CN101086452A - 基于暗场检测技术的检测方法以及该方法使用的双包层光纤微弯传感器和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于暗场检测技术的检测方法以及该方法使用的双包层光纤微弯传感器和设备，属于光纤传感技术领域，利用穿过双包层光纤的双包层光纤微弯传感器感应外界物理场的变化，并通过双包层光纤耦合器将传感器感应到的暗场相对光强传输给光电探测器。本方案具有测量检测灵敏度高、调制程度高、安全性能好、几个传感器连接可分布式传感、抗电磁干扰和结构简洁安装方便等优点。

Description

基于暗场检测技术的检测方法以及该方法使用的双包层光纤微弯传感器和设备

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种利用光纤微弯传感器进行检测的技术。

背景技术

目前光纤微弯传感器大多为多模光纤微弯传感器。多模光纤微弯传感器通过检测弯曲损耗来测量外界的压力、位移等物理量，由于其光路的密闭性，因此可以在高压、高温、低温等恶劣环境条件下工作。然而，由于多模光纤的特性，决定了多模光纤微弯传感器主要集中在亮场检测技术，亮场检测是对纤芯中的光强度的变化来实现信号能量的转换，这就容易受到纤芯中噪声的影响，使其测量灵敏度降低。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于暗场检测技术的检测方法，同时提出了该方法使用的双包层光纤微弯传感器和设备。

本发明所述的检测方法包括如下步骤：

1)选择一种双包层光纤；

2)根据公式(1)，对于选定的光纤，设计变形器，最佳的变形周期为：

${\mathrm{\Λ}}_c=\frac{\sqrt{2}\mathrm{\π}{\mathrm{an}}_0}{\mathrm{NA}}---\left(1\right)$

a为纤芯半径；n₀为纤芯折射率；NA为光纤数值孔径

3)将步骤2)的变形器包裹在步骤1)的双包层光纤上，构成双包层光纤微弯传感器；

4)双包层微弯传感器前端通过一个双包层光纤耦合器与光源相连接，双包层光纤耦合器将光源的光载波耦合到双包层光纤的纤芯中；

5)光源的光载波通过双包层光纤送给变形器，物理场通过变形器把作用力传递给光纤，使光纤产生微弯变形，由于光纤的变形导致辐射模的辐射增大或减小，从而实现了对光载波强度的调制；

6)双包层微弯传感器后端通过一个双包层光纤耦合器与光电检测器相连接，通过双包层光纤耦合器将双包层光纤内包层中传输的信号提取出来并送入光电探测器进行检测。

本发明所述检测方法使用的双包层光纤微弯传感器，包括双包层光纤，在双包层光纤的外表面包裹有变形器。

上述变形器结构可采用齿状或环状结构。

本发明所述的检测设备包括光源(1)，光源(1)通过双包层光纤与双包层光纤耦合器(2)的①端口连接，双包层光纤耦合器(2)的②端口通过双包层光纤与双包层光纤微弯传感器(3)的一端相连接，双包层光纤微弯传感器(3)的另一端通过双包层光纤与双包层光纤耦合器(4)的③端口相连接，双包层光纤耦合器(4)的④端口与光电探测器(7)相连接。

本发明的有益效果是：由于双包层光纤的特殊结构，使辐射模能够在双包层光纤的内包层中继续传输，包层中传输的光场称为“暗场”，与亮场检测技术相比，暗场检测技术所检测的信号具有很低的光电平，同时受到的干扰较小，因此其检测灵敏度和调制程度比亮场检测高。

附图说明

图1为本发明所述检测设备的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，如图1所示：

当需要测量外界的压力时，选取相应结构参数的双包层光纤(5)，根据光纤的结构参数设计变形器(6)为变形齿结构，将变形器(6)包裹在双包层光纤(5)外表面构成双包层光纤微弯传感器(3)，双包层光纤微弯传感器(3)的一端通过双包层光纤与双包层光纤耦合器(2)的②端口相连接，双包层光纤微弯传感器(3)的另一端通过双包层光纤与双包层光纤耦合器(4)的③端口相连接，双包层光纤耦合器(2)的①端口通过双包层光纤与光源(1)连接，双包层光纤耦合器(4)的④端口与光电探测器(7)相连接。当变形器(6)在外界压力作用下使穿过其间的双包层光纤(5)产生一定周期的微弯变形，由于光纤的变形导至辐射模的辐射增大或减小，从而实现了对光载波强度的调制。由于双包层光纤的特殊结构，使辐射模能够在双包层光纤的内包层中继续传输，包层中传输的光场称为“暗场”。通过双包层光纤耦合器(4)将双包层光纤内包层中传输的暗场信号提取出来并通过双包层光纤耦合器(4)的④端口送入光检测器(7)，光电探测器(7)通过检测光纤包层中的暗场信号变化就可以实现对被传感量的测量。

对于选定的光纤，可根据公式 ${\mathrm{\Λ}}_c=\frac{\sqrt{2}\mathrm{\π}{\mathrm{an}}_0}{\mathrm{NA}}$ 设计变形器，式中a为纤芯半径；n₀为纤芯折射率；NA为光纤数值孔径。

用压力环对传感器检测到的暗场相对光强与压力关系的关系进行标定，用线性拟合的方法获得暗场相对光强变化与作用到变形器上的压力之间的线性关系：

$\frac{I}{I_0}=\mathrm{kF}$

I暗场光强，I₀入射到传感器的初始光强，k为与传感器结构有关的常数，F为压力。

本方案具有测量检测灵敏度高、调制程度高、安全性能好、几个传感器连接可分布式传感、抗电磁干扰和结构简洁安装方便等优点。当然本发明的检测对象并不仅仅局限于压力，还包括温度、位移等能够引起变形器产生变形的物理量。

Claims (4)

1、基于暗场检测技术的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)选择一种双包层光纤；

2)根据公式(1)，对于选定的光纤，设计变形器，最佳的变形周期为：

${\mathrm{\Λ}}_c=\frac{\sqrt{2}\mathrm{\π}{\mathrm{an}}_0}{\mathrm{NA}}$

a为纤芯半径；n₀为纤芯折射率；NA为光纤数值孔径

3)将步骤2)的变形器包裹在步骤1)的双包层光纤上，构成双包层光纤微弯传感器；

4)双包层微弯传感器前端通过一个双包层光纤耦合器与光源相连接，双包层光纤耦合器将光源的光载波耦合到双包层光纤的纤芯中；

5)光源的光载波通过双包层光纤送给变形器，物理场通过变形器把作用力传递给光纤，使光纤产生微弯变形，由于光纤的变形导致辐射模的辐射增大或减小，从而实现了对光载波强度的调制；

6)双包层微弯传感器后端通过一个双包层光纤耦合器与光电检测器相连接，通过双包层光纤耦合器将双包层光纤内包层中传输的信号提取出来并送入光电探测器进行检测。

2、权利要求1所述检测方法使用的双包层光纤微弯传感器，其特征在于包括双包层光纤，在双包层光纤的外表面包裹有变形器。

3、根据权利要求2所述的双包层光纤微弯传感器，其特征在于所述变形器结构可采用齿状或环状结构。

4、实现权利要求1所述检测方法的设备，其特征在于包括光源(1)，光源(1)通过双包层光纤与双包层光纤耦合器(2)的①端口连接，双包层光纤耦合器(2)的②端口通过双包层光纤与双包层光纤微弯传感器(3)的一端相连接，双包层光纤微弯传感器(3)的另一端通过双包层光纤与双包层光纤耦合器(4)的③端口相连接，双包层光纤耦合器(4)的④端口与光电探测器(7)相连接。

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