基于帶透鏡光纖陣列的沙粒超低頻振動傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖傳感、風(fēng)沙運力學(xué)、環(huán)境科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于帶透鏡光纖陣列的沙粒超低頻振動傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]沙塵暴是一種危害性極大的全球性災(zāi)害天氣現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著人民生命財產(chǎn)安全。如2010年4月24日甘肅省民勤等地區(qū)遭受強沙塵暴襲擊，造成130多萬人受災(zāi)，3.33萬公頃農(nóng)田絕收，直接經(jīng)濟損失達9.37億元。2011年9月15日英國《Nature》雜志以焦點新聞方式發(fā)表了題為“Science enters desert debate”的文章，認為“當(dāng)前人們主要關(guān)注于土地退化、荒漠化所造成的水土流失和糧食減產(chǎn)的監(jiān)測和評估，雖然科學(xué)家們已經(jīng)通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行荒漠化研究，但是這些研究僅能反映地表溫度和植被蓋度等宏觀特征，接下來科學(xué)家們應(yīng)該開始尋找土地退化和荒漠化的因素以及如何演化的機制”。因此，進行荒漠化和沙塵暴起因研究對沙塵暴預(yù)測和科學(xué)防治具有非常重要的現(xiàn)實意義。然而，沙漠與沙漠化研究已歷經(jīng)半個多世紀(jì)，但是對于沙粒起動機制問題仍存在很多爭議，目前科學(xué)界存在有多達10種假說來解釋這一問題。1971年Lyles L.和Krauss R.K.在TRANS of the ASAE上發(fā)表 “Threshold velocities and initial particle mot1ns as influenced by airturbulence”的論文。他們通過風(fēng)洞實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速接近沙粒起動的臨界值時，直徑小于
0.84mm的沙粒會發(fā)生振動，其振動程度隨風(fēng)速的增加而增強；當(dāng)振動達到某一程度時沙粒突然躍起，如射出一般。因此對沙粒起動前的細觀運動參數(shù)，如振動頻率、振幅等，及相對應(yīng)實時風(fēng)速的測量具有非常重要的意義。目前未見這種傳感技術(shù)的應(yīng)用報道。
[0003]為了達到這一目的，我們提出基于光纖微光學(xué)手段研制適用于沙粒這種微小物體的超低頻振動傳感器。此外，本發(fā)明亦可對于其它環(huán)境科學(xué)問題中的微小顆粒進行運動特征分析，如PM2.5。
[0004]在風(fēng)沙運動力學(xué)領(lǐng)域，沙粒的碰撞可能是導(dǎo)致沙漠產(chǎn)生大量沙塵進而引發(fā)沙塵暴的原因之一。因此，觀察沙粒振動運動特征具有重要學(xué)術(shù)價值。目前的測量手段主要針對沙粒的速度進行觀測，包括了針對單點沙粒運動的激光多普勒測速(LDV)和高速攝影、以及針對整場沙粒運動的粒子圖形測速(PIV)。這些技術(shù)手段在測量精度上各有特長，但系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備昂貴，主要應(yīng)用于實驗室，不適合沙漠沙塵環(huán)境下的測量。
[0005]本發(fā)明是基于帶錐形根透鏡光纖陣列的沙粒超低頻振動傳感器，一方面利用光纖陣列特殊的排布方式探測沙粒的超低頻振動，另一方面利用帶錐形根透鏡光纖的特殊結(jié)構(gòu)提高探頭的收光能力，整個傳感器探頭具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊靈活，體積小、抗腐蝕、耐熱絕緣、抗電磁干擾能力強的特點，極為適合針對于沙塵環(huán)境下沙粒尺度的細觀測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提出基于帶錐形根透鏡光纖陣列的沙粒超低頻振動傳感器，獲取沙粒起動前的細觀運動參數(shù)。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0008]—種基于帶透鏡光纖陣列的沙粒超低頻振動傳感器，特點在于其結(jié)構(gòu)包括光纖陣列探頭部分、光分路器合路器部分、光源和光電探測器部分，
[0009]所述的光纖陣列探頭部分包括依次排列的第一根多模光纖、第一根透鏡光纖、第二根多模光纖、第二根透鏡光纖、第三根多模光纖、第三根透鏡光纖、第四根多模光纖和第四根透鏡光纖，形成周期性陣列結(jié)構(gòu)；
[0010]所述的光分路器合路器部分包括一個1X4的光分路器、第一 2X1光合路器和第二2X1光合路器；
[0011]所述的光源和光電探測器部分包括光源，光電探測器由第一通道和第二通道構(gòu)成；
[0012]所述的光源的輸出端與所述的1X4光分路器的輸入端相連，該1X4光分路器的四個輸出端分別與所述的第一根多模光纖、第二根多模光纖、第三根多模光纖和第四根多模光纖的輸入端相連；
[0013]所述的第一根透鏡光纖和第三根透鏡光纖的輸出端與所述的第一2X1光合路器的輸入端相連，所述的第一 2X1光合路器的輸出端與所述的光電探測器的第一通道的輸入端相連，所述的第二根透鏡光纖和第四根透鏡光纖的輸出端與所述的第二 2X1光合路器(2-3)的輸入端相連，所述的第二 2X1光合路器的輸出端與所述的光電探測器的第二通道的輸入端相連。
[0014]所述的光纖陣列的尺寸與發(fā)生振動的沙粒的尺寸接近。
[0015]所述的第一根透鏡光纖、第二根根透鏡光纖、第三根根透鏡光纖和第四根透鏡光纖具有相同的結(jié)構(gòu)，即光纖的端頭為透鏡。
[0016]所述的透鏡為錐形透鏡。
[0017]所述的光纖陣列探頭部分用于傳導(dǎo)激光器所發(fā)光，照亮被探測的振動沙粒并接收由振動沙粒所反射的光;所述的光分路器合路器部分用于將光源發(fā)出的光分配給照明光纖以及將錐形探測光纖收集的光合并傳入光電探測器;所述的光源和光電探測器部分用于發(fā)出照明用光以及將反射的光信號轉(zhuǎn)化為電信號。
[0018]所述的光源發(fā)出的光進入1X4光分路器，所述的1X4光分路器將光信號分為四束，一束光信號進入第一根多模光纖，一束光信號進入第二根多模光纖，一束光信號進入第三根多模光纖，一束光信號進入第四根多模光纖，第一根多模光纖、第二根多模光纖、第三根多模光纖、第四根多模光纖輸出的光共同照亮探測區(qū)域。
[0019]當(dāng)振動沙粒經(jīng)過所述的第一根帶錐形根透鏡光纖前的探測區(qū)域，被沙粒反射的光信號被第一根帶錐形根透鏡光纖接收，經(jīng)過第一個2X1光合路器，最終被光電探測器的第一通道接收轉(zhuǎn)化為電信號。
[0020]當(dāng)振動沙粒經(jīng)過所述的第二根帶錐形根透鏡光纖前的探測區(qū)域，被沙粒反射的光信號被第二根帶錐形根透鏡光纖接收，經(jīng)過第二個2X1光合路器，最終被光電探測器的第二通道接收轉(zhuǎn)化為電信號。
[0021]當(dāng)振動沙粒經(jīng)過所述的第三根帶錐形根透鏡光纖前的探測區(qū)域，被沙粒反射的光信號被第三根帶錐形根透鏡光纖接收，經(jīng)過第一個2X1光合路器，最終被光電探測器的第一通道接收轉(zhuǎn)化為電信號。
[0022]當(dāng)振動沙粒經(jīng)過所述的第四根帶錐形根透鏡光纖前的探測區(qū)域，被沙粒反射的光信號被第四根帶錐形根透鏡光纖接收，經(jīng)過第二個2X1光合路器，最終被光電探測器的第二通道接收轉(zhuǎn)化為電信號。
[0023]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0024]1.本發(fā)明探頭采用光纖陣列，集成了窺光、收光功能，相比普通的空間光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)緊湊靈活體積小，抗腐蝕、耐熱絕緣、抗電磁干擾能力強，更適合在野外沙漠環(huán)境下作業(yè)。
[0025]2.本發(fā)明探測光纖采用帶錐形根透鏡光纖，該光纖本身自帶透鏡，相比普通光纖，特點在于透鏡匯聚能量與光纖融為一體，體積減小，收光能力增強，其在微弱的反射光下的收光能力更強，可實現(xiàn)對微小體積的顆粒物體如沙粒、PM2.5等運動特征的探測。
[0026]3.本發(fā)明的探頭部分基于帶錐形根透鏡光纖陣列，該陣列的特有的光纖排布方式:照明光纖和探測光纖周期性排布構(gòu)成了一個空間濾波器件，具有對振動沙粒的反射光信號的調(diào)制能力，另外，由于光纖陣列尺寸與可發(fā)生振動的沙粒尺寸接近，探頭對于反射光信號的調(diào)制深度比較理想。