CN101965367B - 模式度量型光纤传感器 - Google Patents

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Abstract

一种模式度量型光纤传感器，包括：多模传感器光纤(26)；光源(14)，其将光射入到多模光纤(26)以在光纤(26)的端部产生光的多模散斑图案；单模光纤(22)，其接收来自多模散斑图案的光；以及检测器(18)，其与单模光纤(22)连接以检测从多模散斑图案接收到的光。连接器(33)将多模光纤(26)的端部与单模光纤(22)的端部连接使得两根光纤的端面(31，32)相互成锐角地设置。来自光源(14)的光可以通过单模光纤(22)而被传输到多模光纤(26)，并且多模光纤(26)的远离单模光纤(22)的端部可以为反射镜式的以沿着多模光纤将光反射回单模光纤，单模光纤将所接收到的光传输到检测器(18)。

Description

模式度量型光纤传感器
技术领域
本发明涉及广泛用于诸如声传感器或振动传感器的物理传感器、病人监护传感器、入侵检测系统等的模式度量型(modalmetric)光纤传感器。
背景技术
模式度量型光纤传感器或模域传感器基于测量多模(MM)光纤的散斑图案输出的变化。当相干光入射到标准的MM光纤时，激发大量模式，这些模式将沿着光纤传播。在光纤的输出端，各模式的干涉产生被称为散斑图案的图案。能够引起模式的相位、偏振以及分布中任何一个的变化的对光纤的任何干扰将引起散斑图案的变化。通过测量该变化，可以检测到诸如振动或应变等对光纤的物理扰动。因此，模式度量型传感器是封装在一根光纤内的多光束干涉仪，其中每个光束可以由其中一种传播的模式表示。
使用模式度量效应检测扰动通常包括通过仅采样或查询整个散斑图案的一部分来检测散斑图案的变化。这可以通过使用仅检测散斑图案的一部分的物理限制装置或通过使用CCD(电荷耦合器件)检测器以便电子地采样所需区域或散斑图案子区域来完成。这是因为如果在对MM光纤扰动的过程中分析整个散斑图案，则将检测到可以忽略的能量强度的变化。
现有技术
在文献中描述了大量模式度量型传感器的构造。其中大部分是光入射到传感的多模光纤并且查询多模光纤输出端的散斑图案的透射式构造。其他构造是单端式的，其中光经由单模(SM)光纤入射到MM光纤，从MM光纤的第二端部的镜反射端反射，并且在MM光纤的第一端部查询散斑图案。查询手段可以不同并且包括下述中之一：使用单模光纤观察散斑图案的至少一部分、使用传统的空间滤波器、或使用CCD(电荷耦合器件)照相机仅处理散斑图案的一部分。这种传感器通常具有激光光源和耦合器，该耦合器将来自激光光源的光耦合到单模光纤的引入端，该单模光纤与传感的多模光纤熔接。
在一种反射式配置中，多模光纤可具有镜反射端，该镜反射端将光反射回耦合器，之后到信号处理部分，以检测散斑图案的变化。当光从激光光源通过耦合器和单模光纤进而入射到MM光纤时，基本上将激发许多纤芯导模(core-guided mode)以及一些包层导模(cladding-guided mode)。假设任何包层导模经过几十米后迅速衰减。光将从MM光纤的远侧的镜反射端面反射，然后返回到MM光纤的输入端，在该处存在由在光纤中的此点所存在的所有模式的干涉形成的散斑图案。
在该反射式配置中，将光入射到MM光纤的同一单模光纤也可充当返回光的接收器。由于相对于多模光纤而言单模光纤具有相对较小的纤芯尺寸，SM光纤仅将有效地看到散斑图案的非常中央的部分，因此该单模光纤也充当空间滤波器。来自散斑图案的该中央部分的能量然后经由耦合器而被检测器接收到。
将散斑图案的任何变化或重新分布检测为强度的变化。由于SM光纤仅支持单一模式，因此SM光纤也可充当传感系统的不灵敏引入端。作为双向器件的耦合器允许分别同时向传感器光纤传输光及从传感器光纤接收光。
当MM光纤被振动扰动时，由于整个散斑图案中的总能量不显示或显示可以忽略的变化，因此优选空间滤波。通过仅监测整个散斑图案的一部分，在检测器处将容易地将散斑位置的变化检测为强度的变化。然后可对该信号进行处理以判断并测量是否存在扰动。使用这种方法，可以将MM光纤用作入侵检测系统中的传感器。
之前已针对模式度量型传感器介绍了大量空间滤波或限制技术，诸如由Lovely提出的在SM光纤与MM光纤之间使用定制的间隔装置(US5,144,689)、由Spillman提出的使用CCD检测器(US 7,189,958)、由Tapanes提出的使用SM至MM熔接头(澳大利亚专利No.688113)以及由Fuhr等人提出的使用更加基本的自由空间空间滤波器。本发明能够通过提供灵敏度提高的光纤到光纤连接来实现空间滤波。
发明内容
本发明可提供一种模式度量型光纤传感器，包括：
多模传感器光纤；
光源，其将光射入到多模光纤以在多模传感器光纤的端部产生光的多模散斑图案；
单模光纤，其端部与多模传感器光纤的端部连接以接收来自多模散斑图案的光；以及
检测器，其与单模光纤连接以检测从多模散斑图案接收到的光；
其中，多模光纤与单模光纤的端部的端面相互成锐角地设置。
多模光纤的端面可垂直于多模光纤的轴向，并且单模光纤的端面可相对于单模光纤的轴向的垂直方向倾斜所述锐角。
可替代地，单模光纤的端面可垂直于单模光纤的轴向，并且多模光纤的端面可相对于多模光纤的轴向的垂直方向倾斜所述锐角。
在另一种替代中，多模光纤的端面和单模光纤的端面均可相对于各自的光纤轴向的垂直方向倾斜。
所述锐角可在5°至10°的范围内。更特别地，所述锐角可在6°至9°的范围内。
在反射式配置中，光源可与所述单模光纤连接以便通过单模光纤将光射入到多模光纤的所述端部，并且多模光纤的另一端部可为反射镜式的以通过多模光纤将光反射回，从而在多模光纤的首先所述的端部处产生散斑图案。
在透射式配置中，光源可将光射入到多模光纤的远离多模光纤的首先所述的端部的端部，以通过多模光纤和单模光纤将光透射到检测器。在这种配置中，光源可经由第二单模光纤与多模光纤的远侧端部连接，通过第二单模光纤将光射入到多模光纤的远侧端部。
附图说明
为了可以更加充分地解释本发明，将参考附图描述一些具体实施方式，其中：
图1是传统的反射式模式度量型传感器的简图；
图2是本发明的反射式模式度量型传感器的简图；
图3是本发明的透射式模式度量型传感器的简图；
图4例示了反射式模式度量型传感器中光纤之间的连接的一种形式，并且图4A显示了在连接处多模散斑图案的传输；
图5例示了来自具有平直端面的单模光纤的光的投射；
图6例示了来自具有倾斜端面的单模光纤的光的投射；
图7例示了来自具有倾斜端面的单模光纤的光投射到具有平直端面的多模光纤；
图8例示了具有平直端面的单模光纤与具有倾斜端面的多模光纤之间的连接；
图9例示了来自具有倾斜端面的多模光纤的散斑图案的投射；
图10例示了均具有倾斜端面的的单模光纤与多模光纤之间的连接，并且图10A例示了在连接处散斑图案的投射；
图11例示了一种类型的使用标准的SC连接器和SC适配器的光纤连接；
图12例示了图11的组装件；
图13例示了替代类型的连接器的元件；
图14和图15例示了图13的连接器的组装件；
图16是通过图13至图15的连接器的截面图；以及
图17是使用将具有不同端面倾角的单模光纤连接到具有平直端面的多模光纤的光纤连接器的信噪比测量的曲线图。
具体实施方式
参考显示现有技术配置的图1，控制部分12具有激光光源14、耦合器16、光电检测器(PD)18以及信号处理器20。
来自激光光源14的光被提供给耦合器16并且射入单模光纤22。单模光纤在24处与具有镜反射端28的多模光纤26熔接。光从既充当引入光纤又充当引出光纤的单模光纤22传播到具有远侧的镜反射端28的多模传感光纤26。沿多模光纤传播的光从镜反射端反射并且朝单模光纤22向回传播。多模光纤26的任何振动或扰动引起存在于多模光纤的射入端的光的散斑图案发生变化。所述光传播回到耦合器并且进入检测器18。检测器18将表示出由多模光纤26中的干涉模式产生的散斑图案的变化的信号输出到信号处理器20以进行分析。
在图1的构造中，多模光纤26与单模光纤22在24处熔接而同心地对准。由于单模光纤22的纤芯尺寸比多模光纤26的纤芯尺寸小得多，因此该单模光纤充当空间滤波器，使得到达检测器的能量将来自于散斑图案的非常中央的部分。散斑图案的这部分与该图案的外侧部分相比显示了响应于对多模传感光纤的外界扰动的较小量的空间变化或重新分布。这可涉及这样的事实：即散斑图案的该部分受控于在多模光纤中引导的较低阶模，进而会限制最大灵敏度。
图2例示了根据本发明制成的单端(反射式)模式度量型传感器。该传感器与图1的现有技术传感器具有相似的布局，并且包括许多由同样的附图标记标识的相同元件。实质的区别在于单模光纤22与多模光纤26具有相互成锐角设置并且保持在光纤连接器33内的端面31、32。光纤端面31、32相对于彼此倾斜的方式使得由于下面将要描述的效果而能够提高模式度量型光纤传感器的灵敏度。
图3例示了根据本发明构造的透射式模式度量型传感器。该透射式传感器也采用与图1的现有技术反射式模式度量型传感器相同的元件，并且由同样的附图标记标识同样的元件。透射式配置的区别实质上在于：多模光纤26的远离单模光纤22的端部不是镜反射的而是通过连接部分40与第二单模光纤36连接，来自散斑图案的光通过该第二单模光纤而引向检测器18。根据本发明，多模光纤26的端面41与单模光纤36的端面42在连接部分40内以下述方式相互成锐角地设置。
图4和图4A图示了单模光纤的端面与多模光纤的端面可以相互成锐角布置的一种方式以及这将如何影响从多模光纤的端部的散斑图案到单模光纤的光的接收。单模光纤和多模光纤可以是图2所示的反射式模式度量型传感器的光纤22、26，并且这些光纤相应地标识有各自的端面31、32。
从图4显然看出，单模光纤的纤芯22a的直径比多模光纤26的纤芯26a的直径小得多，相应地纤芯22a将接收来自多模光纤端面32处的散斑图案的中央部分的光，从而提供空间滤波。在图4和图4A所例示的配置中，多模光纤26的端面32与多模光纤轴向垂直，并且单模光纤的端面31相对于单模光纤轴向的垂直方向倾斜锐角θ，从而两个光纤端面31、32相互成锐角θ设置。如下所述，角θ可以在5°至10°的范围内，典型地为7°-8°的数量级。
由于如图4A中的锥体43所示，从多模光纤26的端面32投射的光将发散到空气中，因此光纤22的倾斜端面将接收到整个散斑图案的不对称地发散或展开的中央区域，这将放大散斑在“展开的”区域中的重新分布的任何运动。这是由于下述原因：即，从图中看去的散斑图案的上部在进入单模光纤22的倾斜端之前实质上比下部发散得远，结果上部散斑将大于下部散斑。这将放大检测器所看到的能量的变化，因而提高模式度量型光纤传感器的灵敏度。
尽管将图4和图4A所例示的配置描述为应用于如图2所例示的反射式模式度量型传感器，但该配置可并入图3中所例示的透射式模式度量型传感器中多模光纤26与单模光纤36之间的连接部分40中。在这种情况下，多模光纤的端面可以是远离单模光纤22的端面41，并且单模光纤的倾斜端面为光纤36的相应端面。
参考显示从平直端面和倾斜端面输出的光的图5和图6，离开所示单模光纤的平直端部的被引导光将发散。光的发散锥角将取决于光纤的数值孔径，该数值孔径可与光纤的纤芯折射率和包层折射率之间的差值有关。如果如图5所示光纤的端面垂直于光纤轴向，则发散锥体将沿着光纤轴向指向外侧。如果光纤的端面倾斜，则可以显示出光锥在射出时将向光纤的一侧弯曲或偏斜。这可以通过简单地考虑当光纤端面倾斜时光线如何射出端面来例示。使用Snell(斯涅耳)定律，可以显示出光锥实际将向如图6所示的一侧弯曲。偏斜量取决于端面的倾角。倾角越大，偏斜越大。
在图2所示的反射式模式度量型传感器中，具有倾斜端面31的单模光纤22以下述方式将光入射到多模光纤26：即，优选激发较高阶模(纤芯导模和包层导模)。由于传感器长度较短，因此这将导致多模光纤传感器对外界扰动的灵敏度较高。重要的是无论如何注意到随着多模传感光纤26变得较长(＞50m)，这种效果将减小。这是因为多模光纤26中的导模的分布最终将达到稳定状态或均衡，在该状态下较高阶模将衰减或除去，并且仅较低阶模将继续传播。实际上，这将散斑图案集中到纤芯的中央部分。
图7显示了光锥从光纤22的倾斜面31射入到光纤26的构造。再次可以看出光锥C发生偏斜。
图8显示了单模光纤22的端面31垂直于光纤轴向并且多模光纤26的端面32相对于光纤轴向的垂直方向倾斜的构造。根据此配置，从图9中可看出光锥C处的散斑图案沿竖直方向偏离光纤26的实际中心而投射。这就灵敏度而言是重要的，因为已知更远离中心的散斑的运动对于光纤传感器上的外界扰动更加灵敏并且在空间上经历较大的运动。随着散斑自身重新分布，这代表检测器处的能量的变化较大。
图10和图10A显示了光纤22的端面31和光纤26的端面32均倾斜的实施方式。显然倾斜方向不一致，从而两端面不平行而是彼此相对成锐角。图10A显示了来自于多模光纤26的散斑图案向下偏离并且在朝向顶部不对称地展开的情况下由单模光纤22的倾斜端面31接收，从而提高灵敏度。
使用根据本发明的成角度的连接器或端面的另一重要方面是：这消除了由于空气间隙可以形成的连带反射而在本系统中导致的任何噪声。特别地，在使用诸如所呈现类型的相干激光光源的系统中，在具有平行端面的光纤连接器之间的小空气间隙可产生连带的法布里-珀罗标准具(Fabry-Perotetalon)，这将导致不需要的干涉测量信号。通过使用成角度的连接器，可以消除这种连带的干涉效应。
模式度量型传感器连接的一种实际实施方式是使用连接器化的光纤端部。一个实例是使用图11和图12所例示的诸如SC连接器(SubscriberConnector，用户连接器)等成品连接器，其中图11显示了连接之前的元件，并且图12显示了已完成的连接。单模光纤22终止于具有适当角度例如8°的倾斜SC连接器51，而多模光纤26终止于平直的SC连接器52。两根光纤可以经由SC至SC贯通适配器53而连接在一起。
图13至图15例示了替代的实施方式，其考虑到单模光纤端面到多模光纤端面的灵活度和不同封装形式。这种配置使用无封装的套箍54、55或类似于SC连接器的装置来容纳光纤端部，而陶瓷或塑料的开缝套筒56用于将单模光纤与多模光纤配合在一起，并且配合后的光纤容纳在不锈钢壳体59内以受到保护。这容许接合处具有较小的外形封装，进而可以安装在配线盒内，或者可以被气密密封以安装在户外环境中。
图16例示了以图11至图13或图14、图15所例示的方式连接的已连接光纤端部的几何结构。在每种情况下，单模光纤22的端部安装在套箍57中，并且多模光纤26的端部安装在套箍58中。套箍典型地可具有2.5mm的直径并且可具有端部倒角60、61。典型地，单模光纤22可具有9μm的纤芯直径和125μm的包层直径。多模光纤可典型地具有62.5μm的纤芯直径和125μm的包层直径。尽管套箍57、58在位置62处相互物理触及，但在两光纤端部之间仍存在小的间隙63。对于使用具有上述尺寸的光纤和套箍并且劈开角度为8°的连接，光纤的中心至中心间距可以为大约70μm，并且在其最接近的点光纤间距可以为61.5μm。为了使损耗最小并且保持有效的空间滤波，优选保持光纤端部之间的间隙尽可能小，并且无论如何确保光纤的中心至中心间距不超过100μm。
单模光纤的端面与多模光纤的端面之间的合适角度选择至关重要，因为这会影响传感系统的灵敏度。为了对此进行测试，实施了实验，其中如图2所例示的单端(反射式)模式度量型传感器使用不同的单模光纤端面角度。熔接器用于使SM光纤端部与MM光纤端部以受控方式紧密接近。为了模拟上述连接器化的实施方式，倾斜的SM光纤端部与平直的MM光纤端部之间的中心至中心间距保持为大约70μm。所用传感系统具有1m的SM光纤长度和具有镜反射端的425m的MM光纤传感长度。激光波长为1310nm。
为了测试灵敏度，当传感光纤受到扰动时，针对不同的SM光纤端面角度测量所检测信号的变化部分的信噪比。角度范围测试为0至12.6°。大的信噪比对应于引起检测器处能量的大变化的散斑图案的变化。信噪比取决于由于从MM光纤传播到倾斜的SM光纤的光的发散造成的能量损失结合散斑图案如何投射到倾斜的SM光纤端部的纤芯上以及当对MM光纤物理扰动而导致散斑图案运动时该散斑图案如何变化的组合。
在图17中示出了以上测试的结果，图17标绘了随SM光纤劈开角度而变化的所测信噪比。可以看出，使得信噪比处于最大值而使用的最优角度大约为7.5°。优选地，信噪比应当保持在20以上，其大约对应于5°至9°的角度范围。与SM光纤和MM光纤接合在一起或在其纤芯接触的情况下而连接的现有技术模式度量型传感器相比，这提高了至少2。
先前仅借助于实例例示了本发明的实施方式，但应当理解在不背离所附权利要求的范围的情况下可以做出许多修改。
在所附权利要求中以及在本发明的前述描述中，除了上下文由于表述语言或必要暗示而需要提及之外，措辞“包括”、“包含”、“具有”等变型用于开放式包含性的意义，即，指定存在所述特征，但不排除存在或附加本发明各实施方式中的其他进一步特征。

Claims (14)

1.一种模式度量型光纤传感器，包括：
多模传感器光纤；
光源，所述光源将光射入到所述多模传感器光纤以在所述多模传感器光纤的端部产生光的多模散斑图案，其中该散斑图案被所述多模传感器光纤的振动或扰动改变；
单模光纤，其纤芯直径比所述多模传感器光纤的纤芯直径小得多，所述单模光纤的端部与所述多模传感器光纤的所述端部连接以接收来自所述多模散斑图案的中央部分的光；以及
检测器，所述检测器与所述单模光纤连接以检测从所述多模散斑图案接收到的光；
其中，所述多模传感器光纤的所述端部的端面与所述单模光纤的所述端部的端面相互成锐角地设置，由此所述单模光纤的所述端部接收散斑图案的不对称展开的中央部分，其中由于所述多模传感器光纤的振动或扰动产生的图案的变化被放大，从而提高了所述模式度量型光纤传感器的灵敏度。
2.如权利要求1所述的模式度量型光纤传感器，其中，所述多模传感器光纤的所述端面垂直于所述多模传感器光纤的轴向，并且所述单模光纤的所述端面相对于所述单模光纤的轴向的垂直方向倾斜所述锐角。
3.如权利要求1所述的模式度量型光纤传感器，其中，所述单模光纤的所述端面垂直于所述单模光纤的轴向，并且所述多模传感器光纤的所述端面相对于所述多模传感器光纤的轴向的垂直方向倾斜所述锐角。
4.如权利要求1所述的模式度量型光纤传感器，其中，所述多模传感器光纤的所述端面和所述单模光纤的所述端面均相对于各自的光纤轴向的垂直方向倾斜。
5.如前述任一项权利要求所述的模式度量型光纤传感器，其中，所述锐角在5°至10°的范围内。
6.如权利要求5所述的模式度量型光纤传感器，其中，所述锐角在6°至9°的范围内。
7.如前述任一项权利要求所述的模式度量型光纤传感器，其中，所述单模光纤的所述端部与所述多模传感器光纤的所述端部连接，使得在两光纤端面的中心之间存在小于100μm的间隙。
8.如权利要求7所述的模式度量型光纤传感器，其中，所述单模光纤的所述端部与所述多模传感器光纤的所述端部通过连接器连接，所述连接器包括保持所述单模光纤的所述端部的第一保持器、保持所述多模传感器光纤的所述端部的第二保持器以及将所述第一保持器和第二保持器相互连接的连接器结构。
9.如权利要求8所述的模式度量型光纤传感器，其中，所述第一保持器和第二保持器通过所述连接器结构而保持为相互接合在一起。
10.如权利要求8或9所述的模式度量型光纤传感器，其中，所述连接器结构为已连接的光纤端部提供保护性壳体。
11.如前述任一项权利要求所述的模式度量型光纤传感器，其中，光源与所述单模光纤连接以便通过所述单模光纤将光射入到所述多模传感器光纤的所述端部，并且所述多模传感器光纤的另一端部为反射镜式的以通过所述多模传感器光纤将光反射回，从而在所述多模传感器光纤的首先所述的端部处产生散斑图案。
12.如权利要求11所述的模式度量型光纤传感器，其中，所述光源与所述检测器通过耦合器连接到所述单模光纤。
13.如权利要求1至10中任一项所述的模式度量型光纤传感器，其中，所述光源将光射入到所述多模传感器光纤的远离所述多模传感器光纤的首先所述的端部的远侧端部，以通过所述多模传感器光纤和所述单模光纤将光传射到所述检测器。
14.如权利要求13所述的模式度量型光纤传感器，其中，所述光源经由第二单模光纤与所述多模传感器光纤的远侧端部连接，通过所述第二单模光纤将光射入到所述多模传感器光纤的所述远侧端部。
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