一种内腔式光纤法布里珀罗测量滑移的传感器的制作方法

本发明涉及一种测量滑移的传感器，尤其涉及一种内腔式光纤法布里珀罗测量滑移的传感器，属于传感器领域。

背景技术：

由于钢板混凝土组合结构中钢板与混凝土的粘结作用比钢筋混凝土的粘结作用小，所以钢板混凝土组合结构的界面滑移是不可避免的。交界面的相对滑移主要是由于混凝土与钢板界面间的抗剪切粘结强度不足，使其组合作用降低，导致二者变形不一致而产生的。在现有技术中通常使用机械的和电学方便的设备来进行测量，但是这些设备通常对于使用环境有很高的要求，比如高温、低温、有强烈电磁干扰等这些场合是不适合使用的。且通常混凝土与钢筋之间的滑移比较小，因此需要一种能够精度比较高的测量仪器。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种内腔式光纤法布里珀罗测量滑移的传感器，在该传感器中，第一光纤、第二光纤通过传感器体伸入到腔体中，而在第一、第二光纤的底部设置有反射端面，且在第一、第二斜面的上表面设置有反射面，而第一、第二斜面分别垂直于第一、第二光纤的光轴，这样在第一光纤的发射端面与第一斜面的上表面设置的反射面之间就会形成第一法布里珀罗腔，第二光纤的发射端面与第二斜面的上表面设置的反射面之间就会形成第二法布里珀罗腔，由于密封防尘套为柔性材料，反光斜面可以在一定范围之内滑移，进而改变了两个法布里珀罗腔的干涉腔长，利用法布里珀罗原理可以测量反光斜面在不同方向上的滑移，即测量时，读出两个光纤对应的光谱图，然后通过第一法、第二法布里珀罗腔的干涉腔长信息，即根据曲线拟合发、条纹计数法、波峰跟踪法或者傅里叶变换等方法，均可以求出干涉腔长，并且具有极高的精度，一般精度高于10nm数量级。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种内腔式光纤法布里珀罗测量滑移的传感器，包括反光斜面、密封防尘套、传感器体、第一光纤、第二光纤，其中：

所述密封防尘套为内部设有腔体且两端贯通的柔性管体，该柔性管体的一端密封连接到传感器体，另一端密封连接到反光斜面；

所述反光斜面的底侧为一平面，且其上侧设置有与其底侧平面的倾角为θ₁的第一斜面、倾角为θ₂的第二斜面，在第一斜面和第二斜面的上侧表面设置有反射面；

且第一斜面和第二斜面必须满足条件为，行列式不为零，其中(l₁,n₁)是第一斜面的法向量，(l₂,n₂)是第二斜面的法向量；

第一光纤和第二光纤的底部设有反射端面，且第一光纤和第二光纤穿过传感器体伸入到腔体，且第一光纤的光轴垂直于第一斜面，第二光纤的光轴垂直于第二斜面。

作为优选，所述反光斜面为刚体。

作为优选，第一斜面所处于的平面与底侧的平面的第一交线平行于第二斜面所处于的平面与底侧的平面的第二交线，

且θ₁,θ₂必须满足的条件为行列式不为零。

作为优选，第一斜面所处于的平面与底侧的平面的第一交线垂直于第二斜面所处于的平面与底侧的平面的第二交线，

且θ₁,θ₂必须满足的条件为sinθ₁sinθ₂≠0。

作为优选，-45°≤θ₁,θ₂≤45°。

作为优选，该传感器还包括第三光纤，且第三光纤的底部设有反射端面，第三光纤穿过传感器体伸入到腔体；

所述反光斜面上侧还设置有与其底侧平面的倾角为θ₃的第三斜面，在第三斜面上侧表面设置有反射面；

且第一斜面、第二斜面和第三斜面必须满足条件为，行列式不等于，其中(l₁,m₁,n₁)、(l₂,m₂,n₂)、(l₃,m₃,n₃)分别为第一、第二和第三斜面的法向量；

第三光纤的光轴垂直于第三斜面。

作为优选，第一斜面所处于的平面与底侧的平面的第一交线平行于第二斜面所处于的平面与底侧的平面的第二交线，且第三斜面所处于的平面与底侧的平面的第三交线垂直于第一交线和第二交线；

且θ₁,θ₂,θ₃满足的条件为，行列式不为零。

作为优选，-45°≤θ₁,θ₂,θ₃≤45°。

作为优选，所述密封防尘套的材料为耐酸碱柔性材料。

作为优选，所述第一光纤、第二光纤和第三光纤中的一个或多个串联布拉格光纤光栅。

本发明的有益效果：

(1)本发明所提供的内腔式光纤法布里珀罗测量滑移的传感器巧妙的结合了EFPI原理与机械设计的一些原理，使用简易的EFPI结构，使两个界面之间的相对滑移转化为较小的干涉腔长变化，并同时测出两个界面的法向相对移动量。从而得到不同方向上非常精确的滑移量；

(2)本发明所提供的内腔式光纤法布里珀罗测量滑移的传感器几乎不受温度影响，完全不受电磁干扰，可以在温差大、条件恶劣的地方长期监测，具有很强的实用性；

(3)本发明所提供的内腔式光纤法布里珀罗测量滑移的传感器的防晃防震技术很高，可以确保干涉腔长不会因为主杆的晃动和振动而变化；

(4)温度本发明所提供的内腔式光纤法布里珀罗测量滑移的传感器对的影响极小，不影响测量精度，甚至可以忽略不计；

(5)如果对精度要求极高，可以通过在其中一根光纤上串联一个FBG来，就可以利用温度补偿来提高测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例1所提供的一种内腔式光纤法布里珀罗测量滑移的传感器的正视图；

图2为本发明实施例1所提供的一种内腔式光纤法布里珀罗测量滑移的传 感器的正视图；

图3为本发明实施例1所提供的反光斜面的立体图；

图4为本发明实施例1所提供的反光斜面的立体图；

图5为本发明实施例2所提供的反光斜面的立体图；

图6为本发明实施例3所提供的反光斜面的立体图；

其中：1.反光斜面，2.密封防尘套，3.传感器体，4.第一光纤，5.第二光纤，6.第一斜面，7.第二斜面，8.腔体，9.第三斜面；

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，当第一斜面位于XOY平面的上方时θ₁的值大于零，反之则小于零；当第二斜面位于XOY平面的上方时θ₂的值大于零，反之则小于零；当第三斜面位于XOY平面的上方时θ₃的值大于零，反之则小于零。

实施例1

本发明提供了一种内腔式光纤法布里珀罗测量滑移的传感器，如图1、图2所示，包括反光斜面1、密封防尘套2、传感器体3、第一光纤4、第二光纤5，其中：

所述反光斜面、传感器体的材质可以为金属。

所述密封防尘套2为内部设有腔体8且两端贯通的柔性管体，该柔性管体的一端密封连接到传感器体3，另一端密封连接到反光斜面1；

所述反光斜面1的底侧为一平面，且其上侧设置有与其底侧平面的倾角为θ₁的第一斜面6、倾角为θ₂的第二斜面7，在第一斜面6和第二斜面7的上侧表面设置有反射面；

且第一斜面6和第二斜面7必须满足条件为，行列式不为零，其中(l₁,n₁)是第一斜面6的法向量，(l₂,n₂)是第二斜面7的法向量；

第一光纤4和第二光纤5的底部设有反射端面，且第一光纤4和第二光纤5穿过传感器体3伸入到腔体8，且第一光纤4的光轴垂直于第一斜面6，第二光纤5的光轴垂直于第二斜面7。

所述传感器体上可以设置有两个倾斜细孔，第一光纤和第二光纤分别通过这两个倾斜细孔从而伸入到腔体中。可选地，这两个倾斜孔位于同一个平面内。

经过实际测量，该传感器可以测量到1微米以下极其微小的滑移，而且测量过程中几乎不受温度影响，且当采用的材料性能稳定时，可以在零下三十度到零上一百度之间长期工作。

本实施例所提供的内腔式光纤法布里珀罗测量滑移的传感器的工作原理：

在该传感器中，第一光纤、第二光纤通过传感器体伸入到腔体中，而在第一、第二光纤的底部设置有反射端面，且在第一、第二斜面的上表面设置有反射面，而第一、第二斜面分别垂直于第一、第二光纤的光轴，这样在第一光纤的发射端面与第一斜面的上表面设置的反射面之间就会形成第一法布里珀罗腔，第二光纤的发射端面与第二斜面的上表面设置的反射面之间就会形成第二法布里珀罗腔，由于密封防尘套为柔性材料，反光斜面可以在一定范围之内滑移，进而改变了两个法布里珀罗腔的干涉腔长，利用法布里珀罗原理可以测量反光斜面在不同方向上的滑移，即测量时，读出两个光纤对应的光谱图，然后通过第一、第二法布里珀罗腔的干涉腔长信息，即根据曲线拟合发、条纹计数法、波峰跟踪法或者傅里叶变换等方法，均可以求出干涉腔长，并且具有极高的精度，一般精度高于10nm数量级。

在实际生产本传感器的时候，可以根据需要改变θ₁、θ₂的大小，且量程越大、倾角θ₁、θ₂的绝对值就应该越大。

经过实际测量，该传感器可以测量到1微米以下极其微小的滑移，而且测量过程中几乎不受温度影响，且当采用的材料性能稳定时，可以在零下三十度到零上一百度之间长期工作。

优选地，所述反光斜面1为刚体。

当反光斜面为刚体时，可以确保第一、第二斜面的运动方向是一致的。

优选地，第一斜面6所处于的平面与底侧的平面的第一交线平行于第二斜面7所处于的平面与底侧的平面的第二交线，

且θ₁,θ₂必须满足的条件为行列式不为零。

如图1、图2所示，在实际使用中，为了能够同时测出x方向的滑移量和z方向的滑移量，本传感器利用两根光纤和两个反射面来测量单向的滑移量的，在具体测量时(比如：测量物体A和物体B之间的位移量)，可以在物体B上打磨一个底面为平面的小槽(其实未必非得打磨，还有一种方法，就是把反光斜面焊接在B的上面，然后在周围布设软体材料，这样不用打磨小槽)(需要将该传感器的反光斜面的底面与小槽的底面给合在一起，在现实的三维世界中使用该传感器，如图3、图4所示，第一斜面和第二斜面的交线为Y轴，X轴为平行于反光斜面的底面且垂直于Y轴的直线，则Z轴为同时垂直于X轴与Y轴的直线，此时，X、Y、Z轴的正方向可以根据用户自己制定，该传感器可以测量出X、Z轴方向的滑移。将该传感器的传感器体连接到物体A上，即可以将物体A视作位于Z轴上，从而可以测量出物体B在XOZ平面上的滑移)，当物体A相对物体B发生XOZ平面方向上的滑移时，会改变第一、第二法布里珀罗腔的腔长，通过光谱计算出的第一、第二法布里珀罗腔的干涉腔长由d₁和d₃变为d′₁和d′₃，以图3、图4所示的坐标方向为准，物体A相对于物体B在X和Z方向移动的距离Δx和Δz可以表示为：

可选地，行列式不为零。

应该说明的是，行列式不为零的属于本发明的保护范围之内，此处-90°≤θ₁,θ₂≤90°。

优选地，-45°≤θ₁,θ₂≤45°。

优选地，所述密封防尘套2的材料为耐酸碱柔性材料。

密封防尘套为耐酸碱柔性材料时，可以使用在一个环境比较恶劣的场合。

可选地，所述第一光纤4和第二光纤5为单模或多模光纤。

优选地，所述第一光纤4、第二光纤5中的一个或多个串联布拉格光纤光栅。

可选地，所述布拉格光纤光栅端部到反射端面距离为1-3mm。

布拉格光纤光栅(FBG)必须是直的，且是不受应力的(也就是自由的，不受拉压)，也就是不能封胶，因为封胶肯定有应力。

实施例2

本实施例在实施例1的基础之上做了改进，如图5所示，具体的改进内容如下：

第一斜面6所处于的平面与底侧的平面的第一交线垂直于第二斜面7所处于的平面与底侧的平面的第二交线，

且θ₁,θ₂必须满足的条件为sinθ₁sinθ₂≠0。

如图5所示，在实际使用中，为了能够同时测出x和y方向的滑移量，本传感器利用两根光纤和两个反射面来测量单向的滑移量的，在具体测量时(比如：测量物体A和物体B之间的位移量)，可以在物体B上打磨一个底面为平面的小槽(其实未必非得打磨，还有一种方法，就是把反光斜面焊接在B的上面，然后在周围布设软体材料，这样不用打磨小槽)(需要将该传感器的反光斜面的底面与小槽的底面给合在一起，在现实的三维世界中使用该传感器，如图5所示，第一斜面与反光斜面的底面的交线为X轴，第二斜面与反光斜面的底面的交线为Y轴，则Z轴为同时垂直于X轴与Y轴的直线，此时，X、Y、Z轴的正方向可以根据用户自己制定，该传感器可以测量出X、Y轴方向的滑移。将该传感器的传感器体连接到物体A上，即可以将物体A视作位于Z轴上，从而可以测量出物体B在XOY平面上的滑移)，当物体A相对物体B发生XOY平面方向上的滑移时，会改变第一、第二法布里珀罗腔的腔长，通过光谱计算出的第一、第二法布里珀罗腔的干涉腔长由d₁和d₂变为d′₁和d′₂，以图5所示的坐标方向为准，物体A相对于物体B在X和Y方向移动的距离Δx和Δy可以表示为：

实施例3

本实施例在实施例1的基础之上做了改进，如图6所示，具体的改进内容 如下：

该传感器还包括第三光纤，且第三光纤的底部设有反射端面，第三光纤穿过传感器体3伸入到腔体8；

所述反光斜面1上侧还设置有与其底侧平面的倾角为θ₃的第三斜面9，在第三斜面9上侧表面设置有反射面；

且第一斜面6、第二斜面7和第三斜面9必须满足条件为，行列式不等于0，其中(l₁,m₁,n₁)、(l₂,m₂,n₂)、(l₃,m₃,n₃)分别为第一、第二和第三斜面的法向量；

第三光纤的光轴垂直于第三斜面9。

本实施例所提供的内腔式光纤法布里珀罗测量滑移的传感器的工作原理：

在该传感器中，第一、第二和第三光纤通过传感器体伸入到腔体中，而在第一、第二和第三光纤的底部设置有反射端面，且在第一、第二和第三斜面的上表面设置有反射面，第一、第二和第三斜面分别垂直于第一、第二和第三光纤的光轴，这样在第一光纤的发射端面与第一斜面的上表面设置的反射面之间就会形成第一法布里珀罗腔，第二光纤的发射端面与第二斜面的上表面设置的反射面之间就会形成第二法布里珀罗腔，第三光纤的发射端面与第三斜面的上表面设置的反射面之间就会形成第三法布里珀罗腔。

由于密封防尘套为柔性材料，反光斜面可以在一定范围之内滑移，进而改变了三个法布里珀罗腔的干涉腔长，利用法布里珀罗可以测量反光斜面在不同方向上的滑移，即测量时，读出三个光纤对应的光谱图，然后通过第一法、第二和第三法布里珀罗腔的干涉腔长信息，即根据曲线拟合发、条纹计数法、波峰跟踪法或者傅里叶变换等方法，均可以求出干涉腔长，并且具有极高的精度，一般精度高于10nm数量级。

在实际生产本传感器的时候，可以根据需要改变θ₁、θ₂、θ₃的大小，且量程越大、倾角θ₁、θ₂、θ₃的绝对值就应该越大。

经过实际测量，该传感器可以测量到1微米以下极其微小的滑移，而且测量过程中几乎不受温度影响，且当采用的材料性能稳定时，可以在零下三十度 到零上一百度之间长期工作。

在实际使用中，为了能够同时测出X、Y、Z三个方向的滑移量，本传感器利用三根光纤和三个反射面来测量单向的滑移量的，在具体测量时(比如：测量物体A和物体B之间的三维位移量)，可以在物体B上打磨一个底面为平面的小槽，需要将该传感器的反光斜面的底面与小槽的底面给合在一起，在确定好一个XYZ的三维坐标系之后，可以确定第一、第二和第三斜面的法向量，进而可以测量出物体B相对于物体A在X轴、Y轴、Z轴上的滑移。当物体A和物体B发生X、Y、Z轴方向上的滑移时，会改变第一法、第二和第三法布里珀罗腔的腔长，通过光谱计算出的第一、第二和第三法布里珀罗腔的干涉腔长由d₁、d₂和d₃变为d′₁、d′₂和d′₃，则：

优选地，第一斜面6所处于的平面与底侧的平面的第一交线平行于第二斜面7所处于的平面与底侧的平面的第二交线，且第三斜面9所处于的平面与底侧的平面的第三交线垂直于第一交线和第二交线；

且θ₁,θ₂,θ₃满足的条件为，行列式不为零。

如图6所示，在实际使用中，为了能够同时测出X、Y、Z三个方向的滑移量，本传感器利用三根光纤和三个反射面来测量单向的滑移量的，在具体测量时(比如：测量物体A和物体B之间的三维位移量)，可以在物体B上打磨一个底面为平面的小槽(需要将该传感器的反光斜面的底面与小槽的底面给合在一起，在现实的三维世界中使用该传感器，第一斜面和第二斜面的交线为Y轴，Z轴为平行于反光斜面的底面且垂直于Y轴的直线，则Z轴为同时垂直于X轴，与Y轴的直线，此时，X、Y、Z轴的正方向可以根据用户自己制定，该传感器可以测量出X、Y、Z轴方向的滑移)，当物体A和物体B发生X、Y、Z轴方向上的滑移时，会改变第一法、第二和第三法布里珀罗腔的腔长，通过光谱计算出的第一、第二和第三法布里珀罗腔的干涉腔长由d₁、d₂和d₃变为d′₁、d′₂和d′₃， 以图6所示的坐标方向为准，则两种介质在X、Y和Z方向相对移动的距离Δx、Δy和Δz可以表示为：

优选地，-45°≤θ₁,θ₂,θ₃≤45°。

优选地，所述密封防尘套2的材料为耐酸碱柔性材料。

密封防尘套为耐酸碱柔性材料时，可以使用在一个环境比较恶劣的场合。

可选地，所述第一光纤4、第二光纤5和第三光纤为单模或多模光纤。

优选地，所述第一光纤4、第二光纤5和第三光纤中的一个或多个串联布拉格光纤光栅。

可选地，所述布拉格光纤光栅端部到反射端面距离为1-3mm。

布拉格光纤光栅(FBG)必须是直的，且是不受应力的(也就是自由的，不受拉压)，也就是不能封胶，因为封胶肯定有应力。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。