自參考的基于強(qiáng)度的聚合物光纖位移傳感器的制造方法
【專利說(shuō)明】自參考的基于強(qiáng)度的聚合物光纖位移傳感器
[0001]相關(guān)專利申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2014年6月19日提交的系列號(hào)為61/998，126的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，通過(guò)引用將其公開(kāi)內(nèi)容整體并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及用于測(cè)量和監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的裂紋尺寸的結(jié)合了自參考元件的聚合物光纖位移傳感器。本發(fā)明還涉及利用結(jié)合有自參考元件的聚合物光纖位移傳感器來(lái)確定結(jié)構(gòu)的裂紋尺寸以消除由于裂紋引起的位移之外的其他環(huán)境或外部因素的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]利用光纖的光學(xué)位移傳感器具有多種優(yōu)勢(shì)，例如質(zhì)量輕、尺寸小、多路復(fù)用并且免于電磁干擾。后一種性質(zhì)是尤其令人感興趣的，因此其允許應(yīng)用到諸如具有高壓電纜的基礎(chǔ)設(shè)施的危險(xiǎn)環(huán)境中。小尺寸也同樣重要，這種小尺寸能夠在引起最小干擾的情況下適配到結(jié)構(gòu)中。這些傳感器一般是基于插入損耗的原理，其包括兩根光纖，每根光纖都被劈開(kāi)以具有大體上垂直于軸并且利用光纖的端面之間小間隙來(lái)定位的端面。為了調(diào)整傳感器的敏感性，小間隙可以填充有透明的固體、液體、氣體或其混合物。例如，一根光纖安裝成維持其端面靜止，而允許另一根光纖沿著光纖軸移動(dòng)。當(dāng)纖維軸位于共同的直線上時(shí)，在一根光纖上傳播的光將以最大強(qiáng)度耦合到另一根光纖中。
[0005]用于測(cè)量位移的這種布置的應(yīng)用的實(shí)例在美國(guó)專利N0.7，323，678中公開(kāi)，其中提供了光學(xué)位移傳感器。其使用與本發(fā)明類(lèi)似的原理。然而，其敏感度是不可調(diào)整的。而且，需要額外的溫度傳感器來(lái)克服光源的光強(qiáng)由于溫度變化的波動(dòng)。為了解決這些問(wèn)題，需要一種創(chuàng)新的方案來(lái)調(diào)整光學(xué)位移傳感器的敏感度并且提供用于使光源波動(dòng)的自參考。
[0006]類(lèi)似的傳感器也在日本公開(kāi)JP8285709中公開(kāi)。然而，基于徑向位移方向的這些傳感器僅允許最多測(cè)量纖維芯尺寸上的位移，因?yàn)橐坏﹥筛饫w不再對(duì)齊，則接收功率為零。這意味著即使利用芯尺寸大約為1000微米的商用多模玻璃纖維，這些傳感器也僅允許測(cè)量大約1000微米的最大位移。為了克服該限制，需要使用更多的昂貴纖維束，但這使得每個(gè)纖維的對(duì)齊更加困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種改進(jìn)的傳感器，其允許利用自參考功能測(cè)量位移，該自參考功能對(duì)于光源強(qiáng)度的波動(dòng)不敏感，并且可以以成本效益的方式調(diào)節(jié)敏感度和測(cè)量范圍。該目的通過(guò)利用具有本文列出的特征的分光器、傳感元件和自參考元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0008]因此，本發(fā)明的第一方面涉及一種自參考且可調(diào)的聚合物光纖位移傳感器，包括分光器、至少一個(gè)傳感元件以及自參考元件；所述分光器包括一個(gè)入口和至少兩個(gè)出口，入口中的光纖還包括至少一個(gè)光源，該光源被耦合以進(jìn)行傳輸并且在出口中被分成至少兩個(gè)分離的光路，并且每個(gè)出口與入口中的光強(qiáng)的比例是固定的；每個(gè)傳感元件包括第一光纖和第二光纖，所述第一光纖具有沿著軸對(duì)齊并且定位在分光器的一個(gè)出口中的第一端面，始于出口的第一光纖的第二端面沿著軸對(duì)齊并且利用第一光纖的所述第二端面與第一接收組件的第一端面之間的小間隙來(lái)定位，小間隙由透明固體/液體/氣體填充；所述傳感器還包括至少一個(gè)光電探測(cè)器，其被耦接以接收到所述第一接收組件，傳感元件的所述第二光纖和所述第一接收組件可以沿著所述軸移動(dòng)，并且可以相對(duì)于彼此移動(dòng)；所述自參考元件包括第一光纖和第二光纖，所述第一光纖包括沿著軸對(duì)齊并且定位在分光器的一個(gè)出口中的第一端面，始于出口的第一光纖的第二端面沿著軸對(duì)齊并且利用所述第二端面與第二接收組件的第一端面之間的小間隙來(lái)定位，小間隙由透明固體/液體/氣體填充；所述傳感器還包括至少一個(gè)光電探測(cè)器，其被耦接以接收到所述第二接收組件，自參考元件的所述第二光纖和所述第二接收組件不可沿著所述軸移動(dòng)。
[0009]本發(fā)明的第二方面涉及相應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng)以及相應(yīng)的位移檢測(cè)方法。簡(jiǎn)而言之，位移測(cè)量系統(tǒng)是圍繞連接到用于信號(hào)調(diào)節(jié)和處理的電子電路的低成本纖維光學(xué)傳感器來(lái)建立的。相應(yīng)的位移檢測(cè)方法包括:通過(guò)利用在具有鏈路衰減的纖維光學(xué)系統(tǒng)的輸出處檢測(cè)的光電流中的變化，利用傳感器將位移的測(cè)量值轉(zhuǎn)換為電流或電壓變化的測(cè)量值。為了控制傳感器的敏感度，兩根光纖面向彼此，從而它們通過(guò)由固體、液體、氣體或其混合物填充的小間隙耦接，并且間隙的分離可以通過(guò)沿著軸相對(duì)地移動(dòng)兩根光纖來(lái)改變。為了實(shí)現(xiàn)自參考，另兩根光纖以與上述傳感器同樣的方式耦接。然而，另兩根光纖不能相對(duì)移動(dòng)。光源的強(qiáng)度的任何波動(dòng)在傳感元件和自參考元件上引發(fā)相同的效應(yīng)?？梢酝ㄟ^(guò)傳感元件和自參考元件之間的比率推導(dǎo)出位移。
[0010]相應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng)和檢測(cè)方法允許測(cè)量數(shù)量級(jí)為光纖芯直徑的至少五倍(例如，可以最多達(dá)到幾十倍)的位移。本發(fā)明中被測(cè)量和檢測(cè)的結(jié)構(gòu)的最小裂紋尺寸可以低至 Imnin
[0011]在本發(fā)明的實(shí)施方式中，具有大芯直徑和高數(shù)值孔徑的聚合物光纖(POF)被用作本發(fā)明的光纖傳感器。用在本發(fā)明中的POF的芯直徑為400-1100 μm;P0F的數(shù)值孔徑大約為0.5。用于操作傳感器和自參考元件的光源和光電探測(cè)器可以是現(xiàn)有的LED和光電二極管，同時(shí)可以通過(guò)具有數(shù)字化卡(DAQ)的簡(jiǎn)單個(gè)人電腦或獨(dú)立微控制器(例如Arduino)、通過(guò)低噪聲多路放大器來(lái)進(jìn)行加工。整個(gè)設(shè)置可以容易地?cái)U(kuò)展到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的安裝在船橋甲板下方的自參考可調(diào)位移傳感器的示意圖。
[0013]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的具有一個(gè)入口和兩個(gè)出口的分光器的示意圖。
[0014]圖3示出了線性差動(dòng)變壓器中測(cè)量的位移以及對(duì)數(shù)刻度的穿過(guò)本發(fā)明的自參考可調(diào)聚合物光纖位移傳感器的光強(qiáng)損耗之間的線性關(guān)系:(A)是光電探測(cè)器測(cè)量的對(duì)數(shù)刻度的光功率損耗與耦接器中的小間隙填充有空氣的第一接收組件的位移之間的圖表；(B)是示出了從傳感元件的第一光纖的第二端面輸出并通過(guò)填充在耦接器中的小間隙中的不同材料的光的錐尺寸；(C)是當(dāng)利用透明固體(聚二甲基硅氧烷)和液體(光學(xué)凝膠)時(shí)基于(A)中的線性曲線預(yù)測(cè)的對(duì)數(shù)刻度的光功率損耗與第一接收組件的位移之間的假想圖，其中，空氣用于填充耦接器中的小間隙。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面將詳細(xì)參考本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施方式，以解釋本發(fā)明的原理。這些實(shí)施方式或?qū)嵗怀浞衷敿?xì)地描述，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并且應(yīng)該理解到，可以利用其他實(shí)施方式，并且可以在不脫離本發(fā)明精神的情況下進(jìn)行改變。
[0016]實(shí)例1-安裝在船橋甲板下方的自參考可調(diào)位移傳感器
[0017]在本發(fā)明中提供了一種自參考且可調(diào)的聚合物光纖位移傳感器。圖1示出了本發(fā)明的自參考且可調(diào)的聚合物光纖位移傳感器當(dāng)安裝在船橋甲板下方時(shí)的示意圖，其用于監(jiān)測(cè)任何裂紋開(kāi)口和測(cè)量橋的特定點(diǎn)之間的任何位移。在該實(shí)例中，傳感器100包括分光器101、至少一個(gè)傳感元件102和自參考元件103，所述分光器101包括一個(gè)入口 1la和至少兩個(gè)出口(1lbUOlc)(圖2)，入口 1la中的光纖還包括至少一個(gè)光源，S卩，LED (104)，其被耦接以進(jìn)行傳輸并且在出口(101b、1lc)中被分為至少兩個(gè)分離的光路，并且與入口相比，每個(gè)出口中光強(qiáng)的比例是固定的；所述傳感元件102包括第一光纖102a和第二光纖102b，所述第一光纖102a具有沿著軸對(duì)齊并且定位在分光器101的一個(gè)出口(1lb)中的第一端面102aa，始于出口 1lb的第一光纖102a的第二端面102ab沿著軸對(duì)齊并且利用第一光纖102a的所述第二端面與第一接收組件105的第一端面之間的小間隙105a來(lái)定位，小間隙105a由諸如透明固體/液體/氣體的材料填充。所述傳感器100還包括至少一個(gè)光電探測(cè)器110，其被耦接以接收到所述第一接收組件105，傳感元件102的所述第二光纖102b和所述第一接收組件105可以沿著所述軸移動(dòng)，并且可以相對(duì)于彼此移動(dòng)。所述自參考元件103包括第一光纖103a和第二光纖103b。自參考元件的所述第一光纖103a具有沿著軸對(duì)齊并且定位在分光器101的一個(gè)出口 1lc中的第一端面103aa，始于出口的第一光纖103a的第二端面103ab沿著軸對(duì)齊并且利用所述第二端面103ab與第二接收組件106的第一端面之間的小間隙106a來(lái)定位，小間隙106a由諸如透明固體/液體/氣體的材料來(lái)填充。所述傳感器100還包括至少一個(gè)光電探測(cè)器110，其被耦接以接收到所述第二接收組件106，所述第二光纖103b和所述第二接收組件106不可以沿著所述軸移動(dòng)。在該實(shí)例中，傳感器100的傳感元件102在兩個(gè)固定點(diǎn)108處銷(xiāo)在船橋甲板160之下，這兩個(gè)固定點(diǎn)靠近船橋甲板160的兩個(gè)點(diǎn)，其中兩個(gè)固定點(diǎn)之間的距離是標(biāo)距109。傳感器100上的兩個(gè)固定點(diǎn)108中的一個(gè)位于第一接收組件105，而另一固定點(diǎn)沿著傳感元件102的第二光纖102b。測(cè)量和監(jiān)測(cè)特定時(shí)間段內(nèi)標(biāo)距109中的變化可以確定建筑結(jié)構(gòu)(即，本實(shí)例中的船橋甲板)的裂紋尺寸和整體強(qiáng)度。
[0018]在一種實(shí)施方式中，第一和第二光纖均是聚合物光纖(P0F)，其芯直徑為400-1100 μ m并且數(shù)值孔徑為大約0.5。
[0019]在另一種實(shí)施方式中，傳感元件的第一光纖的所述第二端面和第二光纖的所述第一端面插入在對(duì)齊套筒(即，第一接收組件105)中。
[0020]在其他實(shí)施方式中，自參考元件的第一光纖的所述第二端面和第二光纖的所述第一端面插入在對(duì)齊套筒(即，第