專利名稱：基于功能材料的光纖傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光纖傳感領(lǐng)域，具體是涉及一種由具有功能材料特性的微彎結(jié)構(gòu) 構(gòu)成的、基于光纖微彎損耗變化的光纖傳感裝置。
背景技術(shù)：
光纖微彎傳感器是一種光強(qiáng)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(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)方案是基于光纖的彎曲或微彎損耗來實(shí)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。光纖微彎傳感器中光功率損耗的原理是當(dāng)光纖受到彎曲擾動(dòng)的時(shí)候，將會(huì)產(chǎn)生 彎曲損耗，主要是微彎損耗和宏彎損耗，兩者損耗并沒有嚴(yán)格的區(qū)分。兩者彎曲損耗均是由 于光纖彎曲時(shí)導(dǎo)致纖芯中的部分導(dǎo)模耦合至包層引起的，兩者損耗都可以根據(jù)Marcuse的 理論公式計(jì)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?？?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(huì)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(shí)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(dòng)態(tài)范圍和精度的目的。現(xiàn)有的微彎光纖傳感裝置是鋸齒板周期微彎損耗式裝置，典型結(jié)構(gòu)是兩塊經(jīng)嚴(yán) 格加工的鋸齒板平行安置，并在兩平行鋸齒板間夾持有光纖，該裝置中光纖的變形量很小， 只有數(shù)百微米導(dǎo)致檢測范圍小，很難對(duì)光纖的最小彎曲曲率進(jìn)行有效的控制，另外光纖有 效彎曲長度也不易大幅度的延長，限制了該類光纖傳感裝置的使用壽命和使用范圍。發(fā)明內(nèi)容為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種基于功能材料的光纖傳感裝 置，采用的是多圈光纖微彎結(jié)構(gòu)，延長了光纖有效彎曲長度，使該光纖傳感裝置具有使用壽 命長、精度高的特點(diǎn)。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種基于功能材料的光纖 傳感裝置，其特征在于有一個(gè)包含信號(hào)光纖的多圈微彎元件，所述的多圈微彎元件中至少 一部分由隨著待測物理量的變化而發(fā)生伸縮變形的材料構(gòu)成，信號(hào)光纖通過延長光纖與測 試單元連接。本實(shí)用新型的光纖傳感器解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的多圈微彎元件中 的變形齒或變形齒的一部分由隨著待測物理量的變化而發(fā)生伸縮變形的材料構(gòu)成。本實(shí)用新型的光纖傳感器解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的多圈微彎元件中 用于固定變形齒的區(qū)域或其中的部分區(qū)域由隨著待測物理量的變化而發(fā)生伸縮變形的材 料構(gòu)成。本實(shí)用新型的光纖傳感器解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的多圈微彎元件是 由一個(gè)曲線型的內(nèi)部包含有相互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)的兩列變形齒的微彎元件構(gòu)成，兩列變形齒間夾有信號(hào)光纖。本實(shí)用新型的光纖傳感器解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的多圈微彎元件 是由一個(gè)彈簧型的相鄰兩圈彈簧絲上有相互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)變形齒的微彎元件構(gòu)成，兩列變形齒 間夾有信號(hào)光纖。本實(shí)用新型的光纖傳感器解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的多圈微彎元件是 由一波紋管構(gòu)成，在波紋管管壁的下凹處的相對(duì)兩個(gè)面上分別布設(shè)有相互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)的變形 齒，在變形齒間夾持有信號(hào)光纖。本實(shí)用新型的光纖傳感器解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的多圈微彎元件是 由兩層或兩層以上的平板鋸齒型微彎元件構(gòu)成。本實(shí)用新型的光纖傳感器解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的多圈微彎元件是 由單層的平板鋸齒型微彎元件構(gòu)成，所述的信號(hào)光纖以螺旋盤繞的方式形成多圈結(jié)構(gòu)并夾 持于平板鋸齒型微彎元件中。本實(shí)用新型的光纖傳感器解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是在所述的多圈微彎元件 外是兩層殼體，內(nèi)層殼體是由沒有互相連接的兩塊殼體構(gòu)成，內(nèi)外兩層殼體分別在外殼體 的兩端固定在一起，內(nèi)層殼體的未與外殼體固定的端分別與多圈微彎元件的兩端連接。本實(shí)用新型的光纖傳感器解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是兩層殼體的膨脹系數(shù)不 同，通過選擇合適的膨脹系數(shù)，使多圈微彎元件消減了溫度的影響。本實(shí)用新型的光纖傳感器解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是將兩個(gè)或兩個(gè)以上的包 含信號(hào)光纖的多圈微彎元件通過傳輸光纖連接起來，構(gòu)成準(zhǔn)分布式的光纖傳感裝置。本實(shí)用新型的光纖傳感器解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的功能材料是隨待 測物理量變化而出現(xiàn)變化的材料，如探測氫氣濃度時(shí)，可選用的功能材料是金屬鈀；探測 甲烷氣體，可使用的功能材料是金屬鉬；探測濕度，可選用的功能材料是聚亞酰胺(PI)或 尼龍；探測磁場參數(shù)，可使用的功能材料是磁致伸縮材料；探測電場參數(shù)，可選用電致伸縮 材料。本實(shí)用新型的光纖傳感器解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的信號(hào)光纖的一端 安置有光反射裝置，如反射鏡或光纖光柵。本實(shí)用新型的光纖傳感器解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的信號(hào)光纖的另一 端的通過延長光纖接1X2光分路器的1端，1X2光分路器的2端分別接光源和光功率計(jì)。所述信號(hào)光纖為外部包有多層光纖保護(hù)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(hào)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。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、基于功能材料的光纖傳感裝置，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理、操作方法方便且 使用方式靈活、靈敏度高；2、基于功能材料的光纖傳感裝置，因由多圈微彎元件構(gòu)成，大大增加了信號(hào)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(hào)光纖的彎曲曲率，從 而延長了信號(hào)光纖的使用壽命，使該光纖檢測裝置具有使用壽命長的特點(diǎn)；3、基于功能材料的光纖傳感裝置，可以采用了雙層殼體的橋式溫度補(bǔ)償裝置，從 而可以使本裝置消減環(huán)境溫度的影響，提高了測試精度；4、基于功能材料的光纖傳感裝置，可以根據(jù)待測物理量的需要，選擇不同的功能材料，如探測氫氣濃度時(shí)，選用的功能材料可以是金屬鈀，可以將金屬鈀涂覆或鍍?cè)谧冃锡X 表面，金屬鈀吸收氫氣后體積會(huì)變大，從而使變形齒增高，導(dǎo)致夾持在變形齒間的信號(hào)光纖 彎曲曲率變化，通過檢測儀器探測到信號(hào)光纖中傳輸光信號(hào)功率的變化推算出氫氣濃度的 大小，其他物理量也可以通過類似的方法檢測。綜上所述，可以看出本實(shí)用新型的光纖傳感裝置具有測試精度高、整體結(jié)構(gòu)簡單、 抗干擾能力強(qiáng)、適用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)。所具有的多層微彎元件結(jié)構(gòu)可以大幅度減少信號(hào) 光纖彎曲曲率，并大幅度延長了信號(hào)光纖的有效長度，使本實(shí)用新型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(shí)施例，對(duì)實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
圖1為本實(shí)用新型第一具體實(shí)施方式
的部分剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型第一具體實(shí)施方式
的主要部位的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實(shí)用新型第二具體實(shí)施方式
的部分剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實(shí)用新型第二具體實(shí)施方式
主要部位的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本實(shí)用新型第三具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本實(shí)用新型第三具體實(shí)施方式
主要部位的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本實(shí)用新型第四具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為本實(shí)用新型第四具體實(shí)施方式
主要部位的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為本實(shí)用新型第五具體實(shí)施方式
的部分剖面結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說明
權(quán)利要求1.基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于有一個(gè)包含信號(hào)光纖的多圈微彎元 件，所述的多圈微彎元件中至少一部分由隨著待測物理量的變化而發(fā)生伸縮變形的材料構(gòu) 成，信號(hào)光纖通過延長光纖與測試單元連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的多圈微 彎元件中的變形齒或變形齒的一部分由隨著待測物理量的變化而發(fā)生伸縮變形的材料構(gòu) 成。
3.按照權(quán)利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的多圈微 彎元件中用于固定變形齒的區(qū)域或其中的部分區(qū)域由隨著待測物理量的變化而發(fā)生伸縮 變形的材料構(gòu)成。
4.按照權(quán)利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的多圈微 彎元件是由一個(gè)曲線型殼體及內(nèi)部包含有相互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)的兩列變形齒的微彎元件構(gòu)成，兩 列變形齒間夾有信號(hào)光纖。
5.按照權(quán)利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的多圈微 彎元件是由一個(gè)彈簧型的相鄰兩圈彈簧絲上有相互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)變形齒的微彎元件構(gòu)成，兩列 變形齒間夾有信號(hào)光纖。
6.按照權(quán)利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的多圈微 彎元件是由一波紋管構(gòu)成，在波紋管管壁的下凹處的相對(duì)兩個(gè)面上分別布設(shè)有相互交錯(cuò) 對(duì)應(yīng)的變形齒，在變形齒間夾持有信號(hào)光纖。
7.按照權(quán)利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的多圈微 彎元件是由兩層或兩層以上的平板鋸齒型微彎元件構(gòu)成。
8.按照權(quán)利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的多圈微 彎元件是由單層的平板鋸齒型微彎元件構(gòu)成，且所述的信號(hào)光纖以螺旋盤繞的方式形成多 圈結(jié)構(gòu)并夾持于平板鋸齒型微彎元件中。
9.按照權(quán)利要求1至8所述的任意一項(xiàng)基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于 在所述的多圈微彎元件外是兩層殼體，內(nèi)層殼體是由沒有互相連接的兩塊殼體構(gòu)成，內(nèi)外 兩層殼體分別在外殼體的兩端固定在一起，內(nèi)層殼體的未與外殼體固定的端分別與多圈微 彎元件的兩端連接，兩層殼體的膨脹系數(shù)不同。
10.按照權(quán)利要求1至8所述的任意一項(xiàng)基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于 將兩個(gè)或兩個(gè)以上的多圈微彎元件中的信號(hào)光纖通過傳輸光纖連接起來，構(gòu)成準(zhǔn)分布式的 光纖傳感裝置。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于功能材料的光纖傳感裝置，包括夾持信號(hào)光纖的多圈微彎元件，多圈微彎元件中至少一部分由功能性材料構(gòu)成，即其中的變形齒的全部或部分、或固定變形齒的區(qū)域的全部或部分由功能材料構(gòu)成，所述的功能材料是隨待測物理量變化而出現(xiàn)變化的材料，當(dāng)待測物理量變化時(shí)導(dǎo)致多圈微彎元件中變形齒間的距離改變，從而使夾持在變形齒間的信號(hào)光纖的彎曲曲率變化，從而使傳輸于信號(hào)光纖內(nèi)的光信號(hào)功率有顯著的變化，并通過測試單元的檢測獲知，達(dá)到了測定待測物理量的變化大小目的。由于采用了多圈微彎元件，延長了信號(hào)光纖的有效長度，并減少了信號(hào)光纖的彎曲曲率，從而提高精度、并延長了使用壽命，使本裝置具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01D5/26GK201903352SQ201020507079
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者杜兵 申請(qǐng)人:西安金和光學(xué)科技有限公司