专利名称：一种反射式光纤传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器，具体地，涉及一种反射式光纤传感器装置。
背景技术：
随着科学技术的飞速发展和人们生活水平的不断提高，人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官；而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了 ；为适应这种情况，传感器应运而生。传感器一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件(如光、 热、湿度)或化学组成(如烟雾)，并按一定规律将其转换成同种或别种性质的输出信号的装置；可以应用在消防、机械与建筑等各个领域，其内部结构是通过线圈的数量、大小、面积等改变电流大小来达到想要的效果。目前，传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。按工作原理分类，传感器可分为(1)物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应，被测信号量的微小变化都将转换成电信号；(2)化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号；C3)有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的；化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。按用途分类，传感器可分为压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器热敏传感器等。另外，传感器还可以按输出信号的形式、工艺、行分类。传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述；表征传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。传感器动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中的传感器，至少存在体积较大、不能用于有电磁干扰的环境、使用寿命较短与耐腐蚀性较差等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种反射式光纤传感器装置，以实现体积小、适用范围广、使用寿命长与耐腐蚀性好的优点。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种反射式光纤传感器装置，包括光源、光探测器与传感器探针，其中所述传感器探针接收光源发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探测器。进一步地，在所述传感器探针的内部，封装有平行设置的一根单模光纤与至少一根多模光纤；其中所述单模光纤与光源连接，多模光纤与光探测器连接。进一步地，当所述多模光纤为两根或两根以上时，所述光探测器的个数与多模光纤的根数相匹配，每根多模光纤与相应的光探测器连接。进一步地，当所述多模光纤为两根或两根以上时，还包括光纤耦合器；所述两根或两根以上多模光纤通过光纤耦合器耦合后，与光探测器连接。进一步地，所述光源包括LED与激光器。进一步地，所述激光器包括型号为1550nm的DFB激光器。本发明各实施例的反射式光纤传感器装置，由于包括光源、光探测器与传感器探针，其中传感器探针接收光源发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探测器； 由于采用传感器探针，可以埋入各种待测物体内，对待测物体的结构无影响，不受周围各种电磁干扰，在强电磁干扰的情况下仍然可以工作，因此使用场合比较多，使用寿命比较长； 从而可以克服现有技术中体积较大、不能用于有电磁干扰的环境、使用寿命较短与耐腐蚀性能较差的缺陷，以实现体积小、适用范围广、使用寿命长与耐腐蚀性好的优点。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中图1为根据本发明反射式光纤传感器装置的结构示意图一；图2为根据本发明反射式光纤传感器装置的结构示意图二 ；图3为根据本发明反射式光纤传感器装置的理论模型示意图；图4为根据本发明反射式光纤传感器装置中多模光纤的反射功率计算过程示意图；图5为根据本发明反射式光纤传感器装置的距离与功率曲线示意图；图6为根据本发明反射式光纤传感器装置中用于测量疲劳、材料表面粗糙度与腐蚀的传感器的结构示意图；图7为根据本发明反射式光纤传感器装置中压力传感器的结构示意图8为根据本发明反射式光纤传感器装置中用于测量腐蚀的传感器的距离与功率曲线示意图；图9为根据本发明反射式光纤传感器装置中用于测量不锈钢金属表面粗糙度的传感器的光强与距离曲线示意图；图10为根据本发明反射式光纤传感器装置中反射体与光纤端面的距离与功率曲线示意图；图11为根据本发明反射式光纤传感器装置中传感器探针横截面的结构示意图；图12为根据本发明反射式光纤传感器装置中多根多模光纤通过光纤耦合器与光探测器连接的光路结构示意图；图13为根据本发明反射式光纤传感器装置中多根多模光纤分别与对应的光探测器连接的光路结构示意图。结合附图，本发明实施例中附图标记如下1-光源；Il-DFB激光器；2_传感器探针；3_光探测器；31-第一光探测器；32-第二光探测器；41-单模光纤；42-第一多模光纤；43-第二多模光纤；5-反射体；6-光纤耦合器；7-连接支架。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。根据本发明实施例，提供了一种反射式光纤传感器装置。如图1-图13所示，本实施例包括光源1、光探测器3与传感器探针2，其中传感器探针2接收光源1发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探测器3。进一步地，在上述实施例中，在传感器探针2的内部，封装有平行设置的一根单模光纤(如单模光纤41)与至少一根多模光纤；其中单模光纤41作为输入光纤、与光源1连接，多模光纤作为输出光纤、与光探测器3连接。这里，由于光纤直径较细，因此探针体积很�。梢月袢敫髦执馕锾迥冢愿梦锾宓慕峁刮抻跋欤徊捎霉庀耍皇苤芪Ц髦值绱鸥扇牛谇康绱鸥扇诺那榭鱿氯匀豢梢怨ぷ鳎虼耸褂贸『媳冉隙啵徊⑶遥庀说氖褂檬倜冉铣ぃ梢猿ご�30年以上。例如，在传感器探针2的内部，可以封装有平行设置的单模光纤41与第一多模光纤42，也可以封装有平行设置的单模光纤41、第一多模光纤42与第二多模光纤43。这里，当多模光纤为两根或两根以上时，光探测器3的个数可以与多模光纤的根数相匹配，且每根多模光纤与相应的光探测器3连接；例如，第一多模光纤42与第一光探测器31连接，第二多模光纤43与第二光探测器32连接。另外，当多模光纤为两根或两根以上时，还可以包括光纤耦合器6，两根或两根以上多模光纤通过光纤耦合器5耦合后，再与光探测器3连接；例如，第一多模光纤42与第二多模光纤43通过光纤耦合器6耦合后，再与光探测器3连接。在上述实施例中，光源1可以是LED，也可以是激光器；通常选用单纵模的激光器， 比如通信上最常用的型号为1550nm的分布式反馈激光器(即DFB激光器11)。这里，DFB 激光器11的尾纤与单模光纤41通过光纤熔接机熔接，连接在一起；第一多模光纤42的一端与光探测器3的尾纤通过熔接，连接在一起。若是选择LED作光源，因为其尾纤为多模光纤，则入射光纤也必须选用多模光纤，以使其匹配；由于激光器在光谱曲线、功率值大小、 及功率稳定性等方面都优于LED，因此多数情况下选择激光器作为光源，而不选择LED作光源。具体地，如图1和图2所示，传感器探针2可以由两根平行放置的光纤组成，一根光纤是单模光纤41，另一根光纤是第一多模光纤42。这里，单模光纤41芯径为10um，包层直径为125um ；第一多模光纤42通常选择常见的纤芯直径为50um或62. 5um的光纤，其包层直径为125um;为了增大接收反射回来的光信号，光纤也可以选择纤芯直径更大的多模光纤，比如纤芯直径为IOOum的多模光纤，甚至更大也可以；光信号完全在光纤纤芯内传播。单模光纤41与DFB激光器11的尾纤类型保持一致，可以使两根光纤熔接时，熔接损耗降到最�。构庠捶⒊龅墓饩】赡艿恼丈涞椒瓷涮迳希欢嗄９庀说南诵窘洗郑梢越邮战隙嗟拇臃瓷涮宸瓷浠乩吹墓庑藕�。单模光纤41和第一多模光纤42选择合适长度，将两光纤端面通过光纤切割刀或用光纤研磨机处理好端面，平行放入一根长度为30mm，直径为3mm的不锈钢套管内，然后向不锈钢套管注入环氧树脂，等待树脂固化后，可以将光纤固定位置，并起到密封的作用；如果有必要，传感器探针2可以用光纤研磨纸研磨。根据实际需要，光纤传感器的探针尺寸可以改变，其长度可以更长，也可以变短；直径可以做的更�。钚】梢缘�250um，仅容两根光纤并排放在一起。光探测器3可以是一个PIN结光电二极管，其在1550nm处，响应度大于0. 8A/W。 在上述实施例中，被测物体可以作为反射体5 ；光探测器3的尾纤与多模光纤熔接，从反射体5反射回来的激光，经过第一多模光纤42的传输，被光探测器3接收。例如，从光源1发出的光，通过耦合进入单模光纤41，然后照射到反射体5上，在反射体5表面产生散射，有部分光将被反射进入第一多模光纤42，第一多模光纤42的一端连接光探测器3，反射进入第一多模光纤42的光，将被耦合进入光探测器3 ；由光探测器3接收的光功率大�。梢缘弥瓷涮�5表面的反射系数变化，或者反射体5到相应光纤端面距离的变化。但是，在某些场合，比如应力或者温度测试时，反射体5必须与传感器探针2封装在一起，构成一个传感头，作为反射式光纤传感器的一部分，是一个整体。单模光纤41作为输入光纤，第一多模光纤42作为输出光纤；光源1发出的光被耦合进入单模光纤41，射到反射体5上，产生反射，反射的光被耦合进入第一多模光纤42，被光探测器3接收。这里，作为反射光信号的反射体5，有时是被检测的物体；有时需要与传感器探针 2封装在一起，构成一个传感头，作为传感器不可缺少的一部分，如应力或者温度测试时。可见，被测物体不一定是反射体5，例如在测试应力和温度时，反射体5与传感器探针2封装在一起，构成传感头，测试的是周围环境温度或者被测物体所承受的压力大�。徊饬坎牧掀＠停牧媳砻娲植诙龋鹗舯砻娓词保徊馕锾遄魑瓷涮�5，和传感器探针2是分离的。若反射体5的表面反射系数没有发生变化，而光纤端面与反射体5的距离发生变化，光探测器3接收的光功率也将产生变化，根据接收的光功率大�。梢酝贫铣龇瓷涮�5 与光纤端面的距离；若保持光纤端面与反射体5的距离不变，反射体5表面的反射系数由于环境的影响而产生变化，根据光探测器3接收的光功率大�。梢缘弥瓷涮�5的表面反射
6系数的变化。由于光纤的纤芯较细，质量轻，体积�。皇艿绱鸥扇牛透矗倜ぃ虼松鲜鍪凳├姆瓷涫焦庀舜衅髯爸靡部梢月袢敫髦执馕锾逯校糜诓牧嫌αΓ＠停牧媳砻娲植诙�、金属表面腐蚀和温度等方面的监测。上述实施例反射式光纤传感器装置的不同用途，可以根据被测物体区分；例如 测量应力和温度时，传感器探针2与反射体5必须封装在一起；测量材料疲劳，材料表面粗糙度和金属表面腐蚀时，被测物体作为反射体5，与传感器探针2是分离的。在图3中，d为光纤端面到反射体5的距离。在单模光纤41中，光强分布服从高斯分布；发散角θ是光纤的数值孔径，激光从输入光纤照射到反射体5时，形成一个光锥。当一束平行光照射到理想的镜面时，反射光也将是一束平行光，称为镜面反射；若照射到粗糙不平的表面时，光就会向四面八方反射，称为漫反射；对于多数的物体和一般的金属表面， 产生的光都是漫反射光；镜面反射和漫反射都遵守光的反射定律。对于多数物体表面，肉眼看起来，好像很光滑，但是在放大镜下观察，其表面是由很多个凹凸不平的小表面组成的， 因此其反射光也将是漫反射光。光源发出的光经过单模光纤照射到反射体上，然后有部分光被反射到接收光纤的端面，耦合进入多模光纤。多模光纤的纤芯面积越大，耦合进入多模光纤的光信号越多。因此，使用大芯径的多模光纤，可以充分接收反射回来的光信号。因为在式(1)中，W是光束半径，r是半径，IO是最大光强(可参见图4)。在图4中，RO为单模光纤和多模光纤纤芯之间的距离，a2为多模光纤纤芯半径，r 为阴影部分。由于dP = / (1Φ / Irdr，则多模光纤接收的反射光功率P 在式O)中，d为光纤端面到反射体的距离，a为多模光纤的纤芯半径。在图5中，纵坐标为传感器从多模光纤处的输出功率，横坐标为光纤端面到反射体的距离；曲线A为实验得到的曲线，曲线B为模拟计算得到的理论曲线。在此次模拟中， 为了得到完美的关系曲线，可以假定反射体表面完全光滑。在图6中，反射式光纤传感器装置可以用来测量疲劳，材料表面粗糙度，也可以用来测量腐蚀。第一根光纤(即单模光纤42)，接收光源1发出的光；第二根光纤(即第一多模光纤42)接收从反射体5的表面反射回来的光；光探测器3，接收反射回来的光信号。根据光探测器3接收的光功率大�。梢缘玫侥勘攴瓷涮�5的疲劳、材料表面粗糙度和腐蚀变化的情况。进行疲劳测量时，由于反射体5另一侧通常承受一定的压力，反射体5与给予其作用力的物体是紧密接触的；而多模光纤端面到反射体5的距离保持不变。在长时间受力的情况下，反射体5的微观结构将会发生变化，因此促使反射体表面也将产生微观变化(比如表面粗糙度)；其表面的变化状况同施加的作用力是相关联的，其疲劳周期是与之相关的。 由于反射体5表面发生变化，其表面反射系数也将产生变化，光探测器接收的光功率也将产生变化；根据以上参数的关系，可以监测物体的疲劳状态。测量材料表面粗糙度同疲劳测量方法一致，多模光纤端面到反射体表面的距离保持不变，而反射体表面的反射系数由于各种原因发生变化，比如钢在退火前后。在图9中，反射体为不锈钢，传感器探针到钢表面的距离为0_4mm，不锈钢表面经过4种不同颗粒的砂纸研磨，得到四种不同的粗糙度的不锈钢表面。用光纤传感器监测其表面粗糙度，可以得到E、H、F、D四根曲线。当反射式光纤传感器装置用于腐蚀测量时，该反射式光纤传感器装置是直接放置在测试环境中；因为腐蚀一般是从物体的表面开始，然后慢慢向内表层渗透，从而会在表层产生一个坑。由于光纤端面到反射表面的距离d发生了变化，而且，因为腐蚀，反射体表面的反射率也发生了变化，因此反射回来的光功率也将发生变化。在图9中，由于反射体表面腐蚀的加剧，坑的深度和面积均会加大，光探测器接收的光功率也将产生较大变化；根据光探测器接收的光功率值，可以监测物体表面的腐蚀情况。在图7中，反射式光纤传感器装置为压力传感器，测量压力时，传感器反射体与给予其作用力的目标也是紧密接触的；连接支架7起连接反射体5与传感器探针2的作用，构成一个类似于活塞的装置；反射体5可以选用软性反射膜，与给予其作用力的物体紧密接触。当进行压力传感测量时，若传感器探针固定，当反射体受到外界的作用力以后，将会产生位移，到反射光纤的端面距离将会改变，从而使探测器接收的光功率发生变化。根据光功率，位移距离和施加作用力三者之间的关系，可以得到反射体所承受的作用力的大小。不像传统的光纤压力传感仪表，作用力在光纤上；反射式光纤传感器装置根据光纤端面到一个反射体的距离变化，而导致接收光纤光功率的变化，来测量压力；而光纤本身没有承受压力，这样能很好的保护光纤，提高传感器的可靠性和使用寿命。在图7中，若将反射体5更换为对温度敏感的金属材料，就可以用来监测温度，作为温度传感器；选择热膨胀系数大的金属，其热胀冷缩现象比较明显。当温度变化时，金属由于膨胀或者冷缩，金属反射面到光纤端面的距离将会变化，光探测器接收的光功率也将变化。根据金属反射体的初始厚度，光纤端面到金属反射面的距离变化值，光探测器接收的光功率值和金属材料的热膨胀系数K，通过计算可以得到温度值。在图10中，反射体到光纤端面的距离最大为2. 5mm ；很明显，在前半段(0_0. 5mm) 处，随着光纤端面到反射体的距离的增大，光纤传感器的输出功率慢慢增大，在0. 5mm处时，光探测器探测的光功率最大；在后半段(0. 5mm-2. 5mm)处，随着光纤端面到反射体的距离的增大，光纤传感器的输出功率慢慢减�。诰嗬�2. 5mm时，传感器的输出功率最小，其时光探测器探测的光功率最小。由图10知，我们有两个工作窗口可以选择，即0 0.5mm 和0. 5mm 2. 5mm两个波段。显然，若我们取其中线性关系较好的波段(可参见图10中箭头所指区域)，建立对应的关系，通过信号处理，可以用来监测压力，环境温度，物体腐蚀等。
由于光纤传感器的探针很细，长度最短甚至可以达到几毫米，直径可以小于1mm， 因此，可以很容易的埋入到一个待测的物体内，而对该物体毫无影响。而且由于光纤很细， 一对或多对光纤可以封装在一起，做成多个传感器探针，通过多个不同点的反射，来监测目标的性能变化。通过统计学的计算，来预测目标将来可能发生的变化。为了充分接收从反射体反射回来的光信号，传感器探针的不锈钢钢管内环绕单模光纤可以封装多根平行的多模光纤(参见图11)，使接收反射光的多模光纤增加到两根或者两根以上。在图11的传感器探针中，A、B、C为多模光纤，D为单模光纤，多模光纤均勻环绕在单模光纤周围，阴影部分为光纤的纤芯。多模光纤通过光纤耦合器与光探测器连接，光路结构可参见图12 ；或者每根多模光纤单独与光探测器连接，光路结构可参见图13。在图12中，反射式光纤传感器装置，可以提高进入光探测器的光功率，使传感器能工作在更加恶劣的环境下，延长传感器的使用寿命；在图13中，反射式光纤传感器装置，可以增加传感器探测的面积和探测采样点，这样能提高测量的精度；使用以上两种结构光纤传感器，对于提高传感器测量的可靠性方面也有较大意义。上述实施例的反射式光纤传感器装置，探针采用不锈钢管，钢管内封装至少两根平行放置的光纤，具有体积�。芊庑院茫沟绱鸥扇诺扔诺悖⑶乙子诩庸ぃ菀资迪郑豢梢怨惴河糜诓牧掀＠停αΓ牧媳砻娲植诙�、金属表面腐蚀和温度等方面的检测，具有良好的市场前景。综上所述，本发明各实施例的反射式光纤传感器装置，由于包括光源、光探测器与传感器探针，其中传感器探针接收光源发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探测器；由于采用传感器探针，可以埋入各种待测物体内，对待测物体的结构无影响，不受周围各种电磁干扰，在强电磁干扰的情况下仍然可以工作，因此使用场合比较多，使用寿命比较长；从而可以克服现有技术中体积较大、不能用于有电磁干扰的环境、使用寿命较短与耐腐蚀性能较差的缺陷，以实现体积小、适用范围广、使用寿命长与耐腐蚀性好的优点。最后应说明的是以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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权利要求
1.一种反射式光纤传感器装置，其特征在于，包括光源、光探测器与传感器探针，其中 所述传感器探针接收光源发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探测器。
2.根据权利要求1所述的反射式光纤传感器装置，其特征在于，在所述传感器探针的内部，封装有平行设置的一根单模光纤与至少一根多模光纤；其中所述单模光纤与光源连接，多模光纤与光探测器连接。
3.根据权利要求2所述的反射式光纤传感器装置，其特征在于，当所述多模光纤为两根或两根以上时，所述光探测器的个数与多模光纤的根数相匹配，每根多模光纤与相应的光探测器连接。
4.根据权利要求2所述的反射式光纤传感器装置，其特征在于，当所述多模光纤为两根或两根以上时，还包括光纤耦合器；所述两根或两根以上多模光纤通过光纤耦合器耦合后，与光探测器连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的反射式光纤传感器装置，其特征在于，所述光源包括LED与激光器。
6.根据权利要求5所述的反射式光纤传感器装置，其特征在于，所述激光器包括型号为1550nm的DFB激光器。
全文摘要
本发明公开了一种反射式光纤传感器装置，包括光源、光探测器与传感器探针，其中所述传感器探针接收光源发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探测器。本发明所述反射式光纤传感器装置，可以克服现有技术中体积较大、不能用于有电磁干扰的环境、使用寿命较短与耐腐蚀性能较差等缺陷，以实现体积小、适用范围广、使用寿命长与耐腐蚀性好的优点。
文档编号G01L1/24GK102410850SQ20101028865
公开日2012年4月11日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者左广辉, 柳涛, 王建伟, 黄海鹰 申请人:左广辉, 柳涛, 王建伟, 黄海鹰
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