧丝上表面上的变形齿4-2之间夹有信号光纤6，但信号光纤6的 其中至少一段作为缓冲信号光纤10没有夹持在变形齿间，弹簧型构件4的两端受应力作用 时弹簧型构件4两端的位置改变，并导致弹簧型构件4中有相邻的两圈弹簧丝之间的距离 改变，从而使这两圈弹簧丝中的上弹簧丝下表面上的变形齿4-1与下弹簧丝上表面上的变 形齿4-2之间位置改变，从而使夹在两者变形齿间的信号光纤6的弯曲曲率改变而导致信 号光纤6的长度有伸长或缩短趋势时，缓冲信号光纤10会移动来弥补或吸纳因弯曲曲率变 化而导致的信号光纤6长度的伸长或缩短。本实施例中，弹簧型构件4整体呈螺旋状，当弹簧型构件4的两端位置变化时，如 弹簧型构件4在拉应力下伸长、在压应力下缩短，则构成弹簧型构件4中的多组相邻的两圈 弹簧丝之间的距离拉大或缩小，从而使多组相邻两圈弹簧丝中的上弹簧丝下表面上的变形 齿4-1与下弹簧丝上表面上的变形齿4-2间位置增大或减小，从而使夹在两者变形齿间的信号光纤6的弯曲曲率减小或增大而导致信号光纤的长度缩短或伸长，信号光纤6在应力 作用下的拉伸会伸长，从而增加了光纤所受到的应力，导致光纤使用寿命的减少，而缓冲信 号光纤10的出现，使信号光纤6的伸长或缩短有了相应的补偿，从而大幅度降低了信号光 纤6所受到的应力，延长了信号光纤6的使用寿命。信号光纤6的通过传输光纤1与测试 单元5连接，测试单元5后面连接的是处理单元7，信号光纤6弯曲曲率的变化会导致在信 号光纤6内部传输的光信号的变化，通过测试单元5可以监测到该光信号的变化，并通过处 理单元7进行后续处理。所述信号光纤6为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚 酰亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤6也可以是塑料光纤或光子晶体光纤。实施例2如图3所示，本实施例中，与实施例1不同的是所述缓冲信号光纤10位于托盘11 上，托盘固定于弹簧型构件4上。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与 实施例1相同。实施例3如图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是所述的信号光纤6及缓冲信号光 纤10周围包覆有阻水材料20，防止水分子对信号光纤6或缓冲信号光纤10得侵蚀，延长信 号光纤6或缓冲信号光纤10的使用寿命。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作 原理均与实施例1相同。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技 术方案的保护范围内。
权利要求
具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在于一个由弹簧丝构成的多圈形弹簧型构件，在弹簧丝的上表面和下表面上沿弹簧丝纵向布设有多个变形齿，相邻两圈弹簧丝中的上弹簧丝的下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿交错对应，并在上弹簧丝下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿之间夹有信号光纤，但信号光纤的其中至少一段作为缓冲信号光纤没有夹持在变形齿间，弹簧型构件的两端受应力作用时弹簧型构件两端的位置改变，并导致弹簧型构件中有相邻的两圈弹簧丝之间的距离改变，从而使这两圈弹簧丝中的上弹簧丝下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿之间位置改变，从而使夹在两者变形齿间的信号光纤的弯曲曲率改变而导致信号光纤的长度有伸长或缩短趋势时，缓冲信号光纤会移动来弥补或吸纳因弯曲曲率变化而导致的信号光纤长度的伸长或缩短。
2.按照权利要求1所述的具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在于所 述的缓冲信号光纤是位于弹簧型构件中的一组相邻的两圈弹簧丝之间无变形齿区域的信 号光纤。。
3.按照权利要求1所述的具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在于所 述的缓冲信号光纤是从弹簧型构件中的一点离开弹簧型构件、又在另一点进入弹簧型构件 的信号光纤。
4.按照权利要求1所述的具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在于所 述的缓冲信号光纤放置于托盘上。
5.按照权利要求4所述的具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在于所 述的托盘与弹簧型构件相连接。
6.按照权利要求1所述的具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在于所 述的信号光纤的延长光纤接测试单元。
7.按照权利要求1所述的具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在于所 述的信号光纤被防水材料包覆。
8.按照权利要求7所述的具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在于所 述的防水材料是阻水油膏。
9.按照权利要求1所述的具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在于所 述信号光纤为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光 纤或金属涂覆光纤。
10.按照权利要求1所述的具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在于所 述的信号光纤是塑料光纤或光子晶体光纤。
全文摘要
本发明公开了一种具有缓冲结构的弹簧型高精度光纤传感器，通过多圈型结构，大大延长了有效信号光纤的长度，在大幅度减小信号光纤弯曲曲率情况下提高了本发明光纤传感器的动态范围，同时将信号光纤的至少一段作为缓冲信号光纤，在信号光纤的弯曲曲率改变而导致信号光纤的长度有伸长或缩短趋势时，通过缓冲信号光纤的移动来弥补或吸纳因弯曲曲率变化而导致的信号光纤长度的伸长或缩短，使信号光纤在使用中减少了轴向应力，延长了信号光纤的使用寿命。本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、寿命长、使用效果好，为本发明的光纤传感器的应用提供了非常广阔的应用前景。
文档编号G02B6/02GK101881632SQ20101020602
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月21日 优先权日2010年6月21日
发明者杜兵, 杜蔚, 杜迎涛 申请人:西安金和光学科技有限公司