同步多通道光纤传感器的制作方法

1.本实用新型涉及光纤传感器，具体涉及同步多通道光纤传感器。


背景技术：

2.光纤传感器包括光纤fp(fabry-perot)传感器、光纤砷化镓传感器和光纤光栅传感器，解调上述三种光纤传感器信息的方法有多种，采用光谱仪解调是其中的一种。
3.目前，在基于光谱仪解调的光纤传感器中，为了降低系统成本，通常采用时分复用的方法分别对多个输入光纤传感头的信息进行解调。这种系统存在的主要问题是响应速度慢，无法满足多点同步测量和高响应速度的应用要求。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是解决基于光谱仪解调的多通道光纤传感器无法满足多点同步测量和高响应速度的应用要求的不足之处，而提供同步多通道光纤传感器。
5.本实用新型提供了如下技术解决方案：
6.一种同步多通道光纤传感器，包括传感单元和解调单元，所述传感单元包括多个光纤传感头，其特殊之处在于：
7.所述多个光纤传感头的输出光纤构成光纤阵列，多个光纤传感头的输出光纤沿垂直于衍射光栅结构周期变化方向按照相同预设间距排成至少一列，所述预设间距大于输出光纤的芯径；光纤阵列的输出端面垂直于准直镜头的光轴；
8.所述解调单元包括沿光纤阵列出射光光路依次设置的准直镜头、衍射光栅、聚焦镜头和面阵图像传感器；
9.所述面阵图像传感器传感单元两个互相垂直的排列方向中的一个平行于衍射光栅结构周期变化方向；
10.所述准直镜头用于将光纤阵列出射光准直后输出至衍射光栅上；所述衍射光栅用于将照射到其上的光衍射后输出衍射光；所述聚焦镜头用于将衍射光聚焦后在面阵图像传感器上形成互不干涉的多个光谱像。
11.进一步地，每个所述光纤传感头包括光源，以及沿光源出射光路依次设置的第一透镜、分束镜，以及设置在分束镜反射光路上的反射式光纤fp头，以及第二透镜和输出光纤；
12.光源出射光依次经过第一透镜、分束镜反射后耦合进入反射式光纤fp头，反射式光纤fp头输出的反射光依次经过分束镜、第二透镜后耦合进入输出光纤。
13.进一步地，每个所述光纤传感头包括光源，以及沿光源出射光路依次设置的第一透镜、分束镜，以及设置在分束镜反射光路上的反射单元，以及第二透镜和输出光纤，所述反射单元包括探测光纤和设置在探测光纤端部的砷化镓晶体；
14.光源出射光依次经过第一透镜、分束镜反射后耦合进入探测光纤传输至砷化镓晶体，并由砷化镓晶体反射，再经探测光纤输出的反射光依次经过分束镜、第二透镜后耦合进
入输出光纤。
15.进一步地，每个所述光纤传感头包括光源，以及沿光源出射光路依次设置的透镜、透射式光纤fp头，以及与透射式光纤fp头连接的输出光纤。
16.进一步地，每个所述光纤传感头包括光源、环形器、光纤光栅传感单元和输出光纤，所述光源的输出端与环形器的输入端相连，环形器与光纤光栅传感单元相互连接，光纤光栅传感单元包括多个串联的光纤光栅传感头，环形器的输出端与输出光纤连接。
17.同时，本实用新型还提供一种同步多通道光纤传感器，包括传感单元和解调单元，所述传感单元包括多个光纤传感头，其特殊之处在于：
18.所述多个光纤传感头的输出光纤构成光纤阵列，多个光纤传感头的输出光纤沿垂直于衍射光栅结构周期变化方向按照相同预设间距排成至少一列，所述预设间距大于输出光纤的芯径；光纤阵列的输出端面垂直于光学镜头的光轴；
19.所述解调单元包括沿光纤阵列出射光光路依次设置的光学镜头、衍射光栅和面阵图像传感器；所述面阵图像传感器传感单元两个互相垂直的排列方向中的一个平行于衍射光栅结构周期变化方向；
20.所述光学镜头用于将光纤阵列出射光聚焦且准直后输出至衍射光栅上，并将衍射光聚焦且准直后在面阵图像传感器上形成互不干涉的多个光谱像；所述衍射光栅用于将照射到其上的光衍射后反射出衍射光。
21.进一步地，每个所述光纤传感头包括光源，以及沿光源出射光路依次设置的第一透镜、分束镜以及设置在分束镜反射光路上的反射式光纤fp头，以及第二透镜和输出光纤；
22.光源出射光依次经过第一透镜、分束镜反射后耦合进入反射式光纤fp头，反射式光纤fp头输出的反射光依次经过分束镜、第二透镜后耦合进入输出光纤。
23.进一步地，每个所述光纤传感头包括光源，以及沿光源出射光路依次设置的第一透镜、分束镜，以及设置在分束镜反射光路上的反射单元，以及第二透镜和输出光纤，所述反射单元包括探测光纤和设置在探测光纤端部的砷化镓晶体；
24.光源出射光依次经过第一透镜、分束镜反射后耦合进入探测光纤传输至砷化镓晶体，并由砷化镓晶体反射，再经探测光纤输出的反射光依次经过分束镜、第二透镜后耦合进入输出光纤。
25.进一步地，每个所述光纤传感头包括光源，以及沿光源出射光路依次设置的透镜、透射式光纤fp头，以及与透射式光纤fp头连接的输出光纤。
26.进一步地，每个所述光纤传感头包括光源、环形器、光纤光栅传感单元和输出光纤，所述光源的输出端与环形器的输入端相连，环形器与光纤光栅传感单元相互连接，光纤光栅传感单元包括多个串联的光纤光栅传感头，环形器的输出端与输出光纤连接。
27.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
28.(1)本实用新型同步多通道光纤传感器将多个光纤传感头的出射光转换为面阵图像传感器上互不干涉的多个光谱像，从而达到多通道信号同时解调的目的，极大地提高响应速度，满足了多点同步测量和高响应速度的应用要求，此外，由于响应速度的提高，本实用新型的应用范围也得到了拓展。
29.(2)本实用新型同步多通道光纤传感器可以采用光纤fp传感头或光纤砷化镓传感头或光纤光栅传感头，具有广泛的应用前景。
附图说明
30.图1为本实用新型一种同步多通道光纤传感器实施例一至四的结构示意图；
31.图2为本实用新型一种同步多通道光纤传感器实施例五至八的结构示意图；
32.图3为实施例一、五中光纤传感头的结构示意图；
33.图4为实施例二、六中光纤传感头的结构示意图；
34.图5为实施例三、七中光纤传感头的结构示意图；
35.图6为实施例四、八中光纤传感头的结构示意图。
36.附图标记说明如下：1-光纤阵列；2-准直镜头；3-衍射光栅；4-聚焦镜头；5-面阵图像传感器；6-光学镜头；7-光源；8-第一透镜；9-分束镜；10-反射式光纤fp头；11-第二透镜；12-输出光纤；13-透镜；14-透射式光纤fp头；15-探测光纤；16-砷化镓晶体；17-环形器；18-光纤光栅传感头。
具体实施方式
37.下面结合附图和示例性实施例对本实用新型作进一步地说明。
38.实施例一
39.参照图1，一种同步多通道光纤传感器，包括传感单元和解调单元。
40.所述传感单元包括多个光纤传感头，多个光纤传感头的输出光纤12构成光纤阵列1，多个光纤传感头的输出光纤12沿垂直于衍射光栅3结构周期变化方向按照相同预设间距排成一列，所述预设间距大于输出光纤12的芯径；光纤阵列1的输出端面垂直于准直镜头2的光轴；本实施例中，衍射光栅3结构周期变化方向平行于纸面，多个光纤传感头的输出光纤12排列方向垂直于纸面；输出光纤12芯径为62.5μm，预设间距为125μm。
41.所述解调单元包括沿光纤阵列1出射光光路依次设置的准直镜头2、衍射光栅3、聚焦镜头4和面阵图像传感器5；其中衍射光栅3采用体相位光栅。
42.所述面阵图像传感器5传感单元两个互相垂直的排列方向中的一个平行于衍射光栅3结构周期变化方向。
43.光纤阵列1出射光经准直镜头2准直后输出至衍射光栅3，再由衍射光栅3衍射后输出至聚焦镜头4，通过聚焦镜头4聚焦后在面阵图像传感器5上形成互不干涉的多个光谱像。
44.参照图3，本实施例中，每个所述光纤传感头包括光源7，以及沿光源7出射光路依次设置的第一透镜8、分束镜9，以及设置在分束镜9反射光路上的反射式光纤fp头10，以及第二透镜11和输出光纤12；光源7出射光依次经过第一透镜8、分束镜9反射后耦合进入反射式光纤fp头10，反射式光纤fp头10输出的反射光依次经过分束镜9、第二透镜11后耦合进入输出光纤12。
45.光源7为卤素灯，输出光纤12为设置有32个通道的多模光纤，输出光纤12通道数为32；衍射光栅3每mm有600个周期，衍射效率在600nm附近大于80％；面阵图像传感器5为cmos图像传感器，像素数2560x2048，像素间距3μm；温度测量范围-40度到200度。
46.实施例二
47.参照图4，本实施例中，每个所述光纤传感头包括光源7，以及沿光源7出射光路依次设置的第一透镜8、分束镜9，以及设置在分束镜9反射光路上的反射单元，以及第二透镜11和输出光纤12，所述反射单元包括探测光纤15和设置在探测光纤15端部的砷化镓晶体
16；
48.光源7出射光依次经过第一透镜8、分束镜9反射后耦合进入探测光纤15传输至砷化镓晶体16，并由砷化镓晶体16反射，再经探测光纤15输出的反射光依次经过分束镜9、第二透镜11后耦合进入输出光纤12。
49.光源7为卤素灯，探测光纤15、输出光纤12均为多模光纤。
50.本实施例其余设置均与实施例一相同。
51.实施例三
52.参照图5，本实施例中，每个所述光纤传感头包括光源7，以及沿光源7出射光路依次设置的透镜13、透射式光纤fp头14，以及与透射式光纤fp头14连接的输出光纤12；光源7为白光发光二极管。
53.本实施例其余设置均与实施例一相同。
54.实施例四
55.参照图6，本实施例中，每个所述光纤传感头包括光源7、环形器17、光纤光栅传感单元和输出光纤12，所述光源7的输出端与环形器17的输入端相连，环形器17与光纤光栅传感单元相互连接，光纤光栅传感单元包括多个串联的光纤光栅传感头18，环形器17的输出端与输出光纤12连接。
56.光源7为放大自发辐射ase宽带光源，输出光纤12为单模光纤。
57.本实施例其余设置均与实施例一相同。
58.实施例五
59.参照图2，一种同步多通道光纤传感器，包括传感单元和解调单元。
60.所述传感单元包括多个光纤传感头，多个光纤传感头的输出光纤12构成光纤阵列1，多个光纤传感头的输出光纤12沿垂直于衍射光栅3结构周期变化方向按照相同预设间距排成一列，所述预设间距大于输出光纤12的芯径；光纤阵列1的输出端面垂直于光学镜头6的光轴；本实施例中，衍射光栅3结构周期变化方向平行于纸面，多个光纤传感头的输出光纤12排列方向垂直于纸面；输出光纤12芯径为62.5μm，预设间距为125μm。
61.所述解调单元包括沿光纤阵列1出射光光路依次设置的光学镜头6、衍射光栅3和面阵图像传感器5；其中衍射光栅3采用反射式闪耀光栅。
62.所述面阵图像传感器5传感单元两个互相垂直的排列方向中的一个平行于衍射光栅3结构周期变化方向。
63.光纤阵列1出射光经光学镜头6聚焦且准直后输出至衍射光栅3，再由衍射光栅3衍射后反射至光学镜头6，通过光学镜头6再次聚焦且准直后在面阵图像传感器5上形成互不干涉的多个光谱像。
64.参照图3，本实施例中，每个所述光纤传感头包括光源7，以及沿光源7出射光路依次设置的第一透镜8、分束镜9，以及设置在分束镜9反射光路上的反射式光纤fp头10，以及第二透镜11和输出光纤12；光源7出射光依次经过第一透镜8、分束镜9反射后耦合进入反射式光纤fp头10，反射式光纤fp头10输出的反射光依次经过分束镜9、第二透镜11后耦合进入输出光纤12。
65.光源7为卤素灯，输出光纤12为设置有32个通道的多模光纤；衍射光栅3每mm有600个周期，衍射效率在600nm附近大于80％；面阵图像传感器5为cmos图像传感器，像素数
2560x2048，像素间距3μm；温度测量范围-40度到200度。
66.实施例六
67.参照图4，本实施例中，每个所述光纤传感头包括光源7，以及沿光源7出射光路依次设置的第一透镜8、分束镜9，以及设置在分束镜9反射光路上的反射单元，以及第二透镜11和输出光纤12，所述反射单元包括探测光纤15和设置在探测光纤15端部的砷化镓晶体16；
68.光源7出射光依次经过第一透镜8、分束镜9反射后耦合进入探测光纤15传输至砷化镓晶体16，并由砷化镓晶体16反射，再经探测光纤15输出的反射光依次经过分束镜9、第二透镜11后耦合进入输出光纤12。
69.光源7为卤素灯，探测光纤15、输出光纤12均为多模光纤。
70.本实施例其余设置均与实施例五相同。
71.实施例七
72.参照图5，本实施例中，每个所述光纤传感头包括光源7，以及沿光源7出射光路依次设置的透镜13、透射式光纤fp头14，以及与透射式光纤fp头14连接的输出光纤12；光源7为白光发光二极管。
73.本实施例其余设置均与实施例五相同。
74.实施例八
75.参照图6，本实施例中，每个所述光纤传感头包括光源7、环形器17、光纤光栅传感单元和输出光纤12，所述光源7的输出端与环形器17的输入端相连，环形器17与光纤光栅传感单元相互连接，光纤光栅传感单元包括多个串联的光纤光栅传感头18，环形器17的输出端与输出光纤12连接。
76.光源7为放大自发辐射ase宽带光源，输出光纤12为单模光纤。
77.本实施例其余设置均与实施例五相同。
78.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所保护技术方案的范围。