专利名称:具有反射型光纤传感器的折射率测试系统的制作方法
本发明属于折射率测试系统，特别是应用光纤传感技术来测量折射率，以及与之相关的其它物理量，如浓度、密度。
已有的折射率测试系统多为利用光的反射、透镜、偏振特性的光学仪器。新近发展的光纤传感系统，现已用于折射率的测试，如在“测量折射率的光纤传感器”(“Optical fiber srnsor for meauring refractive index”，Japanese J of Applied Physics，Vol 21，No.10，1982，PP 1509-1512)所披露的是利用弯曲的光纤来探测折射率，但它的缺点是灵敏度较差，结构不牢固。
本发明的目的是应用光纤传感技术为测量折射率及其它物理量提供一种包括一个结构简单、牢固的能适应在较大折射率范围内选择使用的、高灵敏度的反射型光纤传感器的折射率测试系统。
按照本发明的目的，所提供的具有反射型光纤传感器的折射率测试系统，是由系统部份、反射型光纤传感器以及连接这两部份的光纤或电缆所组成。用光纤或电缆进行联接则可取决于反射型光纤传感器的形式，即带有电器元件的有源的或不带有电器元件的无源的形式。系统部份的本身又进而包括驱动电源、光源、信号处理装置和终端设备，信号处理装置的形式也取决于所选用的反射型光纤传感器的类型。
按照本发明的目的，所提供的反射型光纤传感器具有两种不同类。
本发明所提供的一种是无源的反射型光纤传感器，它由光纤、自聚焦透镜、棱镜、底板和管壳所组成。光纤、自聚焦透镜和棱镜固定在底板上，光纤的一端与光源对接，另一端与自聚焦透镜对接，自聚焦透镜再与棱镜相接，使入射光通过光纤和自聚焦透镜后能以平行光或接近平行光束入射到棱镜与被测媒质所构成的反射界面上，经该界面反射后，其反射光束可以以两种方式进行接收和探测，一种是棱镜的反射光出射面上装有对反射光束聚焦的自聚焦透镜，该自聚焦透镜与系统中的探测器之间用光纤连接;另一种是棱镜的反射光出射面上装有双折射棱镜，使反射光分解为对其在反射角面上的入射面来定义的平行和垂直偏振的两束光线，在双折射棱镜出射面外的适当位置上装有两个对两束光聚焦的自聚焦透镜，自聚焦透镜与系统中的探测器之间用光纤连接。由探测器测出的信号处理设备和终端装置，从而获得所测物质的折射率，或其它与之相关的物理量，如浓度、密度。
本发明提供的另一种是有源的反射型光纤传感器，它与前者的差异之一在于由棱镜(或双折射棱镜)的出射端直接耦合一个光电探测器，从而省去了由棱镜(或双折射棱镜)到光电信号探测器之间的自聚焦透镜和光纤，由光电探测器输出的信号经前置放大器输入信号处理设备的其余部份和终端装置，从而获得所测物质的折射率或与之相关的物理量，如浓度、密度;第二个差异在于前者光电探测器和前置放大器是在系统部份内，而在此则属于反射型光纤传感器的一部份，这样做的目的在于提高信号强度，提高信噪比、便于遥测。
上述不同形式的反射型光纤传感器，随制作和使用条件不同而各有特色，但它们共同的优点是，能做得结构简单，紧凑、牢固体积小，结构形状适应性大，灵敏度高，既克服了常规光学仪器的结构复杂庞大，灵活性差的缺点，又克服了现有光纤传感器的灵敏度低，结构不大牢固的缺点。对用于生产中进行遥测与控制系统结合，实现连续监控，有更大的灵活性和优越性。
发明的具体结构由以下的实施例及其附图给出。
图1是具有反射型光纤传感器的折射率测试系统的方框图。
图2是无源的反射型光纤传感器的内部结构图。
图3是无源的反射型光纤传感器的另一种形式的内部结构图。
图4是有源的反射型光纤传感器的内部结构图。
图5是有源的反射型光纤传感器的另一种形式的内部结构图。
图6、7为不同结构形式棱镜的横截面图。
图1方框图中，1代表驱动电源，2是光源，3是光纤，4是反射型光纤传感器，5是光纤或电缆(对第一种方案为光纤，第二种方案为电缆)，6是信号处理设备(对第二种方案不包括光电探测器和前置放大器)，7是终端设备。
图2为本发明的反射型光纤传感器的一个具体实施例。该传感器是由外壳8、底板9、光纤10、16，自聚焦透镜11、15，棱镜12等构成。光纤、自聚焦透镜和棱镜按图示的布置固定在底板上。外壳的一端开有孔14使棱镜的底面能与被测媒质接触。外壳的另一端开有孔使光纤引出。将装好底板的外壳再密封起来。入射光可以从光纤10输入，通过光纤进入自聚焦透镜11，被会聚成平行或近平行光束，再入射到棱镜的底面13上(此底面与被测媒质17构成反射界面)，被反射界面反射的反射光进入自聚焦透镜15，光束被聚焦后进入光纤16，然后被光纤传输到系统部份，进行探测。媒质17的折射率变化将引起反射光功率的变化，从而由测它反射光功率的强度即可测定媒质的折射率及其它有关物理量。
图3为本发明的反射型光纤传感器的另一种实施例。图3所示传感器与图2所示传感器不同的是，用双折射棱镜22，自聚焦透镜2425和光纤26、27取代了图2所示传感器中的自聚焦透镜15种光纤16，从棱镜22出射的反射光被双折射棱镜23分解为对棱镜底面入射光束的入射面来定义的平行和垂直偏振两光束，两光束分别由自聚焦透镜24和25聚焦后，由光纤26和27传输至系统部份探测。图中18是外壳，19是底板，20是光纤，21是自聚焦透镜，30是被测媒质。
图4为本发明的反射型光纤传感器的第三种实施例。图4中所示的传感器与图2中所示的传感器不同的是，用光电探测器36，前置放大器37和电缆40取代了图2中所示传感器的自聚焦透镜15和光纤16。从棱镜35出射的反射光束被光电探测器36检测，探测器36的输出信号经过前置放大器37后，由电缆40输入系统进行处理。图4中31是外壳、32是底板、33是光纤、34是自聚焦透镜，38是界面即敏感面，39为被测媒质。
图5为本发明的反射型光纤传感器的第四种实施例。图5所示的传感器与图3所示的传感器不同的是，用探测器47、48、前置放大器49和电缆50取代了图3中所示传感器中的自聚焦透镜24、25和光纤26、27。从双折射棱镜45出射的两束偏振光分别被光电探测器47、48检测，两探测器的信号由前置放大器49分别处理后由电缆50输出至系统部份进行处理。图5中，41是外壳，42是底板、43是光纤、44是自聚焦透镜、45是透镜、51为敏感面、52为被测媒质。
图6、7示不同形状棱镜的横截面图，(6)示多次反射平板型棱镜，(7)示多次反射组合型棱镜。
光束在棱镜与被测媒质的界面上反射多次，传感器的灵敏度可以大大提高，相应地检测的动态范围也扩大。对使用LED光源PIN探测器和能使光束在反射界面上反射两次的棱镜的传感器，即可以探测出被测媒质折射率的10-5的变化。
自聚焦透镜会聚的平行光束入射到棱镜与被测媒质相接触的界面上的入射角略小于其临界角。这样，光的反射功率随此被测媒质的折射率变化很灵敏。
使用图2和图4所示的传感器，当系统需要对光源的发光功率的不稳定性进行补偿时，只能从光源引出参考光与通过传感器后的光信号进行比较，或使用锁相放大技术和别的方法。而使用图3和图5所示的传感器，则克服了光源不稳定性的影响。选用图2-5中的哪一种传感器，要根据使用条件的具体要求来定。
权利要求
1.一个折射率测试系统，它由驱动电源、光源、信号处理设备、终端设备、光纤所组成，本发明的特征是有一个无源的反射型光纤传感器，它是由作为敏感元件的棱镜、自聚焦透镜、和连接光源与自聚焦透镜和连接终端设备与自聚焦透镜的光纤所组成。
2.一个折射率测试系统，它由驱动电源、光源、信号处理设备、终端设备、光纤所组成，本发明的特征是有一个有源的反射型光纤传感器，它是由作为敏感元件的棱镜、自聚焦透镜、连接光源与自聚焦透镜的光纤和光电探测设备所组成。
3.按权利要求
1或2所说的折射率测试系统，其特征在于，所说的反射型光纤传感器至少包括一个自聚焦透镜，它的一端与棱镜入射光面相接，另一端通过光纤与测试系统的光源相连接。
4.按权利要求
1所说的折射率测试系统，其特征在于，所说的光纤传感器至少有一个自聚焦透镜，它的一端与光纤相连接，另一端置于棱镜出射光的出射面上。
5.按权利要求
1所说的折射率测试系统，其特征在于，所说的棱镜是装置在入射光自聚焦透镜的出射光面和出射光自聚焦透镜的入射光面之间。
6.按权利要求
2所说的折射率测试系统，其特征在于，所说的棱镜是装置在入射光自聚焦透镜的出射光面和光探测器的探测面之间。
7.按权利要求
1或2所说的测试系统，其特征在于，所述光纤传感器至少有一个棱镜。
8.按权利要求
1或2所说的测试系统，其特征在于，所述光纤传感器至少有一个双折射棱镜。
9.按权利要求
7所说的测试系统，其特征在于，构成所述棱镜的物质为玻璃。
10.按权利要求
7或8所说的测试系统，其特征在于，构成所说棱镜的物质为晶体材料。
11.按权利要求
7或8所说的测试系统，其特征在于，其形状为三角形棱柱。
12.按权利要求
7或8所述的测试系统，其特征在于，其形状为梯形棱柱。
13.按权利要求
7或8所述的测试系统，其特征在于，其形状为三角形和三角形棱柱构成的多角形棱柱。
14.按权利要求
7或8所述的测试系统，其特征在于，其形状为三角形和梯形棱柱组成的多角形棱柱。
15.按权利要求
1或2所说的折射率测试系统，其特征在于，至少有一根光纤，一端置于入射自聚焦透镜入射光的入射面，另一端伸出光纤传感器外，与系统的信号处理部份相连。
16.按权利要求
1所说的折射率测试系统，其特征在于，至少有一根光纤与光纤传感器的出射光面和系统部份的信号处理设备相连接。
专利摘要
一种具有反射型光纤传感器的折射率测试系统。该系统由反射型光纤传感器、驱动电源、光源、信号处理设备、终端设备及连接这些部件的光纤或电缆组成。反射型光纤传感器有无源和有源两种，其内部结构有多种不同形式。使用本发明能连续测量折射率及其相关的物理量，如浓度、密度等。本发明克服了常规光学仪器结构复杂庞大、灵活性差的缺点，又克服了现有光纤传感器的灵敏度低、结构不大牢固的缺点。
文档编号G01N21/55GK85100867SQ85100867
公开日1986年6月10日 申请日期1985年4月1日
发明者林为干, 杨淑雯, 邹景荣, 叶昆琤 申请人:成都电讯工程学院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan