专利名称：基于光纤微弯损耗的通用型压力感测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种压力传感装置，尤其是涉及一种基于多层型光纤微弯损耗的 通用型压力感测装置。
背景技术：
现有光纤压力传感装置的种类较多，主要包括光强度调制型光纤传感装置、光纤 光栅压力传感装置、光纤干涉压力传感装置等多种类型，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，从而使得光纤传感装置 的应用推广受到很大限制。在光强度调制型光纤压力传感装置中又主要有膜片反射式或 微弯损耗式结构。前者主要的缺陷是光纤在传感装置中不连续，存在端面污染问题，影响 该光纤传感装置的长期使用精度，后者微弯损耗式主要有两种类型，一种是锯齿板周期微 弯损耗式装置，两块经严格加工的锯齿板平行安置，并在两平行锯齿板间夹持有光纤，该 装置中光纤的变形量很小，只有数百微米导致检测范围小，限制其实用化及应用范围；另 一种类型是中国专利93206204.0《光纤传感压力头》、和西安理工大学学报Q000)Vol. 16 No. Ip. 69-73的文章《基于C型弹簧管和光纤环的光纤压力传感器》中提出的将光纤盘为 直径5-10mm左右的光纤环数圈，并通过夹具安置在固定支架和C型弹簧管之间，在有压力 变化时，C型弹簧管的位置相对于固定支架的变动而改变了光纤环的弯曲曲率，造成在光纤 环中的光纤传输光信号的弯曲损耗变化，通过对该弯曲损耗变化的检测，可以获得监测压 力的变化，但两者装置中的光纤环均要求直径在5-10mm左右，而绝大多数光纤在该弯曲曲 率下均会有很大的弯曲内应力，光纤会在短时间内断裂，导致该光纤传感器的失效，从而限 制了该类传感器的实用及推广。
发明内容为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于微弯损耗的光纤压力传 感装置，采用的是多层光纤微弯结构，不仅增加了检测距离，并使该光纤检测装置具有使用 寿命长、精度高的特点。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是一种基于光纤微弯损耗的 通用型压力感测装置，其特征在于包括一圆柱形腔体，所述的圆柱形腔体的一端是由一基 板封闭，另一端固定有波纹片，在所述的基板和波纹片之间固定有包含信号光纤的多层微 弯元件，信号光纤通过延长光纤与测试单元相接。当被测压力作用在波纹片时，波纹片发生微小变形，多层微弯元件感测到波纹片 的变形并使包含在多层微弯元件内的信号光纤的弯曲曲率变化，从而使传输于信号光纤内 的光信号功率有显著的变化，通过测试单元的检测，达到了测定压力的大小。由于采用了多 层微弯元件，延长了信号光纤的有效长度，并减少了信号光纤的弯曲曲率，从而在提高该装 置的精度同时，大大延长了信号光纤的使用寿命。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是有一个包含参考光纤的多层光纤微弯元件安装于圆柱形腔体内。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的多层微弯元件是 由两层或两层以上的平板锯齿型微弯元件构成。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的多层微弯元件是 由一个曲线型的内部包含有相互交错对应的两列变形齿的微弯元件构成，两列变形齿间夹 有信号光纤。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的多层微弯元件是 由一个弹簧型的相邻两圈弹簧丝上有相互交错对应变形齿的微弯元件构成，两列变形齿间 夹有信号光纤。本实用新型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 安置有光反射装置，如反射镜或光纤光栅。本实用新型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 的延长光纤接1X2光分路器的1端，1X2光分路器的2端分别接光源和光功率计。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的圆柱形腔体的内 壁上端边沿和下端边沿又分别固定有内圆柱形腔体A和内圆柱形腔体B，在内圆柱形腔体A 的下端安置有波纹片，内圆柱形腔体B的上端安置有基板。圆柱形腔体的膨胀系数与内圆 柱形腔体A和内圆柱形腔体B的膨胀系数不同。两个及两个以上的多层微弯元件中的信号光纤通过延长光纤串联在一起，形成准 分布式光纤传感系统。在两个多层微弯元件之间的延长光纤上安置有光反射装置，如光纤光栅。在所述的基板上有调整螺杆。在所述的基板上有平衡内外压力的孔。本实用新型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。本实用新型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。本实用新型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、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤 也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤。本实用新型与现有技术相比具有以下优点1、基于光纤微弯的通用型压力感测装置，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、灵敏度高；2、基于光纤微弯的通用型压力感测装置，因由多层微弯元件构成，大大增加了信 号光纤的有效弯曲长度，一方面增加了检测的精度和灵敏度，并可以减少信号光纤的弯曲 曲率，从而延长了信号光纤的使用寿命，使该光纤检测装置具有使用寿命长的特点；3、基于光纤微弯的通用型压力感测装置由于采用了多层微弯变形器，从而可以使 本装置可以响应更大的压力作用距离，扩展了该装置的使用范围。综上所述，本实用新型结构简单、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，所具有多层微弯元件结构可以大幅度减少信号光纤弯曲曲率，并大幅度延长了信号光纤的有效长度，使本实用新型的装置具有更好的精度和更长的使用寿命。下面通过附图和实施例，对实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本实用新型第一具体实施方式
的部分剖面结构示意图。图2为本实用新型第一具体实施方式
的主要部位的剖面结构示意图。图3为本实用新型第二具体实施方式
的部分剖面结构示意图。图4为本实用新型第二具体实施方式
的主要部位的剖面结构示意图。图5为本实用新型第三具体实施方式
的结构示意图。图6为本实用新型第四具体实施方式
的结构示意图。附图标记说明
1-延长光纤；4-1-下变形齿；4-2-上变形齿；4-曲线型壳体■’5-测试单元；6-信号光纤■’7-处理单元■’8-弹簧丝■’11-固定点■’12-内圆柱形腔体A13-波纹片■’14-传导柱■’15-基板■’16-调整螺杆■’17-内圆柱形腔体B ；18-基板■’19-圆柱形腔体■’20-透气孔■’21-1X2光分路器■’22-光反射器。
具体实施方式
实施例1如图1、图2所示，本实用新型有一个包含信号光纤6的由曲线型壳体4构成的多 层微弯元件，固定于所述的曲线型壳体4内的下变形齿4-1和上变形齿4-2交错对应并在 两者之间夹持有信号光纤6，信号光纤6通过延长光纤1与测试单元5连接，测试单元5后 面接处理单元7，在曲线型壳体4外是两层腔体，圆柱形腔体19的内壁上端边沿和下端边沿 又分别固定有内圆柱形腔体A12和内圆柱形腔体B17，在内圆柱形腔体A12的下端安置有波 纹片13，内圆柱形腔体B17的上端安置有基板18。波纹片13通过传导柱14将所受到的压 力传递给构成多层微弯元件的曲线型壳体4，从而导致固定于所述的曲线型壳体4内的下 变形齿4-1和上变形齿4-2之间的距离改变，使夹持两者变形齿之间的信号光纤6的弯曲 曲率改变，导致在信号光纤内部传输的光信号功率的变化，测试单元5通过延长光纤1获取 该变化并将该数值传递给处理单元7，处理单元计算出压力的大小。圆柱形腔体19的膨胀 系数与内圆柱形腔体A12和内圆柱形腔体B17的膨胀系数不同，这是典型的桥式温度补偿 结构，通过选择合适膨胀系数的材料可以使本传感装置消减温度的影响。基板15与调整螺 杆16相接，调整螺杆16与内圆柱形腔体B17的基板18是螺纹配合，通过调整螺杆16的调
5节使传感装置处于最佳状态，基板18上有透气孔20。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、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光 纤；或是多根信号光纤6并排夹持在变形齿间，或是多根信号光纤6通过树脂合并为信号光 纤束或信号光纤带。所述信号光纤6和延长光纤1外部包覆有防水材料，如防水油膏，可进一步防止水 分子对信号光纤6和延长光纤1的侵蚀，延长了信号光纤6和延长光纤1的使用寿命。实施例2如图3、图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是多圈微弯元件是由一个弹簧 型的相邻两圈弹簧丝8上有相互交错对应变形齿的元件构成，两列变形齿间夹有信号光纤 6。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不同的是在信号光纤6的一端的安置有光 反射器22，信号光纤6的另一端与延长光纤1连接，延长光纤1接1X2光分路器21，1X2光 分路器21的2端接测试单元5，该测试单元5是由稳定光源和光功率计构成，也即是1X2光 分路器21的2端分别接稳定光源和光功率计，测试单元5又与处理单元7连接，这样可以 使信号光纤6内传输的光信号两次通过信号光纤6的弯曲部分，进一步提高了本检测装置 的精度和灵敏度。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所示，本实施例中，与实施例3不同的是有两个构成多层微弯元件的曲线 型壳体4中的信号光纤通过延长光纤串联在一起，形成准分布式光纤传感系统，在两个曲 线型壳体4中之间的延长光纤上安置有光反射器22，如光纤光栅，当然优选的做法是选用 低反射率的光纤光栅。这时测试单元5的优选是使用光时域反射计(OTDR)，通过光时域反 射计的测试曲线可以得到任意一个压力传感器的压力变化，进一步的可以通过测量光反射 器22的高度反应出该光反射器22前面的压力传感器的变化，从而进一步提高测试精度。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3相同。构成多圈微弯元件也可以是由两层或两层以上的平板锯齿型微弯元件构成。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根 据本实用新型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 属于本实用新型技术方案的保护范围内。
权利要求1.基于光纤微弯损耗的通用型压力感测装置，其特征在于包括一圆柱形腔体，所述 的圆柱形腔体的一端是由一基板封闭，另一端固定有波纹片，在所述的基板和波纹片之间 固定有包含信号光纤的多层微弯元件，信号光纤通过延长光纤与测试单元相接。
2.按照权利要求1所述的基于光纤微弯损耗的通用型压力感测装置，其特征在于有 一个包含参考光纤的多层光纤微弯元件安装于圆柱形腔体内。
3.按照权利要求1所述的基于光纤微弯损耗的通用型压力感测装置，其特征在于所 述的多层微弯元件是由两层或两层以上的平板锯齿型微弯元件构成。
4.按照权利要求1所述的基于光纤微弯损耗的通用型压力感测装置，其特征在于所 述的多层微弯元件是由一个曲线型壳体构成，在曲线型壳体的内部包含有相互交错对应的 两列变形齿的微弯元件构成，两列变形齿间夹有信号光纤。
5.按照权利要求1所述的基于光纤微弯损耗的通用型压力感测装置，其特征在于所 述的多层微弯元件是由一个弹簧型的相邻两圈弹簧丝上有相互交错对应变形齿的微弯元 件构成，两列变形齿间夹有信号光纤。
6.按照权利要求1所述的基于光纤微弯损耗的通用型压力感测装置，其特征在于所 述的信号光纤的一端安置有光反射器。
7.按照权利要求1所述的基于光纤微弯损耗的通用型压力感测装置，其特征在于所 述的信号光纤的一端的延长光纤接1X2光分路器的1端，1X2光分路器的2端分别接光源和 光功率计。
8.按照权利要求1所述的基于光纤微弯损耗的通用型压力感测装置，其特征在于所 述的圆柱形腔体的内壁上端边沿和下端边沿又分别固定有内圆柱形腔体A和内圆柱形腔 体B，在内圆柱形腔体A的下端安置有波纹片，内圆柱形腔体B的上端安置有基板，圆柱形腔 体的膨胀系数与内圆柱形腔体A和内圆柱形腔体B的膨胀系数不同。
9.按照权利要求1所述的基于光纤微弯损耗的通用型压力感测装置，其特征在于两 个及两个以上的多层微弯元件中的信号光纤通过延长光纤串联在一起。
10.按照权利要求9所述的基于光纤微弯损耗的通用型压力感测装置，其特征在于在 两个多层微弯元件之间的延长光纤上安置有光反射器。
专利摘要本实用新型公开了一种基于光纤微弯损耗的通用型压力感测装置，包括一圆柱形腔体，所述的圆柱形腔体的一端是由一基板封闭，另一端固定有波纹片，在所述的基板和波纹片之间固定有包含信号光纤的多层微弯元件。当被测压力作用在波纹片时，波纹片变形并将该力值传递给多层微弯元件，引起多层微弯元件压缩，使包含在多层微弯元件内的信号光纤的弯曲曲率变化，从而使传输于信号光纤内的光信号功率有显著的变化，通过测试单元的检测，达到了测定压力的大小。由于采用了多层微弯元件，延长了信号光纤的有效长度，并减少了信号光纤的弯曲曲率，从而在提高该装置的精度同时，大大延长了信号光纤的使用寿命，使本实用新型的装置具有广阔的应用前景。
文档编号G01L11/02GK201885836SQ201020507070
公开日2011年6月29日 申请日期2010年8月17日 优先权日2010年8月17日
发明者杜兵 申请人:西安金和光学科技有限公司