專利名稱：基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬光纖應(yīng)力傳感裝置，尤其是涉及一種基于波紋管并通過對光纖微彎損耗變化的檢測而達(dá)到應(yīng)力傳感目的的裝置。
背景技術(shù)：
波紋管的用途非常廣泛，波紋管是縱向可以形變，側(cè)向基本不形變的彈性元件，在傳感方面，可用于各類測量、調(diào)節(jié)、控制、傳感儀器的敏感元件、補償元件、連接件和密封件等；作為膨脹節(jié)的柔性段，可用于補償管路因溫差造成的軸向、橫向和角位移，也可以在管路中用于補償位置偏差、吸收管道的振動等。可以看出，波紋管作為傳感裝置中的關(guān)鍵元件可以適應(yīng)多種實際應(yīng)用環(huán)境。在現(xiàn)有的報道中波紋管常用于制作為壓力傳感器，由于其主要通過霍爾效應(yīng)來實現(xiàn)待測量的感測，所以其缺點主要是容易受電磁干擾、不易遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，精度低，性能差。而光纖類傳感裝置相對傳統(tǒng)傳感器有諸多優(yōu)點，如《光學(xué)學(xué)報》2004，24( 第187-189 頁，刊載了文章《高靈敏度的光纖光柵壓強傳感器》，其介紹了一種用金屬波紋管封裝光纖光柵的壓力傳感的結(jié)構(gòu)，該傳感器具有精度高、易于遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)、抗電磁干擾等多個優(yōu)點。然而，光纖光柵類型傳感器的也有缺點1)是動態(tài)范圍小，光纖光柵一般是經(jīng)紫外線曝光的裸光纖制成，其強度值較低，變形能力小，導(dǎo)致動態(tài)范圍??；另外，需良好的封裝才能使用，而封裝是個成本較高的過程；幻是測試設(shè)備成本高，需要價格較高的光波長解調(diào)設(shè)備配套使用。動態(tài)范圍小，封裝成本高，特別是高昂的解調(diào)設(shè)備成本限制了該傳感器的廣泛使用。而光纖微彎傳感器是一種光強度調(diào)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(dǎo)致輸出光功率的變化。光功率損耗的原理是當(dāng)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(dǎo)致纖芯中的部分導(dǎo)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，Pot和Pin分別為輸出和輸入光功率，Y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(dǎo)致光纖壽命大幅度減少，影響傳感器的使用壽命，所以實際應(yīng)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(dá)到大幅度提高光纖傳感器的動態(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(yīng)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，妨礙了該類光纖傳感器的動態(tài)范圍和精度的提高。另外兩塊板相對運動的可調(diào)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，所以此類傳感器對調(diào)節(jié)的機械結(jié)構(gòu)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傳感器的動態(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(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，采用的是延長光纖微彎結(jié)構(gòu)，不僅增加了檢測距離，并使該光纖檢測裝置具有使用壽命長、精度高的特點。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，其特征在于在波紋管管壁的下凹處的相對兩個面上分別布設(shè)有A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒，A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒相互交錯對應(yīng)，A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒對應(yīng)布設(shè)在信號光纖的兩側(cè)，信號光纖通過延長光纖接測試單元。當(dāng)波紋管在應(yīng)力下伸縮變形時，位于波紋管管壁上的A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒之間的距離也會改變，從而使夾持于兩者變形齒間的信號光纖的彎曲曲率變化，這又使信號光纖的彎曲損耗變化，通過測試單元可得到信號光纖彎曲損耗變化的大小，從而可推算出波紋管所受應(yīng)力的大小。由于在波紋管管壁上布設(shè)有眾多相互對應(yīng)的變形齒，從而使信號光纖的有效彎曲長度大大延長，一方面減少了信號光纖的彎曲曲率，另一方面提高該裝置的精度，同時也大大延長了信號光纖的使用壽命。所述的變形齒分布于波紋管的內(nèi)壁上。所述的變形齒分布于波紋管的外壁上。所述的波紋管是螺旋形結(jié)構(gòu)的波紋管。所述的波紋管的材料是不銹鋼、高分子材料、銅合金材料。在所述的測試單元后面接處理單元。在所述的信號光纖的一端安置有光反射裝置，如光反射鏡、光纖光柵、或在信號光纖的端面鍍反射膜，或僅僅是將信號光纖的端面處理為鏡面。所述的信號光纖的另一端通過延長光纖與1X2光分路器的1 口連接，1X2光分路器的2 口分別接構(gòu)成測試單元的穩(wěn)定光源和光功率計。從波紋管的一端至另一端、分布于波紋管壁上的變形齒的齒高、齒距或齒形是變化的，如齒高是遞增或遞減的。信號光纖的一部分沒有被所述的分布于波紋管壁上的變形齒夾持，或該部分沒有對應(yīng)的變形齒，該部分的信號光纖是緩沖光纖，是用于吸納或補償其余部分信號光纖在彎曲變形時光纖長度的變化。在一些特殊用途中，變形齒只分布于波紋管徑向的某一個方向， 或局限于某個方向角內(nèi)。所述的信號光纖被防水材料包覆。所述的防水材料是阻水油膏。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、聚酰亞胺涂覆光纖等；所述信號光纖也可以是塑料光纖、多芯光纖、細(xì)徑光纖或光子晶體光纖。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點1、基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，是將波形管與光纖微彎結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，而構(gòu)成了一種智能型裝置，使該傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、操作方便且使用方式靈活、靈敏度高；2、基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，因由曲線型較大長度的光纖微彎結(jié)構(gòu)構(gòu)成， 大大增加了信號光纖的有效彎曲長度，一方面增加了檢測的精度和靈敏度，并可以減少信號光纖的彎曲曲率，從而延長了信號光纖的使用壽命，使該光纖傳感裝置具有使用壽命長、 精度高的特點；3、基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置由于采用了曲線型較大長度的光纖微彎結(jié)構(gòu)， 從而可以使本裝置可以響應(yīng)更大的應(yīng)力以及更大的應(yīng)力作用距離，擴展了該裝置的使用范圍。綜上所述，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)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，匯集了波紋管與光纖微彎結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，并使其具有的優(yōu)勢進(jìn)一步的放大，使本發(fā)明的裝置具有更好的精度和更長的使用壽命。下面通過附圖和實施例，對發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明第--具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明第--具體實施方式
的局部放大的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明第二二具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明第三三具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明第三三具體實施方式
的局部放大的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)記說明
權(quán)利要求
1.基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，其特征在于在波紋管管壁的下凹處的相對兩個面上分別布設(shè)有A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒，A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒相互交錯對應(yīng)，A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒對應(yīng)布設(shè)在信號光纖的兩側(cè)，信號光纖通過延長光纖接測試單元。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，其特征在于所述的變形齒分布于波紋管的內(nèi)壁上。
3.按照權(quán)利要求1所述的基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，其特征在于所述的變形齒分布于波紋管的外壁上。
4.按照權(quán)利要求1所述的基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，其特征在于所述的波紋管的材料是不銹鋼、高分子材料、銅合金材料。
5.按照權(quán)利要求1所述的基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，其特征在于在所述的信號光纖的一端安置有光反射裝置。
6.按照權(quán)利要求5所述的基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，其特征在于所述的信號光纖的另一端通過延長光纖與1X2光分路器的1 口連接，1X2光分路器的2 口分別接構(gòu)成測試單元的穩(wěn)定光源和光功率計。
7.按照權(quán)利要求1所述的基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，其特征在于從波紋管的一端至另一端、分布于波紋管壁上的變形齒的齒高、齒距或齒形是變化的。
8.按照權(quán)利要求1所述的基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，其特征在于有一部分的信號光纖沒有被所述的分布于波紋管壁上的變形齒夾持，或該部分沒有對應(yīng)的變形齒。
9.按照權(quán)利要求1至8所述的任意一項基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，其特征在于 所述的波紋管是螺旋形結(jié)構(gòu)的波紋管。
10.按照權(quán)利要求1至8所述的任意一項基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，其特征在于在所述的測試單元后面接處理單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于波紋管的光纖應(yīng)力傳感裝置，在波紋管管壁的下凹處的相對兩個面上分別布設(shè)有相互交錯對應(yīng)的A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒，信號光纖夾持在兩者變形齒間。當(dāng)波紋管在應(yīng)力下伸縮變形時，位于波紋管管壁上的A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒之間的距離也會改變，從而使夾持于兩者變形齒間的信號光纖的彎曲曲率變化，這又使信號光纖的彎曲損耗變化，通過測試單元可得到信號光纖彎曲損耗變化的大小，從而可推算出波紋管所受應(yīng)力的大小。通過將波紋管和光纖微彎型結(jié)構(gòu)的有機結(jié)合而構(gòu)成了一個具有多種優(yōu)點的智能型裝置，不僅精度高、結(jié)實耐用、適應(yīng)性強而且使用方便靈活，使本發(fā)明的裝置具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G01L1/24GK102338676SQ20101023341
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月21日
發(fā)明者杜兵 申請人:西安金和光學(xué)科技有限公司