CN101799303A - 基于单模光纤照射的反射式倾斜光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供基于单模光纤照射的反射式倾斜光纤传感器，它包括光源、光纤耦合器、光纤、反射器、光电探测器和信号处理单元，其特征是：光纤耦合器的一端连接光源的出射端，光纤耦合器的另一端连接发射光纤，发射光纤的出射端和接收光纤的接收端面向反射器，接收光纤的出射端连接光电探测器，光电探测器连接信号处理单元。本发明的优点在于：1、采用单模光纤作为发射光纤和相干激光作照明光源，很好地避免了反射式倾斜多模光纤传感器易受干扰而稳定性差等缺点，同时可进一步提高传感器的灵敏度。2、相对于传统反射式光纤传感器，针对不同的测量，可选择不同的光纤倾角和中心距，灵敏度高且可调。

Description

基于单模光纤照射的反射式倾斜光纤传感器

技术领域

本发明涉及的是一种传感装置，具体地说是应用于光纤传感及光电检测的传感装置。

背景技术

传统的反射式光纤传感器基本原理如图1所示，光源发出的光经耦合器的耦合，进入发射光纤，再通过发射光纤射向反射器，其反射光由接收光纤收集，并送到光电探测器，通过信号处理单元的处理得到光纤端面与被测面之间距离的变化。该传感器的特点是结构紧凑、原理简单、设计灵活、价格低廉等，从而在许多物理量(如位移、压力、振动、表面粗糙度等)测量中成功获得应用。但该传感器通常采用多模光纤作为发射光纤，由于功率更高、更为稳定的相干激光容易在多模光纤的出射端形成散斑场，并不适合作为照明光源，从而该传感器通常采用LED作为照明光源，进而使传感器存在横向分辨力差，灵敏度低，易受干扰而稳定性差等问题，限制了多模光纤传感器在一些要求较高的特殊场合下的应用。为了克服传统反射式光纤传感的上述缺点，国内外学者做了许多有益尝试。

哈尔滨工业大学的赵勇等(赵勇，李鹏生，马惠萍，等.提高激光光纤测量系统分辨力的方法.光电工程.1999，26(5)：27-30)以及美国专利US20090135427“Laser reflection optical fiber sensor”分别提供了一种基于单模光纤照射的反射式光纤传感器，很好的抑制了反射式多模光纤传感器的缺点，并极大了提高系统的灵敏度和稳定性。

印度学者P.B.Buchade等(P.B.Buchade，A.D.Shaligram.Simulation andexperimental studies of inclined two fiber displacement sensor.Sensorsand Actuators A，2006，128(2)：312-316)以及上海理工大学的马军山等(方兰兰，马军山.一种提高反射式光纤位移传感器灵敏度的方法.应用激光，2007，27(2)：129-131)分别研究了反射式倾斜光纤传感器，其设置两光纤倾斜一定角度，极大地提高了传感器的灵敏度，并可通过调整两光纤间夹角以及两光纤间隔来改善传感器的灵敏度，具有极大地灵活性，但该传感器仍采用多模光纤作为发射光纤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高灵敏度且可调、结构简单且稳定、成本低的基于单模光纤照射的反射式倾斜光纤传感器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于单模光纤照射的反射式倾斜光纤传感器，它包括光源、光纤耦合器、光纤、反射器、光电探测器和信号处理单元，其特征是：光纤耦合器的一端连接光源的出射端，光纤耦合器的另一端连接发射光纤，发射光纤的出射端和接收光纤的接收端面向反射器，接收光纤的出射端连接光电探测器，光电探测器连接信号处理单元。

本发明的基于单模光纤照射的反射式倾斜光纤传感器还可以包括：

1、所述的光源为相干激光，发射光纤为单模光纤，接收光纤为多模光纤。

2、所述的发射光纤的出射端和接收光纤的接收端与发射器所成夹角可调。

本发明的优势在于：1、采用单模光纤作为发射光纤和相干激光作照明光源，很好地避免了反射式倾斜多模光纤传感器易受干扰而稳定性差等缺点，同时可进一步提高传感器的灵敏度。2、相对于传统反射式光纤传感器，针对不同的测量，可选择不同的光纤倾角和中心距，灵敏度高且可调。

附图说明

图1为现有技术反射式光纤传感器原理结构示意图；

图2为本发明基于单模光纤照射的反射式倾斜光纤传感器原理结构示意图；

图3为本发明基于单模光纤照射的反射式倾斜光纤传感器传感头结构原理示意图；

图4为本发明基于单模光纤照射的反射式倾斜光纤传感器不同光纤倾角下传感器响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，本发明的基于单模光纤照射的反射式倾斜光纤传感器包括光源1、光纤耦合器2、发射光纤31、反射器4、接收光纤5、光电探测器6以及信号处理单元7，其中光源1为相干激光，发射光纤31为单模光纤，接收光纤5为多模光纤，且发射光纤31和接收光纤5相对于反射器4以一定角度倾斜放置。整个传感器光的路径为：光源1发出的光通过光纤耦合器2的耦合，射向发射光纤3，再通过发射光纤31射向反射器4，其反射光由接收光纤5收集，再送到光电探测器6，并通过信号处理单元7处理得到光纤端面与反射器之间距离的变化。发射光纤31为单模光纤，接收光纤5为多模光纤，且发射光纤31和接收光纤5相对于反射器4以一定角度倾斜放置。光源1为相干激光。

下面通过提供一个具体实施例可进一步理解本发明。

本发明传感头结构原理如图3所示，其中发射光纤31为单模光纤，其模场直径为2wi＝10.5μm，包层直径d1＝125μm，数值孔径NA＝0.11；接收光纤25为多模光纤，其纤芯直径为2ar＝50μm，包层直径d2＝125μm；两光纤外包层端面之间距离为df＝125μm，夹角为2α，本实施例中分别设α＝0，2.5°，5.0°，7.5°和10°；C＝0.04为反射器的吸收系数。由图中的几何关系，可得接收光纤5接收端面处光斑半径w(d)为

ω(d)＝(2d cosα+d₁ sin2α+df sinα)×tan(θ)+w_i(1)

其中，θ＝arcsin(NA)，d为目标距离。

接收光纤5与发射光纤31轴向中心距df’为

${\mathrm{df}}^{\′}=\mathrm{df}\×\cos \left(\mathrm{\α}\right)-2d\×\sin \left(\mathrm{\α}\right)+d_1\×\cos \left(2\mathrm{\α}\right)+\frac{d_2-d_1}{2}---\left(2\right)$

设用高斯模型表示发射光纤的出射端光强分布，则接收光纤5接收的光功率为

$P\left(d\right)=\frac{2P_0(1-C)}{\mathrm{\πw}{\left(d\right)}^2}\×{\∫}_{{\mathrm{df}}^{\′}-a_r}^{{\mathrm{df}}^{\′}+a_r}{e}^{-r^2/w{\left(d\right)}^2}\arccos \left(\frac{r^2+{\mathrm{df}}^{\′2}-{a_r}^2}{2\mathrm{rd}{f}^{\′}}\right)\mathrm{rdr}---\left(3\right)$

代入上述确定的系统参数，便可得到传感器的功率仿真响应曲线，如图4所示。从图中可以看出，相对于传统的反射光纤传感器(α＝0)，倾斜式光纤传感器大大提高了系统灵敏度，同时通过调整入射光纤和接收光纤的倾角，可进一步提高传感器的灵敏度。

Claims (3)

1.基于单模光纤照射的反射式倾斜光纤传感器，它包括光源、光纤耦合器、光纤、反射器、光电探测器和信号处理单元，其特征是：光纤耦合器的一端连接光源的出射端，光纤耦合器的另一端连接发射光纤，发射光纤的出射端和接收光纤的接收端面向反射器，接收光纤的出射端连接光电探测器，光电探测器连接信号处理单元。

2.根据权利要求1所述的基于单模光纤照射的反射式倾斜光纤传感器，其特征是：所述的光源为相干激光，发射光纤为单模光纤，接收光纤为多模光纤。

3.根据权利要求1或2所述的基于单模光纤照射的反射式倾斜光纤传感器，其特征是：所述的发射光纤的出射端和接收光纤的接收端与发射器所成夹角可调。

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