專利名稱：基于光纖彎曲損耗的彈簧型高精度光纖傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種傳感技術領域的光纖傳感器，具體是一種彈簧型多圈的高精 度應力參數(shù)測試的光纖傳感器。
背景技術：
現(xiàn)有光纖傳感器的種類非常多，主要包括光強度調整型光纖傳感器、光纖光柵傳 感器、光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯榷喾N類型，后兩者的特點是傳感靈敏度高，但是實際應用過程中， 存在設備復雜、使用運行成本高等缺陷和不足，從而使得光纖傳感器的應用推廣受到很大 限制。尤其是對較高靈敏度的光纖傳感器，其會響應使用過程中各種環(huán)境條件的改變情形， 如光纖干涉?zhèn)鞲衅鳎捎谄潇`敏度很高，但當其應用于實際條件下后，發(fā)現(xiàn)溫度、氣壓、振動 等環(huán)境因素均會對其工作參數(shù)造成影響，因而實際使用時，不得不采取多種措施來防止和 剔除上述環(huán)境因素的影響，從而使得其監(jiān)測設備的結構越來越趨于復雜，運行使用成本大 巾畐提尚。而光纖微彎傳感器是一種光強度調制的傳感器，具有成本低、靈敏度高、具有一定 的環(huán)境抗干擾能力的特點，其實現(xiàn)方案是基于光纖的彎曲或微彎損耗來實現(xiàn)的。通過改變 光纖的彎曲程度，從而導致輸出光功率的變化。光功率損耗的原理是當光纖受到彎曲擾動的時候，將會產(chǎn)生彎曲損耗，主要是微 彎損耗和宏彎損耗。兩者彎曲損耗均是由于光纖彎曲時導致纖芯中的部分導模耦合至包層 引起的，兩者損耗可以根據(jù)Marcuse的理論公式計算彎曲損耗大小，其公式如下Pout = Pin exp (- γ S)其中，Pout和Pin分別為輸出和輸入光功率，、是彎曲損耗系數(shù)，S為彎曲弧長。 可以看出光纖的彎曲損耗系數(shù)Y越大，即光纖彎曲半徑越小，則損耗越大，但彎曲半徑過 小會導致光纖壽命大幅度減少，影響衰減器的使用壽命，所以實際應用中光纖的彎曲半徑 是受限制的；另一方面，在相同的彎曲損耗系數(shù)Y下，若增加彎曲弧長S，則可增大衰減，可 以通過大幅度增加彎曲弧長S，達到大幅度提高光纖衰減器的動態(tài)范圍和精度的目的。中國專利87107210提供的方案是以光纖的微彎損耗為主的來實現(xiàn)微彎光纖應力 計，但由于其是通過兩塊平板來實現(xiàn)的，平板的尺寸不可能太大，使可以彎曲的光纖長度受 到限制，妨礙了該類光纖衰減器的動態(tài)范圍和精度的提高。另外兩塊板相對運動的可調節(jié) 距離最大只有數(shù)百微米，且運動時兩塊板須保持基本的平行，所以此類衰減器對調節(jié)的機 械結構有較高的要求，不僅增加了實施成本，同樣也限制了該類光纖衰減器的動態(tài)范圍和 精度的提高。
發(fā)明內(nèi)容為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本實用新型提供一種基于光纖彎曲損耗的彈簧型 高精度光纖傳感器，該傳感器結構簡單、設計合理、操作方法方便且使用方式靈活、具有一 定的環(huán)境抗干擾能力、靈敏度高，使該光纖傳感器具有廣闊的使用范圍；又由于本光纖傳感器是基于光纖彎曲損耗基礎上測定，而損耗測試是光纖測試中所有干涉法、頻率法等其他 類測試的基礎，也是最成熟、最穩(wěn)定、成本最低的技術，使本實用新型的光纖傳感器在成本 上具有相當大的優(yōu)勢。并可利用時分技術、光時域反射技術(OTDR)及相干頻率調制連續(xù)波 技術(FMCW)可實現(xiàn)準分布式或分布式測量，為本實用新型的光纖傳感器的應用進一步提 供了非常廣闊的應用前景。為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案是一種基于光纖彎曲損耗的 彈簧型高精度光纖傳感器，其特征在于一個由彈簧絲構成的多圈形彈簧型構件，在彈簧絲 的上表面和下表面上沿彈簧絲縱向連續(xù)布設有多個變形齒，相鄰兩圈彈簧絲中的上彈簧絲 的下表面上的變形齒與下彈簧絲上表面上的變形齒交錯對應，并在上彈簧絲下表面上的變 形齒與下彈簧絲上表面上的變形齒之間夾有信號光纖，彈簧型構件的兩端受應力作用時彈 簧型構件兩端的位置改變，并導致彈簧型構件中有相鄰的兩圈彈簧絲之間的距離改變，從 而使這兩圈彈簧絲中的上彈簧絲下表面上的變形齒與下彈簧絲上表面上的變形齒之間位 置改變，從而使夾在兩者變形齒間的信號光纖的彎曲曲率改變而導致信號光纖中傳輸?shù)墓?信號的功率變化，信號光纖的延伸光纖與測試單元連接。當彈簧型構件的兩端位置變化時，如彈簧型構件在拉應力下伸長、在壓應力下縮 短，則構成彈簧型構件中的多組相鄰的兩圈彈簧絲之間的距離拉大或縮小，從而使多組相 鄰兩圈彈簧絲中的上彈簧絲下表面上的變形齒與下彈簧絲上表面上的變形齒間位置增大 或減小，從而使夾在兩者變形齒間的信號光纖的彎曲曲率減小或增大而導致信號光纖中 傳輸?shù)墓庑盘柕墓β试龃蠡驕p少，信號光纖的延伸光纖與測試單元連接，從而使測試單元 探測到光信號功率的變化，測試單元可以是光源和光功率計，也可以選用光時域反射技術 (OTDR)及相干頻率調制連續(xù)波技術(FMCW)來實現(xiàn)準分布式或分布式測量。本實用新型的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的彈簧型構件是所 述的彈簧型構件是螺旋狀、塔形、蝶形或平面卷簧狀。本實用新型的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的構成彈簧型構件 的彈簧絲的上表面與下表面之間有彈性材料層，彈性材料層可以是高分子材料、波簧等材 料構成，彈性材料層在有外力作用時有更大的變形，所以當彈簧型構件兩端位置變化時，使 相鄰兩圈彈簧絲中的上彈簧絲下表面上的變形齒與下彈簧絲上表面上的變形齒之間的相 對位置會有精細的變化。本實用新型的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的布設于彈簧絲表 面的變形齒的齒高，或者布設于彈簧絲上表面的變形齒之間或下表面上的變形齒之間的距 離是變化的。本實用新型的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是相鄰兩圈彈簧絲中，與 所述的在上彈簧絲下表面上的變形齒與下彈簧絲上表面上的變形齒之間夾有的信號光纖 并排有第二信號光纖。本實用新型的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是在所述的彈簧絲上表面 和下表面上分別有第二變形齒，相鄰兩圈彈簧絲中，在上彈簧絲下表面上的第二變形齒與 下彈簧絲上表面上的第二變形齒之間夾有第二信號光纖。本實用新型的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的彈簧絲的截面形 狀是圓形、橢圓形、長方形或圓環(huán)型。
4[0017]本實用新型的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是測試單元后面接處理單元。本實用新型的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的信號光纖的一端 安置有光反射器件，具體的器件可以是反射鏡、光纖光柵，或在信號光纖的該末端鍍有高反 射的材料如金、銀等材料，或是將信號光纖的該末端拋光形成高的光反射面，或者是將信號 光纖的該末端浸入某些液體中，如水銀中。本實用新型的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述信號光纖為外部包 有多層光纖保護層的光纖，如緊套光纖、碳涂覆光纖、金屬涂覆光纖或聚酰亞胺涂覆。本實用新型的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述信號光纖是多芯光 纖、高分子聚合物光纖或光子晶體光纖。本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點1、結構簡單、加工制作方便且結構形式多樣，使用方式靈活。2、使用操作簡便且各組件間連接關系設計合理，通過彈簧型構件和光纖彎曲損耗 測試單元配合使用，實現(xiàn)對較大范圍作用力進行實時準確、可靠且快速測試的目的。3、制作及運行成本低、使用效果好、實用價值高且經(jīng)濟效益顯著，在簡化現(xiàn)有測試 裝置結構、減少制作及運行成本的同時，也能減少環(huán)境因素對測試結果的影響，因而測試效 果準確，簡單易行，并且可以同時利用光纖宏彎損耗和微彎損耗進行準確檢測。4、由于彈簧型構件整體呈螺旋形或平面卷簧狀，因而在拉伸、壓縮或扭轉等外應 力F作用下整個彈簧型構件上的相鄰兩圈彈簧絲上的變形齒對信號光纖進行施力，信號光 纖受力而出現(xiàn)微彎損耗，因而大大增加了產(chǎn)生微彎光纖的長度，從而提高了測試靈敏度。5、可以作為光纖可調衰減器使用。6、當在彈簧型構件的一端或兩端施加外應力F，且使得彈簧型構件整體呈彎曲狀 態(tài)時，通過上位處理器根據(jù)光纖彎曲損耗測試單元所檢測數(shù)據(jù)能準確推算得出彈簧型構件 的整體彎曲半徑。7、對于螺旋狀彈簧型構件，在每一個近似360°圓周上，由于相鄰兩圈彈簧絲上的 相對變形齒的齒高或變形齒之間的齒距呈現(xiàn)均勻遞增或均勻遞減的情形時，則可推出彈簧 型構件任一位置上外應力F的作用方向。8、由于彈簧型構件整體呈螺旋形或平面卷簧狀，在旋轉或扭矩力作用下，可根據(jù) 信號光纖損耗大小推算出旋轉或扭矩力的扭矩大小或扭轉角度。綜上所述，本實用新型結構簡單、設計合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏 度高、使用效果好，能夠同時利用光纖宏彎損耗和微彎損耗進行檢測，使測試的動態(tài)范圍更 大，從而使測試結果更靈敏和準確，并且在繼承原有的通過光纖彎曲損耗可以測試壓應力 參數(shù)外，還擴展到可以測試其他的物理量，包括拉應力、彎曲曲率、彎曲方向、扭轉角度和扭 矩的測試，并仍可進一步擴展應用范圍。下面通過附圖和實施例，對實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為本實用新型第一具體實施方式
的結構示意圖。圖2為圖1中彈簧型構件的多圈彈簧絲截面示意圖。[0034]圖3為本實用新型第二具體實施方式
的結構示意圖。圖4為彈簧絲為復合結構的多圈彈簧絲截面示意圖。圖5為本實用新型第三具體實施方式
的結構示意圖。圖6為本實用新型第四具體實施方式
的結構示意圖。圖7為平面卷簧型的多圈彈簧絲截面示意圖。圖8為本實用新型第五具體實施方式
的的結構示意圖。圖9為本實用新型第六具體實施方式
的的結構示意圖。附圖標記說明
1-傳輸光纖；4-彈簧型構件；5-測試單元；6-信號光纖；7-處理單元；10-彈簧絲的上表面；11-彈性材料層；12-彈簧絲的下表面層；4-1-彈簧絲下表面上的變 形齒；4-2-彈簧絲上表面上 的變形齒；6-1-第一信號光纖；6-2-第二信號光纖；4-3-彈簧絲下表面上 的第二組變形齒；4-4-彈簧絲上表面上的 第二組變形齒；
具體實施方式
實施例1如圖1、圖2所示，本實用新型包括一個由彈簧絲構成的多圈形彈簧型構件4，在彈 簧絲的上表面和下表面上沿彈簧絲縱向連續(xù)布設有多個變形齒，相鄰兩圈彈簧絲中的上彈 簧絲的下表面上的變形齒4-1與下彈簧絲上表面上的變形齒4-2交錯對應，并在上彈簧絲 下表面上的變形齒4-1與下彈簧絲上表面上的變形齒4-2之間夾有信號光纖6，彈簧型構 件4的兩端受應力作用時彈簧型構件4兩端的位置改變，并導致彈簧型構件4中有相鄰的 兩圈彈簧絲之間的距離改變，從而使這兩圈彈簧絲中的上彈簧絲下表面上的變形齒4-1與 下彈簧絲上表面上的變形齒4-2之間位置改變，從而使夾在兩者變形齒間的信號光纖6的 彎曲曲率改變而導致信號光纖6中傳輸?shù)墓庑盘柕墓β首兓?，信號光纖6的通過傳輸光纖 1與測試單元5連接，測試單元5后面連接的是處理單元7。本實施例中，彈簧型構件4整體呈螺旋狀結構，當彈簧型構件4的兩端位置變化 時，如彈簧型構件4在拉應力下伸長、或在壓應力下縮短，則構成彈簧型構件4中的多組相 鄰的兩圈彈簧絲之間的距離拉大或縮小，從而使多組相鄰兩圈彈簧絲中的上彈簧絲下表面 上的變形齒4-1與下彈簧絲上表面上的變形齒4-2之間位置增大或減小，從而使夾在兩者 變形齒間的信號光纖6的彎曲曲率減小或增大而導致信號光纖6中傳輸?shù)墓庑盘柕墓β试龃蠡驕p少，信號光纖6的通過傳輸光纖1與測試單元5連接，從而使測試單元5探測到光信 號功率的變化，測試單元5可以是光源和光功率計，也可以選用光時域反射技術(OTDR)及 相干頻率調制連續(xù)波技術(FMCW)來實現(xiàn)準分布式或分布式測量。所述的彈簧型構件4也 可以是整體呈螺旋狀的塔形結構，可以使該彈簧型構件4響應更大動態(tài)范圍的應力；當彈 簧型構件4整體呈蝶形結構是為響應較大的應力值。所述信號光纖6為外部包有多層光纖保護層的光纖，如緊套光纖、碳涂覆光纖、聚 酰亞胺涂覆光纖等；所述信號光纖6也可以是塑料光纖或光子晶體光纖。實施例2如圖3所示，本實施例中，與實施例1不同的是所述彈簧型構件4所施加外應力 F的施力方向為扭轉方向，即從上端部或下端部對所述彈簧型構件進行扭轉。本實施例中， 其余部分的結構、連接關系和工作原理均與實施例1相同。實施例3如圖5所示，本實施例中，與實施例1不同的是所施加外應力F的施力方向為旋 轉方向，即從上端部或下端部對所述彈簧型構件4進行旋轉。本實施例中，其余部分的結 構、連接關系和工作原理均與實施例1相同。實施例4如圖6、圖7所示，本實施例中，與實施例1不同的是所述的彈簧型構件4的整體 呈現(xiàn)為平面卷簧狀，相鄰兩圈彈簧絲是相鄰的內(nèi)圈彈簧絲和外圈彈簧絲，內(nèi)圈彈簧絲的外 部表面上分布有變形齒，外圈彈簧絲的內(nèi)部表面上也分布有變形齒，兩者變形齒交錯布設 并夾有信號光纖6，當彈簧型構件內(nèi)端相對于外端位置變化時，相鄰兩圈彈簧絲的位置就變 化，從而使分別布設于內(nèi)外圈彈簧絲表面上的變形齒之間的位置變化，從而使被兩者變形 齒夾的信號光纖6的彎曲曲率變化而導致信號光纖6中傳輸?shù)墓庑盘柕墓β首兓?，信號?纖6的通過傳輸光纖1與測試單元5連接，測試單元5后面連接的是處理單元7。本實施例 中，其余部分的結構、連接關系和工作原理均與實施例1相同。實施例5如圖4所示，本實施例中，與實施例1不同的是所述的構成彈簧型構件的彈簧絲 是有三層復合的，包括上表面10及上表面上的變形齒4-2、中間層的彈性材料層11，以及下 表面12及下表面上的變形齒4-1。本實施例中，其余部分的結構、連接關系和工作原理均與 實施例1相同。實施例6如圖8所示，本實施例中，與實施例1不同的是與所述的信號光纖6-1并排有第 二信號光纖6-2本實施例中，其余部分的結構、連接關系和工作原理均與實施例1相同。實施例7如圖9所示，本實施例中，與實施例6不同的是有第二組變形齒4-3和4_4，并在 第二組變形齒間夾有第二信號光纖，本實施例中，其余部分的結構、連接關系和工作原理均 與實施例6相同。以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，并非對本實用新型作任何限制，凡是根 據(jù)本實用新型技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍 屬于本實用新型技術方案的保護范圍內(nèi)。
權利要求基于光纖彎曲損耗的彈簧型高精度光纖傳感器，其特征在于一個由彈簧絲構成的多圈形彈簧型構件，在彈簧絲的上表面和下表面上沿彈簧絲縱向連續(xù)布設有多個變形齒，相鄰兩圈彈簧絲中的上彈簧絲的下表面上的變形齒與下彈簧絲上表面上的變形齒交錯對應，并在上彈簧絲下表面上的變形齒與下彈簧絲上表面上的變形齒之間夾有信號光纖，彈簧型構件的兩端受應力作用時彈簧型構件兩端的位置改變，并導致彈簧型構件中有相鄰的兩圈彈簧絲之間的距離改變，從而使這相鄰的兩圈彈簧絲中的上彈簧絲下表面上的變形齒與下彈簧絲上表面上的變形齒之間位置改變，從而使夾在兩者變形齒間的信號光纖的彎曲曲率改變而導致信號光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕墓β首兓?，信號光纖的延伸光纖與測試單元連接。
2.按照權利要求1所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型高精度光纖傳感器，其特征在 于所述的彈簧型構件是螺旋狀、塔形、蝶形或平面卷簧狀。
3.按照權利要求1所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型高精度光纖傳感器，其特征在 于所述的構成彈簧型構件的彈簧絲的上表面與下表面之間有彈性材料層。
4.按照權利要求1所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型高精度光纖傳感器，其特征在 于所述的布設于彈簧絲表面的變形齒的齒高，或者布設于彈簧絲上表面上的變形齒之間 或布設于彈簧絲下表面上的變形齒之間的距離是變化的。
5.按照權利要求1所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型高精度光纖傳感器，其特征在 于相鄰兩圈彈簧絲中，與所述的在上彈簧絲下表面上的變形齒與下彈簧絲上表面上的變 形齒之間夾有的信號光纖并排有第二信號光纖。
6.按照權利要求1所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型高精度光纖傳感器，其特征在 于在所述的彈簧絲上表面和下表面上分別有第二變形齒，相鄰兩圈彈簧絲中，在上彈簧絲 下表面上的第二變形齒與下彈簧絲上表面上的第二變形齒之間夾有第二信號光纖。
7.按照權利要求1所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型高精度光纖傳感器，其特征在 于所述的彈簧絲的截面形狀是圓形、橢圓形、長方形或圓環(huán)型。
8.按照權利要求1至7任意一項所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型高精度光纖傳感 器，其特征在于測試單元后面接處理單元。
9.按照權利要求1至7任意一項所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型高精度光纖傳感 器，其特征在于所述的信號光纖的一端安置有光反射器件。
10.按照權利要求1至7任意一項所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型高精度光纖傳感 器，其特征在于所述信號光纖是多芯光纖、高分子聚合物光纖、緊套光纖、碳涂覆光纖、金 屬涂覆光纖或光子晶體光纖。
專利摘要本實用新型公開了一種基于光纖彎曲損耗的彈簧型高精度光纖傳感器，基于光纖的微彎損耗的變化，并通過多層、多圈型的新型結構，大大延長了有效信號光纖的長度，在有效減小信號光纖彎曲曲率情況下大幅度提高了本實用新型光纖傳感器的動態(tài)范圍，并能夠同時利用光纖宏彎損耗和微彎損耗進行檢測，使測試的動態(tài)范圍更大，從而使測試結果更靈敏和準確，本實用新型結構簡單、設計合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏度高、壽命長、使用效果好，并可擴展為多種物理量的測定，為本實用新型的光纖傳感器的應用提供了非常廣闊的應用前景。
文檔編號G01L1/24GK201697734SQ20102024585
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月21日 優(yōu)先權日2010年4月6日
發(fā)明者杜兵, 杜蔚, 杜迎濤 申請人:西安金和光學科技有限公司