CN100363714C - 基于激光回馈的光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
基于激光回馈的光纤传感器，属于光学仪器领域。本发明的目的在于提供一种结构简单、精度高、便于生产的光纤传感器。本发明公开了一种基于激光回馈的光纤传感器，按激光光路依次包括作为光纤传感器光源的激光器、光纤耦合系统、光纤，以及设置在激光光路中的用来测量激光器输出功率的探测器；所述光纤的一部分作为被测物理量的探测区，光纤的末端镀不同反射率的膜；所述激光器发射出来的激光经光纤耦合系统进入光纤，经过所述探测区在光纤末端被原路反射回激光器的腔内。本发明所述的光纤传感器结构简单，所需的器件少，更易于小型化。对现有光纤传感器是一个重要改进，使得光纤传感器更具实用化。
Description
技术领域
本发明属于光学仪器领域，尤其涉及光纤传感器。
背景技术
近几年来光纤传感技术得到了巨大发展，并广泛应用于工业、国防、科研等领域。这一技术扩展了光纤技术的应用领域，带动了社会的科技发展。
光纤传感器有多种类型，常见的有强度调制型光纤传感器、位相调制型光纤传感器。强度调制型光纤传感器一般由光源1、入射光纤2、出射光纤4、探测器5、调制区3等元件组成，如图所示。其光源一般为发光二极管。从光源1出射的光经过入射光纤2传到调制区3，被测对象作用在调制区引起光纤中光强的变化，通过探测器5探测到光强的变化实现被测对象的监控和探测。位相调制型传感器一般由激光器6、分束器8、参考臂光纤12、测量臂光纤10、探测器5、第一光纤耦合系统7和第二光纤耦合系统11组成，如图2所示。从激光器6出射的激光经过分束器8、第一光纤耦合器7和第二光纤耦合器11分别进入参考臂光纤12和测量臂光纤10。两光纤末端会合在一起，输出的激光相互叠加后便产生干涉，形成干涉条纹。在被测对象的作用下，测量臂光纤中传播的光波就会发生位相变化，光波叠加以后就会形成不同的干涉条纹。再以干涉测量技术把位相变化转变为强度变化，就可以实现代测物理量的检测。因此，这类传感器一般都有干涉仪。
发明内容
本发明的目的在于在现有光纤传感器的基础上，提供一种结构简单的光纤传感器。该光纤传感器没有独立的干涉仪，激光器本身就是传感器。精度与现有的光纤传感器相同或者更高。该传感器既可以替代普通的位相传感器和普通的位相传感器，也可以替代别的光纤传感器。
本发明提供了一种基于激光回馈效益的光纤传感器，所谓激光回馈效应是指在激光应用系统中，激光器输出的激光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又反射回激光器谐振腔(我们称从激光器腔外回来的激光为回馈光)，回馈光携带外部物体信息，与腔内光相混合后，激光器的输出功率因返回来的激光的位相和强弱的改变而改变。
本发明提供了一种基于激光回馈的光纤传感器，其特征在于：所述光纤传感器按激光光路依次包括作为光纤传感器光源的激光器、光纤耦合系统、光纤，以及设置在激光光路中的用来测量激光器输出功率的探测器；所述光纤的一部分作为被测物理量的探测区，光纤的末端镀不同反射率的膜；所述激光器发射出来的激光经光纤耦合系统进入光纤，经过所述探测区在光纤末端被原路反射回激光器的腔内。
作为上述方案的一个改进，光纤传感器还包括设置在激光光路中的用来将光路中的激光分束至探测器的分束器。
本发明还提供了另外一种基于激光回馈的光纤传感器，其特征在于：所述光纤传感器按激光光路依次包括光纤传感器光源的激光器、光纤耦合系统、光纤，以及设置在激光光路中的分束器，和接收分束器的分束光用来测量激光器输出功率的探测器，所述光纤的一部分作为被测物理量的探测区，所述光纤的一端与激光器的尾端相连；所述激光器发射出来的激光经光纤耦合系统进入光纤，经过所述探测区后，从激光器的尾端耦合到腔内。
作为上述方案的一个改进，所述光纤传感器还包括第二光纤耦合系统，经过光纤探测区的激光进入第二光纤耦合系统，然后耦合到激光器的腔内。
本发明所述光纤传感器的工作方式是：激光器出来的光直接耦合到光纤，激光在光纤里传播，光纤既是传输激光的器件，也是传感器。激光器既是光源也是干涉仪。被测物理量直接作用在光纤上面。最后光纤将从激光器出射的激光传回激光器腔内。通过探测激光器的输出功率可以达到探测被测物理的目的。
本发明所述的光纤传感器结构简单，所需的器件少，更易于小型化。对现有光纤传感器是一个重要改进，使得光纤传感器更具实用化。
附图说明
图1为现有振幅调制型光纤传感器的结构示意图。
图2为现有位相调制型光纤传感器的结构示意图。
图3为本发明的第一个实施例的结构示意图。
图4为本发明的第二个实施例的结构示意图。
图5为本发明的第三个实施例的结构示意图。
图6为本发明的第四个实施例的结构示意图。
图7为本发明的第五个实施例的结构示意图。
图8为本发明的第六个实施例的结构示意图。
图9为本发明的第七个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体说明本发明的实施例。
如图3所示，本发明所述光纤传感器的第一个实施例按按激光光路依次包括作为光纤传感器光源的激光器6、光纤耦合系统7、光纤14，以及设置在激光光路中的用来测量激光器输出功率的探测器5；光纤14的一部分作为被测物理量的探测区，光纤14的末端镀不同反射率的膜；激光器6发射出来的激光经光纤耦合系统7进入光纤14，经过所述探测区在光纤14末端被原路反射回激光器6的腔内。探测器5设置在激光器尾光的输出端。
激光器6是光纤传感器的光源，从激光器6发出的激光进过光纤耦合系统7将激光耦合到光纤中14中去。光纤14的末端镀有不同反射率的膜，或者利用别的光学器件将光反射回光纤。光纤14既起到传输激光的作用，又起到传感器的作用。被测物理量作用在光纤的探测区上。激光经光纤的入射端进入光纤，又经过光纤末端反射回光纤的入射端，再次经过光纤耦合系统重新进入激光器内部。重新回到腔内的激光称为回馈光。回馈光的强弱和位相变化会引起激光器输出光强的变化，从而由探测器5探测激光器输出功率的变化。光纤在外界的影响下可以影响回馈光的强弱和位相，这个外界的影响可以是温度、压力、扭转、转动、电磁场、电压、水声等物理量。通过测量激光器的输出功率，就可以达到测量外界物理量的目的。
图4显示了本发明的第二个实施例，是在图3显示的第一个实施例的基础上将探测器5设置在光纤14的末端。光纤14在外界的影响下改变了回馈光的强弱和位相，最终改变了激光器6的输出功率，探测器5在光纤14的末端直接探测激光器输出功率的强弱变化，可以达到测量外界物理量的目的。
图5显示了本发明的第三个实施例，是在图3显示的第一个实施例的基础上，利用设置激光光路中(即光纤耦合系统7的两个透镜之间)的分束器8，将光路中的激光分束至探测器5中。
图6显示了本发明的第四个实施例，是在图4显示的第二个实施例的基础上，加入偏振片15，以进一步提高系统的性能。
图7显示了本发明的第五个实施例，所述光纤传感器按激光光路依次包括光纤传感器光源的激光器6、光纤耦合系统7、光纤14，以及设置在激光光路中的分束器8，和接收分束器8的分束光用来测量激光器输出功率的探测器5，所述光纤14的一部分作为被测物理量的探测区：所述激光器6发射出来的激光经光纤耦合系统7进入光纤14，经过所述探测区后耦合到激光器6的腔内。回到腔内的激光仍然是回馈光。光纤14在温度、压力、扭转、转动、电磁场、电压、水声等外界物理量的影响下，改变了回馈光的强弱和位相，最终影响激光器6的输出功率。同样从激光器尾光输出端输出的激光也会经过光纤和光纤耦合系统从激光器输出端回馈到激光器腔内，并会改变激光器的输出功率。分束器8设置在光纤耦合系统7的两个透镜之间，它将光路中的激光分束至探测器5中，由探测器5探测激光器输出的强弱变化。通过测量激光器的输出功率，就可以达到测量外界物理量的目的。
图8显示了本发明的第六个实施例，与图7显示的第五个实施例的不同之处在于：第六个实施例还包括第二光纤耦合系统9，和设置在第二光纤耦合系统9的两个透镜之间的分束器8，第二光纤耦合系统9可以提高回馈的效率，分束器8将光路中的激光分束至探测器5中，由探测器5探测激光器输出功率的强弱变化。
图9显示了本发明的第七个实施例，其与在图8显示的第六个实施例的不同之处在于：分束器8设置在光纤耦合系统7的两个透镜之间，将光路中的激光分束至探测器5中，由探测器5探测激光器输出功率的强弱变化。另外，在光路中还加入了偏振片15，以进一步提高系统的性能。
在本发明中，所述的激光器6可以是气体激光器，如He-Ne激光器，也可以是固体激光器，如YAG激光器和半导体激光器，也可以是别的各种激光器；所述的光纤14既可以是单模光纤也可以是多模光纤；探测器5既可以是光电池也可以是光电二极管等光电转换器件；光纤耦合系统可以是普通透镜系统也可以是自聚焦透镜等以外的耦合系统。
另外，在本发明所述光纤传感器的光路中，可以设置放置偏振器件，如偏振片、波片等，以提高系统的测量精度和功能。
Claims (10)
1.基于激光回馈的光纤传感器，其特征在于：所述光纤传感器按激光光路依次包括作为光纤传感器光源的激光器(6)、光纤耦合系统(7)、光纤(14)，以及设置在激光光路中的用来测量激光器输出功率的探测器(5)；所述光纤(14)的一部分作为被测物理量的探测区，光纤(14)的末端镀不同反射率的膜；所述激光器(6)发射出来的激光经光纤耦合系统(7)进入光纤(14)，经过所述探测区在光纤(14)末端被原路反射回激光器(6)的腔内。
2.根据权利要求1所述的基于激光回馈的光纤传感器，其特征在于：所述光纤传感器还包括设置在激光光路中的用来将光路中的激光分束至探测器(5)的分束器(8)。
3.根据权利要求1或2所述的基于激光回馈的光纤传感器，其特征在于：所述光纤传感器还包括设置在激光光路中的用以提高系统的测量精度和功能的偏振器件。
4.根据权利要求1或2所述的基于激光回馈的光纤传感器，其特征在于：所述光纤(14)为单模光纤或多模光纤。
5.根据权利要求1或2所述的基于激光回馈的光纤传感器，其特征在于：所述探测器(5)为光电池或光电二极管。
6.基于激光回馈的光纤传感器，其特征在于：所述光纤传感器按激光光路依次包括光纤传感器光源的激光器(6)、光纤耦合系统(7)、光纤(14)，以及设置在激光光路中的分束器(8)，和接收分束器(8)的分束光用来测量激光器输出功率的探测器(5)，所述光纤(14)的一部分作为被测物理量的探测区，所述光纤的一端与激光器的尾端相连；所述激光器(6)发射出来的激光经光纤耦合系统(7)进入光纤(14)，经过所述探测区后，从激光器(6)的尾端耦合到腔内。
7.根据权利要求6所述的基于激光回馈的光纤传感器，其特征在于：所述光纤传感器还包括第二光纤耦合系统(9)，经过光纤(14)探测区的激光进入第二光纤耦合系统(9)，然后耦合到激光器(6)的腔内。
8.根据权利要求6或7所述的基于激光回馈的光纤传感器，其特征在于：所述光纤传感器还包括设置在激光光路中的用以提高系统的测量精度和功能的偏振器件。
9.根据权利要求6或7所述的基于激光回馈的光纤传感器，其特征在于：所述光纤(14)为单模光纤或多模光纤。
10.根据权利要求6或7所述的基于激光回馈的光纤传感器，其特征在于：所述探测器(5)为光电池或光电二极管。
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