專利名稱：粗芯徑光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物理參數(shù)的測量技術(shù)，尤其涉及測量機(jī)械運(yùn)動參數(shù)的光纖傳感器的改進(jìn)與創(chuàng)新。
背景技術(shù)：
在工程技術(shù)及科學(xué)研究的許多領(lǐng)域如石油勘探、醫(yī)療、航天航空、精密測量及加工、自動控制中，經(jīng)常要對物體的壓力、速度、加速度、角度、溫度及機(jī)械振動的位移、頻率、相位、速度、加速度等類機(jī)械運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行測量，而且，隨著科技及生產(chǎn)力的進(jìn)步，對于上述參數(shù)測量的精度要求不斷提高；而目前傳統(tǒng)的測量方法采用有機(jī)械式、磁電式、電感式、電容式、壓敏電阻式、壓電式等類傳感器件，它們的局限性在于靈敏度低，抗電磁干擾能力差，應(yīng)用頻帶窄；雖然也有大量光纖傳感器被引入應(yīng)用，但普遍采用的是小數(shù)值芯徑的光纖，故其與光源及光電傳感器間的光耦合困難、耦合器件多、工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本很高；且因?yàn)槠湫緩胶苄。饫w的形變主要調(diào)制光強(qiáng)的損耗，而很少利用非常敏感的干涉效應(yīng)，以致測量的靈敏度低下，不能滿足日益提高的測量精度要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，是要提供一種能抗電磁干擾、測量靈敏度高、工作頻帶寬、生產(chǎn)工藝簡單、應(yīng)用領(lǐng)域廣闊的粗芯徑光纖傳感器。
為此，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是一種粗芯徑光纖傳感器，是由光纖作為敏感元件串聯(lián)在光源與光電轉(zhuǎn)換器之間而構(gòu)成，其特征在于所述的光纖是纖芯折射率大于或小于包層折射率的光纖，且其纖芯直徑大于100μm。
所述光纖的包層及以上每隔一定軸向間距設(shè)有一緊束環(huán)；所述纖芯折射率大于包層折射率的多模光纖，其數(shù)值孔徑大于0.25；所述纖芯折射率小于包層折射率的光纖，其包層外表面有不鍍膜和鍍膜兩種結(jié)構(gòu)。
所述的光纖被制成多種形狀的光纖敏感體如微彎形、同軸線圈形、單或多(層)螺旋形、回彎交叉形、雙或多股絞環(huán)形、花瓣形、串/并聯(lián)混合形等；所述的光纖敏感體可借助機(jī)械耦合件與外配質(zhì)量塊進(jìn)行耦合如膜片夾、彈性弦弓、嚙合齒條夾、套軸串盤、橡膠柱、橡膠圓筒環(huán)、開周槽橡膠圓柱環(huán)、預(yù)制空心鑄塊、穿孔彈性板等。
所述的纖芯及包層是光學(xué)玻璃、光學(xué)塑料或其他透光材料所制成。
所述的光源是發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等；所述的光電轉(zhuǎn)換器是光敏二極管、或光敏三極管等。
所述的發(fā)光二極管及光敏二極管的塑料管帽具有中心套孔，套孔直徑為2.20mm，套孔深度為4.60mm；所述的光纖是塑料材質(zhì)的，其芯徑為800μm，包層外徑為1.00mm，護(hù)套層外徑為2.20mm，長度為800mm，制成直徑為30mm的雙股絞環(huán)形的光纖敏感體；所述的預(yù)設(shè)質(zhì)量塊在弓形彈片彈壓下從軸向上與光纖雙股絞環(huán)作直接耦合。
由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)采用粗芯徑及較大的數(shù)值孔徑(含包層與纖芯折射率反置模式及緊束環(huán)光纖)的光纖作為敏感元件，因?yàn)樵试S的光線入射角度范圍寬、纖徑大，一舉解決了細(xì)光纖端面與光源及光電轉(zhuǎn)換器之間的光耦合困難、耦合器件多、工藝復(fù)雜的老大難問題，極大地降低了生產(chǎn)成本；經(jīng)實(shí)踐證實(shí)，粗芯徑光纖彎制成的各種敏感體及帶緊束環(huán)的光纖敏感體，光纖內(nèi)部界面上的干涉機(jī)制大大加強(qiáng)，較之簡單的光強(qiáng)損耗機(jī)制，干涉機(jī)制對光強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用敏感度大大增加、響應(yīng)時間小于10-12秒，因此本發(fā)明的粗芯徑光纖傳感器對各種機(jī)械運(yùn)動參數(shù)的測量靈敏度大大提高；光耦合的簡化允許采用發(fā)光二極管作為光源，具有發(fā)光穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，允許采用光敏二極管作為光電轉(zhuǎn)換器，具有很寬的工作響應(yīng)頻帶；加之參考光纖與差分放大器的處理電路能有效地消除溫度變化造成的測量漂移，從而保證極高的測量穩(wěn)定性與精度；本發(fā)明既可用于如石油、地質(zhì)、天然地震等領(lǐng)域中的低頻率的振動測量和重力測量，也可用于如航天航空領(lǐng)域中的高頻率的振動測量，具有極強(qiáng)的抗電磁干擾能力，而且結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、實(shí)施容易。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作出說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的光、機(jī)、電結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中光纖敏感體的俯視圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的實(shí)測加速度～振動頻率相關(guān)性圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的實(shí)測加速度～信號輸出線性度圖。
圖5為螺旋形光纖敏感體在套軸串盤中與質(zhì)量塊耦合的主視圖。
圖6為螺旋形光纖敏感體在套軸下串盤中的俯視圖。
圖7、8、9、10、11、12、13、14、15為本發(fā)明的各種形狀光纖敏感體及借助不同機(jī)械耦合件與預(yù)設(shè)質(zhì)量體作耦合的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖16為本發(fā)明的帶緊束環(huán)光纖的示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、2所示一種粗芯徑光纖傳感器，是由光纖串聯(lián)在發(fā)光二極管1與光敏二極管2之間，所述的預(yù)設(shè)質(zhì)量塊3在弓形彈片3-1彈壓下從軸向上與雙股絞環(huán)形光纖敏感體4作直接耦合。所述的光纖4-0是纖芯折射率大于包層折射率的塑料材質(zhì)多模光纖(或纖芯折射率小于包層折射率的光纖、緊束環(huán)光纖)，其數(shù)值孔徑大于0.25，其芯徑為800μm，包層外徑為1.00mm，護(hù)套層外徑為2.20mm，長度為800mm，制成直徑D為30mm的雙股絞環(huán)形光纖敏感體4；所述的發(fā)光二極管1與光敏二極管2的塑料管帽皆具有中心套孔，套孔直徑為2.20mm，套孔深度為4.60mm，所述的光纖4-0兩端即分別套插入發(fā)光二極管1或光敏二極管2的塑料管帽的套孔中，非常簡單地實(shí)現(xiàn)了完善的光耦合；在傳感器外殼3-0內(nèi)、與所述的粗芯徑光纖傳感器平行還并聯(lián)有參考光纖5，粗芯徑光纖傳感器與參考光纖5的輸出電信號一同送入差分放大器6作放大處理；而7為發(fā)光二極管1的恒流源。
如圖3所示上述實(shí)施例1在標(biāo)準(zhǔn)振動實(shí)驗(yàn)臺上，恒定加速度在0.22g左右，測定振動頻率f從0.1到80Hz寬范圍變化時的信號輸出電壓out(v)的變化關(guān)系，曲線表明在相當(dāng)寬的頻率f(Hz)變化范圍內(nèi)，輸出信號值out(v)不受影響。
如圖4所示上述實(shí)施例1在標(biāo)準(zhǔn)振動實(shí)驗(yàn)臺上，恒定振動頻率在20Hz左右時，測定加速度a(g)與信號輸出值out(mv)的變化關(guān)系，曲線表明加速度值a(g)與輸出信號值out(mv)成良好的線性關(guān)系；實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明的實(shí)施例1的工作頻帶寬，測量精度及靈敏度高。
如圖5、6所示，螺旋形光纖敏感體8裝在帶有套軸9-1的下串盤9中通過上串盤10與質(zhì)量塊11耦合。
如圖7所示，串聯(lián)式同軸線圈形光纖敏感體12通過彈性弦弓13與質(zhì)量塊11耦合。
如圖8所示，串聯(lián)式同軸線圈形光纖敏感體12通過彈性膜片夾14與質(zhì)量塊11耦合。
如圖9所示，微彎形光纖敏感體15通過嚙合齒條夾16與質(zhì)量塊11耦合。
如圖10所示，繞在橡膠圓筒環(huán)17表面上的光纖敏感體18直接與質(zhì)量塊11(未示出)從軸向上作耦合。
如圖11所示，同軸線圈形光纖敏感體12-0繞在橡膠柱19上并通過橡膠柱19軸向與質(zhì)量塊11(未示出)耦合。
如圖12所示，繞在開周槽20-1的橡膠圓柱環(huán)20上的光纖敏感體18直接從圓柱環(huán)20的軸向上與質(zhì)量塊11(未示出)耦合。
如圖13所示，預(yù)制空心鑄塊21中的同軸線圈形光纖敏感體12-0通過預(yù)制空心鑄塊21與質(zhì)量塊11耦合。
如圖14所示，預(yù)制在穿孔彈性板22中的與回彎交叉形光纖敏感體23通過穿孔彈性板22表面與質(zhì)量塊11(未示出)耦合。
如圖15所示，為三瓣花瓣形光纖敏感體24。
如圖16所示，所述的粗芯徑光纖4-0，每隔一定間距的包層表面上設(shè)有緊束環(huán)25。
現(xiàn)結(jié)合上述附圖對本發(fā)明做出進(jìn)一步說明當(dāng)外界力場或溫度等物理參數(shù)變化感應(yīng)到本發(fā)明的粗纖芯光纖4-0及各種敏感體如4、12、18、24等中，導(dǎo)致光纖內(nèi)部界面上的折射率分布發(fā)生變化，界面條件改變，引發(fā)光強(qiáng)損耗及光干涉量變化，最終產(chǎn)生光、電信號變化，在線性工作頻帶范圍內(nèi)，光、電信號精確反映各種物理量的變化，從而實(shí)現(xiàn)精確測量目的。
權(quán)利要求
1.一種粗芯徑光纖傳感器，是由光纖作為敏感元件串聯(lián)在光源與光電轉(zhuǎn)換器之間而構(gòu)成，其特征在于所述的光纖是纖芯折射率大于或小于包層折射率的光纖，且其纖芯直徑大于100μm。
2.如權(quán)利要求1所述的粗芯徑光纖傳感器，其特征在于所述光纖的包層及以上每隔一定軸向間距設(shè)有一緊束環(huán)；所述纖芯折射率大于包層折射率的多模光纖，其數(shù)值孔徑大于0.25；所述纖芯折射率小于包層折射率的光纖，其包層外表面有不鍍膜和鍍膜兩種結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的粗芯徑光纖傳感器，其特征在于所述的光纖被制成多種形狀的光纖敏感體如微彎形、同軸線圈形、單或多(層)螺旋形、回彎交叉形、雙或多股絞環(huán)形、花瓣形、串/并聯(lián)混合形等；所述的光纖敏感體可借助機(jī)械耦合件與外配質(zhì)量塊進(jìn)行耦合如膜片夾、彈性弦弓、嚙合齒條夾、套軸串盤、橡膠柱、橡膠圓筒環(huán)、開周槽橡膠圓柱環(huán)、預(yù)制空心鑄塊、穿孔彈性板等。
4.如權(quán)利要求3所述的粗芯徑光纖傳感器，其特征在于所述的纖芯及包層是光學(xué)玻璃、光學(xué)塑料或其他透光材料所制成。
5.如權(quán)利要求4所述的粗芯徑光纖傳感器，其特征在于所述的光源是發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等；所述的光電轉(zhuǎn)換器是光敏二極管、或光敏三極管等。
6.如權(quán)利要求5所述的粗芯徑光纖傳感器，其特征在于所述的發(fā)光二極管及光敏二極管的塑料管帽具有中心套孔，套孔直徑為2.20mm，套孔深度為4.60mm；所述的光纖是塑料材質(zhì)的，其芯徑為800μm，包層外徑為1.00mm，護(hù)套層外徑為2.20mm，長度為800mm，制成直徑為30mm的雙股絞環(huán)形的光纖敏感體；所述的預(yù)設(shè)質(zhì)量塊在弓形彈片彈壓下從軸向上與光纖雙股絞環(huán)作直接耦合。
全文摘要
一種粗芯徑光纖傳感器,是由光纖作為敏感元件串聯(lián)在光源與光電轉(zhuǎn)換器之間而構(gòu)成,其特征:光纖是纖芯折射率大于或小于包層折射率,且其纖芯直徑大于100μm;所述光纖的包層及以上每隔一定軸向間距設(shè)有一緊束環(huán);所述纖芯折射率大于包層折射率的多模光纖,其數(shù)值孔徑大于0.25;纖芯折射率小于包層折射率的光纖,其包層外表面有不鍍膜和鍍膜兩種結(jié)構(gòu)。所述光纖被制成多種形狀的光纖敏感體如:微彎形、花瓣形、串/并聯(lián)混合形等;光纖敏感體可借助機(jī)械耦合件與外配質(zhì)量塊進(jìn)行耦合如:膜片夾、彈性弦弓、嚙合齒條夾、套軸串盤、橡膠柱、橡膠圓筒環(huán)、預(yù)制空心鑄塊等。本發(fā)明測量靈敏度高、工作頻帶寬、生產(chǎn)工藝簡單、應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。
文檔編號G01D5/26GK1356532SQ02113908
公開日2002年7月3日 申請日期2002年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月11日
發(fā)明者譚成忠, 喻春光, 蔣建業(yè) 申請人:湖南先光英博光纖傳感技術(shù)有限公司