专利名称：粗芯径光纤传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及物理参数的测量技术，尤其涉及测量机械运动参数的光纤传感器的改进与创新。
背景技术：
在工程技术及科学研究的许多领域如石油勘探、医疗、航天航空、精密测量及加工、自动控制中，经常要对物体的压力、速度、加速度、角度、温度及机械振动的位移、频率、相位、速度、加速度等类机械运动参数进行测量，而且，随着科技及生产力的进步，对于上述参数测量的精度要求不断提高；而目前传统的测量方法采用有机械式、磁电式、电感式、电容式、压敏电阻式、压电式等类传感器件，它们的局限性在于灵敏度低，抗电磁干扰能力差，应用频带窄；虽然也有大量光纤传感器被引入应用，但普遍采用的是小数值芯径的光纤，故其与光源及光电传感器间的光耦合困难、耦合器件多、工艺复杂、生产成本很高；且因为其芯径很小，光纤的形变主要调制光强的损耗，而很少利用非常敏感的干涉效应，以致测量的灵敏度低下，不能满足日益提高的测量精度要求。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题，是要提供一种能抗电磁干扰、测量灵敏度高、工作频带宽、生产工艺简单、应用领域广阔的粗芯径光纤传感器。
为此，本发明所采取的技术方案是一种粗芯径光纤传感器，是由光纤作为敏感元件串联在光源与光电转换器之间而构成，其特征在于所述的光纤是纤芯折射率大于或小于包层折射率的光纤，且其纤芯直径大于100μm。
所述光纤的包层及以上每隔一定轴向间距设有一紧束环；所述纤芯折射率大于包层折射率的多模光纤，其数值孔径大于0.25；所述纤芯折射率小于包层折射率的光纤，其包层外表面有不镀膜和镀膜两种结构。
所述的光纤被制成多种形状的光纤敏感体如微弯形、同轴线圈形、单或多(层)螺旋形、回弯交叉形、双或多股绞环形、花瓣形、串/并联混合形等；所述的光纤敏感体可借助机械耦合件与外配质量块进行耦合如膜片夹、弹性弦弓、啮合齿条夹、套轴串盘、橡胶柱、橡胶圆筒环、开周槽橡胶圆柱环、预制空心铸块、穿孔弹性板等。
所述的纤芯及包层是光学玻璃、光学塑料或其他透光材料所制成。
所述的光源是发光二极管、半导体激光器等；所述的光电转换器是光敏二极管、或光敏三极管等。
所述的发光二极管及光敏二极管的塑料管帽具有中心套孔，套孔直径为2.20mm，套孔深度为4.60mm；所述的光纤是塑料材质的，其芯径为800μm，包层外径为1.00mm，护套层外径为2.20mm，长度为800mm，制成直径为30mm的双股绞环形的光纤敏感体；所述的预设质量块在弓形弹片弹压下从轴向上与光纤双股绞环作直接耦合。
由于采用了上述的技术方案，本发明具有如下优点采用粗芯径及较大的数值孔径(含包层与纤芯折射率反置模式及紧束环光纤)的光纤作为敏感元件，因为允许的光线入射角度范围宽、纤径大，一举解决了细光纤端面与光源及光电转换器之间的光耦合困难、耦合器件多、工艺复杂的老大难问题，极大地降低了生产成本；经实践证实，粗芯径光纤弯制成的各种敏感体及带紧束环的光纤敏感体，光纤内部界面上的干涉机制大大加强，较之简单的光强损耗机制，干涉机制对光强的调节作用敏感度大大增加、响应时间小于10-12秒，因此本发明的粗芯径光纤传感器对各种机械运动参数的测量灵敏度大大提高；光耦合的简化允许采用发光二极管作为光源，具有发光稳定、寿命长等优点，允许采用光敏二极管作为光电转换器，具有很宽的工作响应频带；加之参考光纤与差分放大器的处理电路能有效地消除温度变化造成的测量漂移，从而保证极高的测量稳定性与精度；本发明既可用于如石油、地质、天然地震等领域中的低频率的振动测量和重力测量，也可用于如航天航空领域中的高频率的振动测量，具有极强的抗电磁干扰能力，而且结构简单、成本低廉、实施容易。
以下结合附图对本发明作出说明
图1为本发明实施例1的光、机、电结构原理示意图。
图2为本发明实施例1中光纤敏感体的俯视图。
图3为本发明实施例1的实测加速度～振动频率相关性图。
图4为本发明实施例1的实测加速度～信号输出线性度图。
图5为螺旋形光纤敏感体在套轴串盘中与质量块耦合的主视图。
图6为螺旋形光纤敏感体在套轴下串盘中的俯视图。
图7、8、9、10、11、12、13、14、15为本发明的各种形状光纤敏感体及借助不同机械耦合件与预设质量体作耦合的结构示意图。
图16为本发明的带紧束环光纤的示意图。
具体实施例方式如图1、2所示一种粗芯径光纤传感器，是由光纤串联在发光二极管1与光敏二极管2之间，所述的预设质量块3在弓形弹片3-1弹压下从轴向上与双股绞环形光纤敏感体4作直接耦合。所述的光纤4-0是纤芯折射率大于包层折射率的塑料材质多模光纤(或纤芯折射率小于包层折射率的光纤、紧束环光纤)，其数值孔径大于0.25，其芯径为800μm，包层外径为1.00mm，护套层外径为2.20mm，长度为800mm，制成直径D为30mm的双股绞环形光纤敏感体4；所述的发光二极管1与光敏二极管2的塑料管帽皆具有中心套孔，套孔直径为2.20mm，套孔深度为4.60mm，所述的光纤4-0两端即分别套插入发光二极管1或光敏二极管2的塑料管帽的套孔中，非常简单地实现了完善的光耦合；在传感器外壳3-0内、与所述的粗芯径光纤传感器平行还并联有参考光纤5，粗芯径光纤传感器与参考光纤5的输出电信号一同送入差分放大器6作放大处理；而7为发光二极管1的恒流源。
如图3所示上述实施例1在标准振动实验台上，恒定加速度在0.22g左右，测定振动频率f从0.1到80Hz宽范围变化时的信号输出电压out(v)的变化关系，曲线表明在相当宽的频率f(Hz)变化范围内，输出信号值out(v)不受影响。
如图4所示上述实施例1在标准振动实验台上，恒定振动频率在20Hz左右时，测定加速度a(g)与信号输出值out(mv)的变化关系，曲线表明加速度值a(g)与输出信号值out(mv)成良好的线性关系；实验证明本发明的实施例1的工作频带宽，测量精度及灵敏度高。
如图5、6所示，螺旋形光纤敏感体8装在带有套轴9-1的下串盘9中通过上串盘10与质量块11耦合。
如图7所示，串联式同轴线圈形光纤敏感体12通过弹性弦弓13与质量块11耦合。
如图8所示，串联式同轴线圈形光纤敏感体12通过弹性膜片夹14与质量块11耦合。
如图9所示，微弯形光纤敏感体15通过啮合齿条夹16与质量块11耦合。
如图10所示，绕在橡胶圆筒环17表面上的光纤敏感体18直接与质量块11(未示出)从轴向上作耦合。
如图11所示，同轴线圈形光纤敏感体12-0绕在橡胶柱19上并通过橡胶柱19轴向与质量块11(未示出)耦合。
如图12所示，绕在开周槽20-1的橡胶圆柱环20上的光纤敏感体18直接从圆柱环20的轴向上与质量块11(未示出)耦合。
如图13所示，预制空心铸块21中的同轴线圈形光纤敏感体12-0通过预制空心铸块21与质量块11耦合。
如图14所示，预制在穿孔弹性板22中的与回弯交叉形光纤敏感体23通过穿孔弹性板22表面与质量块11(未示出)耦合。
如图15所示，为三瓣花瓣形光纤敏感体24。
如图16所示，所述的粗芯径光纤4-0，每隔一定间距的包层表面上设有紧束环25。
现结合上述附图对本发明做出进一步说明当外界力场或温度等物理参数变化感应到本发明的粗纤芯光纤4-0及各种敏感体如4、12、18、24等中，导致光纤内部界面上的折射率分布发生变化，界面条件改变，引发光强损耗及光干涉量变化，最终产生光、电信号变化，在线性工作频带范围内，光、电信号精确反映各种物理量的变化，从而实现精确测量目的。
权利要求
1.一种粗芯径光纤传感器，是由光纤作为敏感元件串联在光源与光电转换器之间而构成，其特征在于所述的光纤是纤芯折射率大于或小于包层折射率的光纤，且其纤芯直径大于100μm。
2.如权利要求1所述的粗芯径光纤传感器，其特征在于所述光纤的包层及以上每隔一定轴向间距设有一紧束环；所述纤芯折射率大于包层折射率的多模光纤，其数值孔径大于0.25；所述纤芯折射率小于包层折射率的光纤，其包层外表面有不镀膜和镀膜两种结构。
3.如权利要求1或2所述的粗芯径光纤传感器，其特征在于所述的光纤被制成多种形状的光纤敏感体如微弯形、同轴线圈形、单或多(层)螺旋形、回弯交叉形、双或多股绞环形、花瓣形、串/并联混合形等；所述的光纤敏感体可借助机械耦合件与外配质量块进行耦合如膜片夹、弹性弦弓、啮合齿条夹、套轴串盘、橡胶柱、橡胶圆筒环、开周槽橡胶圆柱环、预制空心铸块、穿孔弹性板等。
4.如权利要求3所述的粗芯径光纤传感器，其特征在于所述的纤芯及包层是光学玻璃、光学塑料或其他透光材料所制成。
5.如权利要求4所述的粗芯径光纤传感器，其特征在于所述的光源是发光二极管、半导体激光器等；所述的光电转换器是光敏二极管、或光敏三极管等。
6.如权利要求5所述的粗芯径光纤传感器，其特征在于所述的发光二极管及光敏二极管的塑料管帽具有中心套孔，套孔直径为2.20mm，套孔深度为4.60mm；所述的光纤是塑料材质的，其芯径为800μm，包层外径为1.00mm，护套层外径为2.20mm，长度为800mm，制成直径为30mm的双股绞环形的光纤敏感体；所述的预设质量块在弓形弹片弹压下从轴向上与光纤双股绞环作直接耦合。
全文摘要
一种粗芯径光纤传感器,是由光纤作为敏感元件串联在光源与光电转换器之间而构成,其特征:光纤是纤芯折射率大于或小于包层折射率,且其纤芯直径大于100μm;所述光纤的包层及以上每隔一定轴向间距设有一紧束环;所述纤芯折射率大于包层折射率的多模光纤,其数值孔径大于0.25;纤芯折射率小于包层折射率的光纤,其包层外表面有不镀膜和镀膜两种结构。所述光纤被制成多种形状的光纤敏感体如:微弯形、花瓣形、串/并联混合形等;光纤敏感体可借助机械耦合件与外配质量块进行耦合如:膜片夹、弹性弦弓、啮合齿条夹、套轴串盘、橡胶柱、橡胶圆筒环、预制空心铸块等。本发明测量灵敏度高、工作频带宽、生产工艺简单、应用领域广阔。
文档编号G01D5/26GK1356532SQ02113908
公开日2002年7月3日 申请日期2002年1月11日 优先权日2002年1月11日
发明者谭成忠, 喻春光, 蒋建业 申请人:湖南先光英博光纤传感技术有限公司