专利名称：无源光纤传感器及光纤检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无源光纤传感器，尤其是一种用于检测密封空间密封性的无源光 纤传 感器及具有这种无源光纤传感器的光纤检测系统。
背景技术：
从上世纪90年代以来，光传输技术和因特网的发展给人类信息交流的方式和速 度均带来了巨大改变，作为信息传输物理载体之一的光纤光缆也得到了广泛的应用。光纤 光缆不仅在长途干线的传输中作为首选物理载体，在城域网和光纤到户(FTTH)的建设中 也需要铺设大量的光纤光缆作为信号传输的载体。现有大多光缆的结构由外至内分别为光缆缆皮、金属芯、中间填充材料以及裸光 纤，其中裸光纤的直径一般只有250微米，因此需要使用光缆缆皮、金属芯、中间填充材料 对裸光纤进行常规保护，如防鼠咬、防机械压迫和抗拉扯、防腐蚀、防潮防水等等。在光缆的铺设中，由于站点之间的距离通常长于一卷光缆的长度，因此，通常使用 光缆交接盒对光缆的接续点进行保护，而地下光缆通常使用PVC或其他管道进行保护。但是，在光缆交接盒内，光缆的缆皮、金属芯和中间填充材料均被去除，只留下裸 光纤。连接两根裸光纤时，需要使用光纤熔接机将需接续的光纤熔接起来，熔接部分用热缩 管保护起来，再将光纤和热缩管固定在交接盒内，最后对交接盒进行简单密封。我国南方地区雨季时间往往较长，地下和架空光缆容易受到雨水冲击和浸泡，从 而导致交接盒内进水，裸光纤和热缩管将完全在水的浸泡下。由于雨水或地下渗透的水通 �：性又屎脱畏荩氏炙嵝曰蛘呒钚裕唤雍谐て诮菰谒薪苹德愎庀说耐獠� 保护，进而影响光信号的传输，并且水的冲击也将立刻影响光信号的传输，因此，对此类现 象的探测和预防是高质量光缆传输线路维护的要求之一。此外，由于在光缆传输线路上光缆本身是不供电的，且同一线路上将有若干个交 接盒，因此，不但需要探测交接盒是否进水，还需要探测进水的交接盒所在位置。另一方面，光信号从一种介质入射至另一介质后，会发生折射或者全反射两种现象。参见图1，入射光束Ll从介质1入射至介质2并发生折射，形成折射光束L2。假 设介质1的折射率为nl，介质2的折射率为n2，且入射光束Ll的入射角为θ 1，折射光束 L2的折射角为θ 2，根据折射定律可知mlsin θ 1 = n2sin θ 2(式1)当介质2的 折射率n2小于介质1的折射率nl，且入射角θ 1大于或者等于临界角度时，将发生全反射 现象，即入射光线Ll被发射回入射介质1，此时如图2所示。假设介质1的折射率为nl，介质3的折射率为π3，且介质3的折射率η3小于介质 1的折射率nl。当入射光束L3以大于临界角的入射角θ 3入射时，将发生全反射现象，即 在反射面上形成反射光束L4，反射角θ 4与入射角θ 3相等。在图1中，当介质1的折射率nl大于介质2的折射率n2时，发生全反射的临界角度为
(式2)同理，在图2中，当介质1的折射率nl大于介质3的折射
率n3时，发生全反射的临界角度为
式3)若介质2的折射率n2大于
介质3的折射率n3，则可知临界角θ cl大于临界角0c2。若入射光束的入射角θ in满足 0cl< θ in< θ C2的条件时，则与介质1接触分别是介质2和介质3时，光线的传播将表 现出不同特性。当接触介质为介质2时，光束将发生折射，当接触介质为介质3时，光束将 发生全反射。利用这一特性，可以识别与介质1接触的介质是哪种介质。例如，介质1是玻璃材料，其折射率nl约为1. 50，介质2是水，其折射率n2约为 1. 33，介质3是空气，其折射率η3为1. 0。这样可计算出玻璃与水接触时发生全反射的临 界角为48. 75°，玻璃与空气接触时发生全反射的临界角为 41. 81°。假设光束在玻璃中传 输，并且以入射角θ in为45. 00°的角度入射，当与玻璃接触的介质为水时，将不发生全反 射，而当接触介质为空气时则发生全反射。这样，当光束在玻璃中传输时，以45°入射角入射，通过探测入射光束是否发生全 反射即可获知其接触介质是空气还是水，利用这一原理，可判断固定有裸光纤的交接盒是 否进水。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于判断交接盒是否进水的无源光纤传感器。本发明的另一目的是提供一种可判断出现进水现象的交接盒位置的无源光纤传 感器。本发明的再一目的是提供一种便于监控交接盒密封状态的光纤检测系统。为实现上述的主要目的，本发明提供的无源光纤传感器包括双孔毛细管，其内固 定有一根入射光纤与一根出射光纤，位于双孔毛细管的一侧的聚焦透镜，其第一端面与双 孔毛细管相对设置，位于聚焦透镜的第二端面外侧的光学棱镜，其具有与聚焦透镜第二端 面相对的入射面、与被探测介质接触的接触面以及一个反射面。由上述方案可见，当光束从入射光纤出射至聚焦透镜后，入射至光学棱镜的入射 面，光束在玻璃材料制成的光学棱镜内传播。光束以一定角度入射至接触面时，将根据与接 触面接触的介质特性发生折射或全反射，当发射折射时，折射光束从接触面折射出去，入射 光纤不接收到返回的光信号。当发生全反射时，光束从接触面反射至反射面，并经反射面反 射至接触面及入射面，再从入射光纤反射回去。这样，通过检测入射光纤是否接收到反射的 光信号，即可判断与接触面接触的介质性质，从而判断交接盒是否进水。一个优选的方案是，聚焦透镜的第二端面与光学棱镜的入射面之间设有分光器 件。这样，从入射光纤出射的光束经入射面后分成透射光束及反射光束，反射光束经 出射光纤传播至下一无源光纤传感器。通过光时域反射计或光谱分析仪判断接收的反射光 信号的光强度或频率，可判断哪一交接盒出现进水现象。进一步的方案是，分光器件为镀在聚焦透镜第二端面上的分光膜或滤光膜。
由此可见，通过分光膜或滤光膜可将入射光束分为透射的光束以及反射的光束， 有利于检测多个交接盒的密封状态。并且，使用镀膜的形式可降低无源光纤传感器的生产 成本。为实现上述的再一目的，本发明提供的光纤检测系统包括光源、光强探测器件以 及至少一个无源光纤传感器，无源光纤传感器具有双孔毛细管，其固定有一根入射光纤与 一根出射光纤，且入射光纤的外露端与光源连接，位于双孔毛细管的一侧的聚焦透镜，其第 一端面与双孔毛细管相对设置，位于聚焦透镜的第二端面外侧的光学棱镜，其具有与聚焦 透镜第二端面相对的入射面、与被探测介质接触的接触面以及一个反射面，并且光强探测 器连接入射光纤的外露端。
由上述方案可见，光源发出的入射光束经入射光纤传送至聚焦透镜后入射至光学 棱镜，并在光学棱镜的接触面上发生折射或全反射，发生折射时折射光束不会经入射光纤 返回，发生全反射是反射光束将经过入射光纤返回，通过光强探测器件探测是否有反射光 束返回即可判断交接盒是否进水，从而获知交接盒的密封状态。一个优选的方案是，无源光纤传感器的数量是二个或二个以上，且多个无源光纤 传感器串联连接，即一个无源光纤传感器的入射光纤与另一无源光纤传感器的出射光纤连 接。由此可见，通过入射光纤与另一无源光纤传感器的出射光纤连接，这样反射光束 通过一个无源光纤传感器的出射光纤传播至下一无源光纤传感器的入射光纤中，从而实现 多个无源光纤传感器的密封性检测。
图1是光发生折射时的光路图。图2是光发生全反射时的光路图。图3是本发明光纤检测系统第一实施例的结构原理图。图4是本发明无源光纤传感器第一实施例第一检测状态的结构原理图。图5是本发明光纤检测系统第一实施例第一检测状态下光时域反射计的检测曲 线图。图6是本发明无源光纤传感器第一实施例第二检测状态的结构原理图。图7是本发明光纤检测系统第一实施例第二检测状态下光时域反射计的检测曲 线图。图8是本发明光纤检测系统第二实施例的结构原理图。图9是本发明无源光纤传感器第二实施例第一检测状态的结构原理图。图10是本发明光纤检测系统第二实施例第一检测状态下光谱分析仪的检测曲线 图。图11是本发明无源光纤传感器第二实施例第二检测状态的结构原理图。图12是本发明光纤检测系统第二实施例第二检测状态下光谱分析仪的检测曲线 图。以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
光纤检测系统第一实施例。参见图3，本实施例具有一个光时域反射计(OTDR)Il以及多个无源光纤传感器， 每一无源光纤传感器均具有分光组件以及光学棱镜。图3示出两个无源光纤传感器，第一 个无源光纤传感器具有分光组件12以及光学棱镜13，第二个无源光纤传感器具有分光组 件14以及光学棱镜15。分光组件12内固定安装有入射光纤16以及出射光纤17，入射光纤16的外露端与 光时域反射计11连接。光时域反射计11作为本实施例的光源以及光强探测器件，其向入 射光纤16的外露端发出入射光束L11。入射光束Lll入射至分光组件12的端面后分成两束光束，分别是透射光束L12及 反射光束L13，透射光束L12入射至光学棱镜13中，而反射光束L13则入射至出射光纤17， 并在出射光纤17中传播。另一无源光纤传感器的分光组件14内也固定安装有入射光纤18及出射光纤19， 入射光纤18与出射光纤17连接，反射光束L13经出射光纤17传播至入射光纤18中，并形 成另一无源光纤传感器的入射光束L14。与入射光束Lll相同的，入射光束L14在分光组件 的端面性被分成透射光束L15以及反射光束L16，透射光束L15入射至光学棱镜15中，反射 光束L16则入射至出射光纤19，并传播至下一无源光纤传感器，作为入射光束。因此，两个 无源光纤传感器串联连接。这样，只要每一无源光纤传感器的透射光束能量不大，确保反射光束具有足够的 能量入射至下一无源光纤传感器中，即可对多个无源光纤传感器所在的交接盒进行检测。图3仅示两个无源光纤传感器，实际应用时，光纤检测系统可设置多个无源光纤 传感器，且每一无源光纤传感器设置在安装有裸光纤的交接盒内，用于检测交接盒是否进 水。无源光纤传感器第一实施例。参见图4，无源光纤传感器具有一个双孔毛细管21，双孔毛细管21内固定安装有 入射光纤16以及出射光纤17。在双孔毛细管21端面30的外侧设有一个聚焦透镜22，聚 焦透镜22为自聚焦透镜，即光束在聚焦透镜22内传播时折射率逐渐发生变化，从而改变光 束的传播方向。聚焦透镜22的第一端面29正对双孔毛细管21的端面30设置，并且与端面30平 行。本实施例中，双孔毛细管21的端面30、聚焦透镜22的第一端面29均与双孔毛细管21 的轴向之间形成的夹角均为锐角。聚焦透镜22的第二端面23上镀有一层分光膜，本实施 例中，双孔毛细管21、聚焦透镜22以及分光膜组成本实施例的分光组件。入射光束L21入射至分光膜后形成透射光束L23以及反射光束L22，其中反射光束 L22入射至出射光纤17并经出射光纤17传播至下一无源光纤传感器。透射光束L23垂直 地入射至光学棱镜13中。光学棱镜13为三角棱镜，并且三角棱镜的横截面为等腰直角三角形。光学棱镜13 具有一个入射面26、接触面27以及反射面28，入射面26正对聚焦透镜22的第二端面23， 且与第二端面23平行，入射面26上镀有抗反膜，降低透射光束L23通过入射面26时发生 反射的光衰减量。接触面27为三角棱镜的斜面，其与空气或水等介质接触。反射面28与接触面27之间的夹角θ 5为45°，且反射面28上镀有高反膜，提高光束入射反射面28后 形成反射光束的光强度。透射光束L23入射到光学棱镜13后，入射至接触面27。图4中，与接触面27接触 的介质24为空气，透射光束L24在接触面27上发生全反射，形成反射光束L24，反射光束 L24垂直入射至反射面28后沿原入射方向反射回去，经过接触面27后形成反射光束L25， 并入射至入射光纤16，经入射光纤16返回至光时域反射计11中。若图3中两个无源光纤传感器均未被水浸泡，即交接盒未进水，光时域反射计11 探测到的曲线图如图5所示。光时域反射计11在两个无源光纤传感器对应的位置上检测 到两个尖峰的光信号，表示两个无源光纤传感器中均有入射光束发生全反射现象。若最靠近光时域反射计11的交接盒进水，此时第一个无源光纤传感器中的光路 图如图6所示。入射光束L21经聚焦透镜22的第二端面23后形成透射光束L23及反射光 束L22，透射光束L23垂直地入射至光学棱镜13的入射面26中，并射向接触面27。由于交接盒进水，因此图6中的介质31为水，透射光束L23入射至接触面27后发 生折射，形成折射光束L28，且折射光束L28不会入射至入射光纤16中。此时，光时域反射计11探测的曲线如图7所示，在第一个光学传感器对应的位置 上尖峰的光信号消失，而第二个光学传感器对应的位置上仍然存在尖峰的光信号。因此，根 据光时域反射计11的探测曲线可判断多个无源光纤传感器所在的交接盒是否进水，从而 判断交接盒的密封性能是否良好。光纤检测系统第二实施例。参见图8，本实施例具有光源41、作为光强探测器件的光谱分析仪42、光环形器43 以及多个无源光纤传感器，其中第一个无源光纤传感器由分光组件45以及光学棱镜44组 成，第二个无源光纤传感器由分光组件47以及光学棱镜46组成。光源41为宽带光源或激光光源，其通过光纤51与光环形器43连接，将发出的光 束入射至光环形器43中。光环形器43与入射光纤53的外露端连接，入射光纤53及出射 光纤54固定安装在分光组件45内。分光组件45靠近光学棱镜44的一侧设有分光器件， 将入射的光束分成透射光束及反射光束。分光组件47内也固定安装有入射光纤55及出射光纤56，且入射光纤55与出射光 纤54连接。分光组件47靠近光学棱镜46的一侧也设有分光器件。从光源41出射的光束经过光环形器43后经入射光纤53传播至分光组件45中， 入射光束L41分成透射光束L43以及反射光束L42，反射光束L42入射至出射光纤54，并传 播至下一无源光纤传感器的入射光纤55中。反射光束L42经入射光纤55入射至分光组件47后形成入射光束L44，入射光束 L44在分光器件的作用下分成透射光束L46及反射光束L45，反射光束L45经出射光纤56 入射至下一无源光纤传感器。光谱分析仪42作为本实施例的光强探测器件，其通过光纤52与光环形器43连 接，无源光纤传感器的透射光束在发生全反射后形成的反射光束经入射光纤53返回至光 环形器43，并且经光纤52入射至光谱分析仪42。无源光纤传感器第二实施例。参见图9，本实施例具有双孔毛细管61、聚焦透镜62、滤波片63以及光学棱镜44，双孔毛细管61内固定有入射光纤53以及出射光纤54，其中，双孔毛细管61、聚焦透镜62 以及滤波片63组成本实施例的分光组件。聚焦透镜62位于双孔毛细管61的端面64外侧，聚焦透镜62为自聚焦透镜，其第 一端面65与双孔毛细管61的端面64相对且平行设置。聚焦透镜62的第二端面66外设 有作为分光器件的滤波片63，滤波片63与聚焦透镜62的第二端面66平行设置。光学棱镜44为三角棱镜，其横截面为等腰直角三角形。光学棱镜44具有一个与 滤波片63平行的入射面68、与接触介质71接触的接触面69以及反射面70，其中接触面69 为三角形的斜边，接触面69与反光面 70之间形成的夹角Θ6为45°。并且，入射面68上 镀有抗反膜，反光面70上镀有高反膜。从光源出射的光束经入射光纤63入射至聚焦透镜62后形成入射光束L51，入射光 束L51经滤波片63滤波后，某些特定波长的光波通过滤波片63，形成透射光束L63并入射 至光学棱镜44的入射面68，而其他波长的光波被滤波片63反射，形成反射光束L52并被反 射到出射光纤64中，供下一无源光纤传感器使用。透射光束L53从入射面68入射光学棱镜44后，以45°的入射角入射至接触面69， 由于图9所示的接触介质71为空气，因此透射光束L53在接触面69上形成全反射，反射光 束L54垂直地入射至反射面70上，并在反射面70上反射后沿原入射路径返回，经接触面69 后形成反射光束L55并入射至入射光纤53中。这样，如图8所示的，反射光束L55经入射光纤63、光环形器43、光纤52入射至光 谱分析仪42中。若光纤检测系统中两个无源光纤传感器均未浸泡在水中，光谱分析仪42 的检测曲线图如图10所示。假设通过第一无源光纤传感器滤波片63的光波频率为192. ITHz至192. 3THz，该 频段为第一频段，通过第二无源光纤传感器滤波片的光波频率为192. 5THz至192. 7THz，该 频段为第二频段。从图10可见，第一频段与第二频段处均形成波峰，由此可以判断第一无 源光纤传感器与第二无源光纤传感器均有全反射的光信号返回，显示相应的交接盒均未进 水。若第一无源光纤传感器所在交接盒进水，此时无源光纤传感器的光路如图11所 示。透射光束L53入射到光学棱镜44的入射面68后，以45°的入射角入射至接触面69。 由于与接触面69接触的介质72为水，因此透射光束L53在接触面69上发生折射，形成折 射光束L58，且折射光束L58不会反射至入射光纤53中。此时，光谱分析仪42的探测曲线如图12所示。与第一无源光纤传感器对应的第 一频段处未形成波峰，而与第二无源光纤传感器对应的第二频段处仍形成波峰，这样即可 判断第一无源光纤传感器所在的交接盒发生进水现象。由上述方案可见，通过在每一交接盒处设置无源光纤传感器，可根据光时域反射 计或光谱分析仪的探测曲线获知每一交接盒是否发生进水现象，从而及时对相应交接盒进 行排水、重新密封等处理。并且，通过分光膜或滤波片等分光器件的分光作用，将入射的光 束分成透射光束及反射光束，能确保光纤检测系统中多个光纤传感器均有稳定的入射光束 作为探测光源使用。由于本发明的光纤传感器均为无源的，工作时不需要供电，可灵活地设置在高空、 野外等特殊环境中。
由于本发明的光纤传感器的工作原理是非破坏性的，即光纤传感器一次工作后不 会受到损坏，因此将接触面的液体介质清除后，该传感器又可以重新投入使用。同时，本发明还可以应用在石油探测领域，利用水与原油折射率不同的特性，通过 设定光束从玻璃的出射角度可使透射光束发生折射或全反射，从而判断无源光纤传感器所 在位置的接触介质是水还是原油，从而实现对石油的探测。当然，上述实施例是本发明较佳的实施方案，实际应用时还可以有更多的变化，例 如，在光纤检测系统中仅设置一个无源光纤传感器时，则不需要在无源光纤传感器中设置 分光器件；或者，光学棱镜的横截面可设置成非三角形，只有其具有入射面、接触面及反射 面即可；又或者，使用镀在聚焦透镜第二端面上的滤光膜替代滤波片，使用分光片替代分光 膜等，也可以实现本发明的目的。
最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，诸如光强探测器件的改变、聚焦 透镜类型的改变等变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。
权利要求
无源光纤传感器，其特征在于包括双孔毛细管，所述双孔毛细管内固定有一根入射光纤与一根出射光纤；聚焦透镜，位于所述双孔毛细管的一侧，所述聚焦透镜的第一端面与所述双孔毛细管相对设置光学棱镜，位于所述聚焦透镜的第二端面外侧，所述光学棱镜具有与所述聚焦透镜第二端面相对的入射面、与被探测介质接触的接触面以及一个反射面。
2.根据权利要求1所述的无源光纤传感器，其特征在于所述聚焦透镜的第二端面与所述光学棱镜的入射面之间设有分光器件。
3.根据权利要求2所述的无源光纤传感器，其特征在于所述分光器件为镀在所述聚焦透镜第二端面上的分光膜或滤光膜。
4.根据权利要求2所述的无源光纤传感器，其特征在于所述分光器件为与所述聚焦透镜第二端面平行设置的分光片滤波片。
5.根据权利要求1至4任一项所述的无源光纤传感器，其特征在于 所述光学棱镜的入射面上镀有抗反膜。
6.根据权利要求1至4任一项所述的无源光纤传感器，其特征在于 所述光学棱镜的反射面上镀有高反膜。
7.光纤检测系统，其特征在于包括光源、光强探测器件以及至少一个无源光纤传感器，所述无源光纤传感器具有双孔毛 细管，所述双孔毛细管内固定有一根入射光纤与一根出射光纤，所述入射光纤的外露端与 所述光源连接；聚焦透镜，位于所述双孔毛细管的一侧，所述聚焦透镜的第一端面与所述双孔毛细管 相对设置光学棱镜，位于所述聚焦透镜的第二端面外侧，所述光学棱镜具有与所述聚焦透镜第 二端面相对的入射面、与被探测介质接触的接触面以及一个反射面； 所述光强探测器连接所述入射光纤的所述外露端。
8.根据权利要求7所述的光纤检测系统，其特征在于 所述无源光纤传感器为二个或二个以上，它们串联连接。
9.根据权利要求7或8所述的光纤检测系统，其特征在于 所述光源及所述光强探测器件为一光时域反射计；所述聚焦透镜的第二端面与所述光学棱镜的入射面之间设有分光器件，所述分光器件 为分光片或镀在所述聚焦透镜第二端面的分光膜。
10.根据权利要求7或8所述的光纤检测系统，其特征在于 所述光强探测器为光谱分析仪；所述聚焦透镜的第二端面与所述光学棱镜的入射面之间设有分光器件，所述分光器件 为滤波片或镀在所述聚焦透镜第二端面的滤光膜。
全文摘要
本发明提供一种无源光纤传感器及光纤检测系统，该无源光纤传感器包括双孔毛细管，其内固定有一根入射光纤与一根出射光纤，位于双孔毛细管的一侧的聚焦透镜，其第一端面与双孔毛细管相对设置，位于聚焦透镜的第二端面外侧的光学棱镜，其具有与聚焦透镜第二端面相对的入射面、与被探测介质接触的接触面以及一个反射面。本发明可探测设置无源光纤传感器处介质性质，从而判断密封空间的密封性能。
文档编号G01V8/16GK101846577SQ20101020241
公开日2010年9月29日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者刘权, 赵泽雄, 魏晶 申请人:珠海保税区光联通讯技术有限公司
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