专利名称：基于光纤弯曲损耗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，具体是一种弹簧型多圈的高精度应 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。中国专利87107210提供的方案是以光纤的微弯损耗为主的来实现微弯光纤应力 计，但由于其是通过两块平板来实现的，平板的尺寸不可能太大，使可以弯曲的光纤长度受 到限制，妨碍了该类光纤衰减器的动态范围和精度的提高。另外两块板相对运动的可调节 距离最大只有数百微米，且运动时两块板须保持基本的平行，所以此类衰减器对调节的机 械结构有较高的要求，不仅增加了实施成本，同样也限制了该类光纤衰减器的动态范围和 精度的提高。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于光纤弯曲损耗的弹簧型高精 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，使该光纤传感器具有广阔的使用范围；又由于本光纤传感器是基于光纤弯曲损耗基础上测定，而损耗测试是光纤测试中所有干涉法、频率法等其他类 测试的基础，也是最成熟、最稳定、成本最低的技术，使本发明的光纤传感器在成本上具有 相当大的优势。并可利用时分技术、光时域反射技术(OTDR)及相干频率调制连续波技术 (FMCff)可实现准分布式或分布式测量，为本发明的光纤传感器的应用进一步提供了非常广 阔的应用前景。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种基于光纤弯曲损耗的弹簧 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，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中传输的光信号 的功率变化，信号光纤的延伸光纤与测试单元连接。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中 传输的光信号的功率增大或减少，信号光纤的延伸光纤与测试单元连接，从而使测试单元 探测到光信号功率的变化，测试单元可以是光源和光功率计，也可以选用光时域反射技术 (OTDR)及相干频率调制连续波技术(FMCW)来实现准分布式或分布式测量。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弹簧型构件是所述的 弹簧型构件是螺旋状、塔形、蝶形或平面卷簧状。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构成弹簧型构件的弹 簧丝的上表面与下表面之间有弹性材料层，弹性材料层可以是高分子材料、波簧等材料构 成，弹性材料层在有外力作用时有更大的变形，所以当弹簧型构件两端位置变化时，使相邻 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之间的相对位 置会有精细的变化。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布设于弹簧丝表面的 变形齿的齿高，或者布设于弹簧丝上表面的变形齿之间或下表面上的变形齿之间的距离是 变化的。本发明的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是相邻两圈弹簧丝中，与所述 的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的信号光纤并排
有第二信号光纤。本发明的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是在所述的弹簧丝上表面和下 表面上分别有第二变形齿，相邻两圈弹簧丝中，在上弹簧丝下表面上的第二变形齿与下弹 簧丝上表面上的第二变形齿之间夹有第二信号光纤。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弹簧丝的截面形状是 圆形、椭圆形、长方形或圆环型。
本发明的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是测试单元后面接处理单元。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的一端安置 有光反射器件，具体的器件可以是反射镜、光纤光栅，或在信号光纤的该末端镀有高反射的 材料如金、银等材料，或是将信号光纤的该末端抛光形成高的光反射面，或者是将信号光纤 的该末端浸入某些液体中，如水银中。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、金属涂覆光纤或聚酰亚胺涂覆。本发明的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述信号光纤是多芯光纤、 高分子聚合物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、结构简单、加工制作方便且结构形式多样，使用方式灵活。2、使用操作简便且各组件间连接关系设计合理，通过弹簧型构件和光纤弯曲损耗 测试单元配合使用，实现对较大范围作用力进行实时准确、可靠且快速测试的目的。3、制作及运行成本低、使用效果好、实用价值高且经济效益显著，在简化现有测试 装置结构、减少制作及运行成本的同时，也能减少环境因素对测试结果的影响，因而测试效 果准确，简单易行，并且可以同时利用光纤宏弯损耗和微弯损耗进行准确检测。4、由于弹簧型构件整体呈螺旋形或平面卷簧状，因而在拉伸、压缩或扭转等外应 力F作用下整个弹簧型构件上的相邻两圈弹簧丝上的变形齿对信号光纤进行施力，信号光 纤受力而出现微弯损耗，因而大大增加了产生微弯光纤的长度，从而提高了测试灵敏度。5、可以作为光纤可调衰减器使用。6、当在弹簧型构件的一端或两端施加外应力F，且使得弹簧型构件整体呈弯曲状 态时，通过上位处理器根据光纤弯曲损耗测试单元所检测数据能准确推算得出弹簧型构件 的整体弯曲半径。7、对于螺旋状弹簧型构件，在每一个近似360°圆周上，由于相邻两圈弹簧丝上的 相对变形齿的齿高或变形齿之间的齿距呈现均勻递增或均勻递减的情形时，则可推出弹簧 型构件任一位置上外应力F的作用方向。8、由于弹簧型构件整体呈螺旋形或平面卷簧状，在旋转或扭矩力作用下，可根据 信号光纤损耗大小推算出旋转或扭矩力的扭矩大小或扭转角度。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，能够同时利用光纤宏弯损耗和微弯损耗进行检测，使测试的动态范围更大，从 而使测试结果更灵敏和准确，并且在继承原有的通过光纤弯曲损耗可以测试压应力参数 外，还扩展到可以测试其他的物理量，包括拉应力、弯曲曲率、弯曲方向、扭转角度和扭矩的 测试，并仍可进一步扩展应用范围。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。
5
图4为弹簧丝为复合结构的多圈弹簧丝截面示意图。图5为本发明第三具体实施方式
的结构示意图。图6为本发明第四具体实施方式
的结构示意图。图7为平面卷簧型的多圈弹簧丝截面示意图。图8为本发明第五具体实施方式
的的结构示意图。图9为本发明第六具体实施方式
的的结构示意图。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，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中传输的光信号的功率变化，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。本实施例中，弹簧型构件4整体呈螺旋状结构，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、或在压应力下缩短，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之间位置增大或减小，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6中传输的光信号的功率增 大或减少，信号光纤6的通过传输光纤1与测试单元5连接，从而使测试单元5探测到光信 号功率的变化，测试单元5可以是光源和光功率计，也可以选用光时域反射技术(OTDR)及 相干频率调制连续波技术(FMCW)来实现准分布式或分布式测量。所述的弹簧型构件4也 可以是整体呈螺旋状的塔形结构，可以使该弹簧型构件4响应更大动态范围的应力；当弹 簧型构件4整体呈蝶形结构是为响应较大的应力值。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不同的是所述弹簧型构件4所施加外应力F的施力方向为扭转方向，即从上端部或下端部对所述弹簧型构件进行扭转。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5所示，本实施例中，与实施例1不同的是所施加外应力F的施力方向为旋 转方向，即从上端部或下端部对所述弹簧型构件4进行旋转。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4如图6、图7所示，本实施例中，与实施例1不同的是所述的弹簧型构件4的整体 呈现为平面卷簧状，相邻两圈弹簧丝是相邻的内圈弹簧丝和外圈弹簧丝，内圈弹簧丝的外 部表面上分布有变形齿，外圈弹簧丝的内部表面上也分布有变形齿，两者变形齿交错布设 并夹有信号光纤6，当弹簧型构件内端相对于外端位置变化时，相邻两圈弹簧丝的位置就变 化，从而使分别布设于内外圈弹簧丝表面上的变形齿之间的位置变化，从而使被两者变形 齿夹的信号光纤6的弯曲曲率变化而导致信号光纤6中传输的光信号的功率变化，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。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5如图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是所述的构成弹簧型构件的弹簧丝 是有三层复合的，包括上表面10及上表面上的变形齿4-2、中间层的弹性材料层11，以及下 表面12及下表面上的变形齿4-1。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6如图8所示，本实施例中，与实施例1不同的是与所述的信号光纤6-1并排有第 二信号光纤6-2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7如图9所示，本实施例中，与实施例6不同的是有第二组变形齿4-3和4_4，并在 第二组变形齿间夹有第二信号光纤，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6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
基于光纤弯曲损耗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，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，从而使这相邻的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中传输的光信号的功率变化，信号光纤的延伸光纤与测试单元连接。
2.按照权利要求1所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在 于所述的弹簧型构件是螺旋状、塔形、蝶形或平面卷簧状。
3.按照权利要求1所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在 于所述的构成弹簧型构件的弹簧丝的上表面与下表面之间有弹性材料层。
4.按照权利要求1所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在 于所述的布设于弹簧丝表面的变形齿的齿高，或者布设于弹簧丝上表面上的变形齿之间 或布设于弹簧丝下表面上的变形齿之间的距离是变化的。
5.按照权利要求1所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在 于相邻两圈弹簧丝中，与所述的在上弹簧丝下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变 形齿之间夹有的信号光纤并排有第二信号光纤。
6.按照权利要求1所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在 于在所述的弹簧丝上表面和下表面上分别有第二变形齿，相邻两圈弹簧丝中，在上弹簧丝 下表面上的第二变形齿与下弹簧丝上表面上的第二变形齿之间夹有第二信号光纤。
7.按照权利要求1所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在 于所述的弹簧丝的截面形状是圆形、椭圆形、长方形或圆环型。
8.按照权利要求1至7任意一项所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型高精度光纤传感 器，其特征在于测试单元后面接处理单元。
9.按照权利要求1至7任意一项所述的基于光纤弯曲损耗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一端安置有光反射器件。
10.按照权利要求1至7任意一项所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型高精度光纤传感 器，其特征在于所述信号光纤是多芯光纤、高分子聚合物光纤、紧套光纤、碳涂覆光纤、金 属涂覆光纤或光子晶体光纤。
全文摘要
本发明公开了一种基于光纤弯曲损耗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，并能够同时利用光纤宏弯损耗和微弯损耗进行检测，使测试的动态范围更大，从而使测试结果更灵敏和准确，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，并可扩展为多种物理量的测定，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G01L1/24GK101881633SQ20101021954
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4月6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