CN1490598A - 光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤传感器，包括：传感器外壳；位于传感器外壳前部的分路器；与分路器光连接的光探测器，设置在传感器外壳后部的准直透镜和反射镜装置；其特点是：反射镜装置包括位于传感器外壳后端面上的反射膜，该反射膜呈柔性状态，可以在一柔性鼓膜的内侧上镀设一层反射膜而形成，也可以是一薄金属钢片，该反射膜依靠外界声波振动或压力改变准直透镜和反射镜装置之间的光程。本发明应用入射波与反射波干涉产生驻波的原理，利用光纤准直器端面与对面反射镜间F－P现象，使外界振动或压力转变为两者间距的变化，从而使光探测器探测到的光发生相应的变化，由此可应用在声光和压力传感检测上；它性能稳定精度高且结构简单体积小，因此极为实用。

Description

光纤传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术领域中的传感器，尤其涉及一种应用于振动测量的光纤传感器。

背景技术

在光传感技术中，双光束干涉---驻波原理是：

两个频率相同，振动方向相同，而传播方向相反的单色光叠加，例如入射光与反射光叠加，会产生驻波。

设入射波为E₁＝acos(kz+ωt)，反射波为E′₁＝acos(kz-ωt+δ)，

其中反射面后的介质折射率为n2，光传播介质折射率为n1，n2＞n1，δ＝π，合波为： $E=2\mathrm{\α}\cos (\mathrm{kz}+\frac{\mathrm{\δ}}{2})\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\text{\δ}}{\text{2}})$

其特点：振幅与位置z有关，与时间无关，相位只与时间有关，与位置z无关。

中国专利93243229利用上述双光束驻波原理，在光准直器设有一反射镜，反射镜与准直器之间是高分子材料。其原理是，当温度变化时，高分子材料折射率发生改变，反射镜与准直器间光程随之改变，根据双光束驻波原理，准直器端面的光强度发生改变，据此来探测温度变化。其缺点在于，即使温度不变，若外接光纤长度比同，前面所有价格相同，根据双光束干涉理论，探测到的光强度是不同的；即使所有结构均一致(外接光纤长度相同)，若光纤本身温度在变化，探测到的光强度也不同。因此该方案必须经过很多的进一步的处理才能实现其设想的功能；并且，它只能适合温度测量，而不能适用于压力和声波探测领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的光纤传感器，它能抗电磁干扰且性能稳定，并且结构简单、体积小、成本低、精度高、灵敏度高。

本发明的目的是这样实现的：

一种光纤传感器，包括：一传感器外壳；位于传感器外壳前部的一分路器；与分路器光连接的光探测器，设置在传感器外壳后部的准直透镜和反射镜装置；其特点是：

所述的设置在传感器外壳后部的反射镜装置包括位于传感器外壳后端面上的反射膜，该反射膜呈柔性状态，它依靠外界声波振动或压力改变准直透镜和反射镜装置之间的光程。

在上述的光纤传感器中，其中，所述的反射镜装置的反射膜是在一柔性鼓膜的内侧上镀设一层反射膜而形成。

在上述的光纤传感器中，其中，所述的反射镜装置的反射膜是一薄金属钢片。

在上述的光纤传感器中，其中，所述的反射镜装置还包括一设置在传感器外壳内腔后部中的反射镜。

在上述的光纤传感器中，其中，所述的设置在传感器外壳前部的分路器是一Y型分路器，其中，分路与光探测器连接，承接窄带光源，分路与光源连接，分路汇集分路和分路的光信号后送至准直透镜。

在上述的光纤传感器中，其中，在所述的传感器外壳前端孔处设置密封胶，该密封胶与传感器外壳前侧端孔紧密结合；所述的反射膜与传感器外壳后侧端紧密贴合。

在上述的光纤传感器中，其中，在所述的由密封胶和反射膜紧密贴合的传感器外壳的内腔呈真空状。

在上述的光纤传感器中，其中，在所述的由密封胶和反射膜紧密贴合的传感器外壳的内腔呈非真空状。

本发明光纤传感器由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术光纤温度传感器相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本发明由于应用了入射波与反射波干涉产生驻波的原理，利用光纤准直器端面与对面的反射镜间F-P现象，使外界振动或压力转变为两者间距的变化，从而使光探测器探测到的光发生相应的变化，因此不仅精度高，并且灵敏度更高；

2.本发明由于通过改变反射镜装置与传感器外壳的密封，就可以将本发明既可以应用在声光传感器方面，也可以应用在压力传感检测上；

3.本发明由于信息的载体为光纤，并且采用的是干涉原理，因此具备抗电磁干扰、灵敏度高的特点；

4.本发明由于能适合压力和声波探测，并且与温度及光纤长度(准直器到光强探测器)无关，因此较好地克服现有技术存在的缺陷。

5.本发明由于是无光源器件，内部元件小，因此结构简单、体积小，并且成本低。

附图说明

通过以下对本发明光纤传感器的若干实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是依据本发明提出的光纤传感器方案的原理结构示意图；

图2是本发明光纤传感器第一实施例应用于声波探测的光纤传感器的结构示意图；

图3是本发明光纤传感器第二实施例应用于压力检测的光纤传感器的结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可以看出，入射波与反射波的合波 $E=2\mathrm{\α}\cos (\mathrm{kz}+\frac{\mathrm{\δ}}{2})\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2})$ 的振幅

$A=2\mathrm{\α}\cos (\mathrm{kz}+\frac{\mathrm{\δ}}{2})$ 是随z变化而变化的，该z为反射镜面到光纤准直器端面的距离，如果z变化，则光强将会光纤准直器端面处光强就会发生变化。

为此，本发明光纤传感器，应用了入射波与反射波干涉产生驻波的原理，利用光纤准直器端面与对面的反射镜间F-P(激光谐振腔)现象，使外界振动或压力转变为两者间距的变化，从而使光探测器探测到的光发生相应的变化。

请参见图1所示，这是本发明光纤传感器方案的结构示意图。本发明光纤传感器，包括：一传感器外壳10，位于传感器外壳10前部的一分路器20，与分路器20光连接的光探测器30(参见图2)，安置在传感器外壳10中的一准直透镜40，设置在传感器外壳10后部的反射镜装置50。其中，所述的传感器外壳10形成内腔空间，提供安置准直透镜40与反射镜装置50的部分部件的条件；所述的设置在20传感器外壳10前部的分路器20是一Y型分路器20，其中，分路21承接窄带光源，分路23汇集分路21和分路22的光信号后送至位于传感器外壳10中的准直透镜40；所述的反射镜装置50包括位于传感器外壳10后端面上的反射膜51和设置在传感器外壳10内腔后部中的反射镜52；在本发明中，该反射膜51呈柔性状态。

本发明光纤传感器方案的工作原理为：窄带光源从Y型分路器20的分路21进入，经分路23传入位于传感器外壳10中的准直透镜40，光束被准直透镜40准直输出后，被反射镜装置50的反射镜52反射(或被反射膜51反射)，反射光耦合进准直透镜40，输入光与反射光在准直透镜40和反射镜52中间干涉；设定无声音振动作用在反射膜51上(不工作状态)，该波长的入射光与反射光在准直透镜40与反射镜52间干涉生成驻波，且准直透镜40端面处于驻波波节；当有声波作用在反射膜51上，使反射膜51被迫振动时，准直透镜40与反射镜52的间距发生变化，准直透镜40端面的光功率作相应变化(另波节两边相位关系是相反的)，该变化可以被Y型分路器20的分路23、分路22传播出来，并被探测器30(参见图2)探测。

请结合图1参见图2所示，图2是本发明光纤传感器第一实施例用于声波探测的光纤传感器的结构示意图。在本实施例中，设置在20传感器外壳10前部的分路器20其分路21与光探测器30连接，承接窄带光源，分路22与光源连接，该光源1310nm(纳米)光源，分路23汇集分路21和分路22的光信号后穿过传感器外壳10前部的一小孔后送至位于传感器外壳10中的准直透镜40；而设置在传感器外壳10后部的反射镜装置50采用的是反射膜51，该反射膜51是在一柔性鼓膜的内侧即面向准直透镜40一侧面上镀设一层反射膜而形成，由于反射膜51具有一柔性较好的鼓膜，因此在本实施例中，为了提高灵敏度，取消了设置在传感器外壳10内腔后部中即反射膜51前的反射镜52，而直接在柔性鼓膜上镀反射膜形成反射膜51并直接进行光反射，因此它是一灵敏度较高的声光传感器或调制器。

本实施例本发明光纤传感器方案的工作原理为：当光源60发出的光经分路22、分路23、准直透镜40后变为准直光，被反射膜51反射，并与入射光干涉，产生驻波，又经分路23、分路21传输进入与分路21连接的探测器30；当反射膜51因遇到声波而做被迫振动时，准直透镜40与反射膜51间距发生变化，导致探测器30所探测到的是被声波调制过的光波，该光波中就含有声波的信息，经过一系列处理，可以还原出本来的声音，由此该装置适合于一些特殊场合的声波探测。

请结合图1参见图3所示，图3是本发明光纤传感器第二实施例用于压力检测的光纤传感器的结构示意图。本实施例与第一实施例的结构区别在于：其一，在传感器外壳10前端孔处设置密封胶11，该密封胶11与传感器外壳10前侧端孔紧密结合；在传感器外壳10后端通过反射膜51与传感器外壳10后侧端紧密贴合，此时，可以对传感器外壳10内进行抽真空，使内腔呈真空状，也可以是非真空状；其二，反射膜51是一薄金属钢片，将反射镜52粘在反射膜51上。

本实施例本发明光纤传感器方案的工作原理为：当外界压力增加时，反射膜51被压凹进去，使准直透镜40与反射镜52之间的距离变小，而当外界压力减小时，反射膜51鼓出来，使准直透镜40与反射镜52之间的距离变大，上述准直透镜40与反射镜52之间的距离的变化，引起光强变化，该光强变化被分路23、分路21传输进入光探测器30。因此它将满足不同场合测量的需要，例如，探测深井下的压力等。综上所述，本发明光纤传感器，应用了入射波与反射波干涉产生驻波的原理，利用光纤准直器端面与对面的反射镜间F-P现象，使外界振动或压力转变为两者间距的变化，从而使光探测器探测到的光发生相应的变化；由此可以应用在声光传感检测和压力传感检测上，并且具备抗电磁干扰、性能稳定可靠等特点，以及结构简单、体积小、成本低、精度高、灵敏度高的优点，因此极为实用。

Claims (8)

1.一种光纤传感器，包括：一传感器外壳(10)；位于传感器外壳(10)前部的一分路器(20)；与分路器(20)光连接的光探测器(30)，设置在传感器外壳(10)后部的准直透镜(40)和反射镜装置(50)；其特征在于：

所述的设置在传感器外壳(10)后部的反射镜装置(50)包括位于传感器外壳(10)后端面上的反射膜(51)，该反射膜(51)呈柔性状态，它依靠外界声波振动或压力改变准直透镜(40)和反射镜装置(50)之间的光程。

2.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述的反射镜装置(50)的反射膜(51)是在一柔性鼓膜的内侧上镀设一层反射膜而形成。

3.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述的反射镜装置(50)的反射膜(51)是一薄金属钢片。

4.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述的反射镜装置(50)还包括一设置在传感器外壳(10)内腔后部中的反射镜(52)。

5.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述的设置在传感器外壳(10)前部的分路器(20)是一Y型分路器，其中，分路(21)与光探测器(30)连接，承接窄带光源，分路(22)与光源(60)连接，分路(23)汇集分路(21)和分路(22)的光信号后送至准直透镜(40)。

6.如权利要求1或4所述的光纤传感器，其特征在于：在所述的传感器外壳(10)前端孔处设置密封胶(11)，该密封胶(11)与传感器外壳(10)前侧端孔紧密结合；所述的反射膜(51)与传感器外壳(10)后侧端紧密贴合。

7.如权利要求6所述的光纤传感器，其特征在于：在所述的由密封胶(11)和反射膜(51)紧密贴合的传感器外壳(10)的内腔呈真空状。

8.如权利要求6所述的光纤传感器，其特征在于：在所述的由密封胶(11)和反射膜(51)紧密贴合的传感器外壳(10)的内腔呈非真空状。

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