CN102455191A - 基于光纤弯曲形变的光纤传感装置 - Google Patents
基于光纤弯曲形变的光纤传感装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，其特征在于：包括基板一，所述基板一、设置于基板一上的锯齿板一和锯齿板二中至少三者之一或至少三者之一的一部分由功能材料构成，所述锯齿板一上设置有变形齿一，所述锯齿板二上设置有变形齿二，且所述变形齿一和变形齿二相互交错对应，所述锯齿板二上设置有信号光纤，所述信号光纤为多匝环绕形状并夹持于变形齿一和变形齿二之间，所述信号光纤连接有延长光纤，所述延长光纤连接有测试单元，所述测试单元连接有处理单元。本发明能够对采集到的物理量进行放大，提高了该传感装置的精度并延长了信号光纤的寿命，且其结构简单、使用方便、便于推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测装置，特别涉及一种基于光纤弯曲形变的光纤传感装置。
背景技术
目前光纤电流传感器使用的测量方法主要有光的偏振态测量法、光的干涉测量法和波长调制测量法。光的偏振态测量主要基于法拉第磁光效应，使用磁光晶体在外场变化下使光的偏振方向改变达到测试目的，是目前研究相对成熟的传感器，已有商业化应用。光的干涉法主要是利用外场改变相干光的光程差进行测量，主要基于迈克尔孙干涉仪或马赫曾德干涉仪的测量。波长调制测量法是对光的波长进行测量从而检测外场信号的方法。主要是由光纤光栅传感装置或法布里-珀罗干涉传感器完成，需要使用波长解调装置。这几种传感装置在理论上均可完成对电力参数的检测，但在实际应用时由于外界环境的干扰、特别是温度、振动造成误差太大不能满足使用要求，阻碍了该类光纤电流传感器的推广使用。
中国专利申请号为200510019496.8《光纤电流/磁场传感器》，公开了一种其是由两块平行的锯齿板构成。变形齿少、变形齿间的传感光纤长度短，使其其采集数据的能力较差、传感光纤弯曲曲率小导致使用寿命短，采集到的数据要么精度高动态范围小，要么动态范围大精度低，无法满足实际应用要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于光纤弯曲形变的光纤传感装置。本发明能够对采集到的物理量进行放大，提高了该传感装置的精度，且其结构简单、使用方便、便于推广使用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，其特征在于：包括基板一，所述基板一、设置于基板一上的锯齿板一和锯齿板二中至少三者之一或至少三者之一的一部分由功能材料构成，所述锯齿板一上设置有变形齿一，所述锯齿板二上设置有变形齿二，且所述变形齿一和变形齿二相互交错对应，所述锯齿板二上设置有信号光纤，所述信号光纤为多匝环绕形状并夹持于变形齿一和变形齿二之间，所述信号光纤连接有延长光纤，所述延长光纤连接有测试单元，所述测试单元连接有处理单元。
上述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，所述锯齿板一或锯齿板二上有与变形齿一成夹角的凹槽，所述信号光纤安置于凹槽内。
上述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，所述锯齿板一和锯齿板二分别通过基板二和基板三固定在基板一上。
上述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，所述基板一、基板二、基板三、变形齿一、变形齿二和信号光纤满足以下公式：
α1L1ΔT-α2L2ΔT-α3L3ΔT-α齿(L1齿+L2齿)ΔT-α纤d纤ΔT＝0
其中，α2和α3分别为基板二和基板三材料的膨胀系数，α1是基板一材料的膨胀系数，式中L2、L3分别是基板二和基板三的长度，ΔT是变化的温度值，L1是基板一的长度，α齿为变形齿一和变形齿二材料的膨胀系数，L1齿、L2齿分别是变形齿一和变形齿二的高度，α纤为信号光纤的膨胀系数，d纤为信号光纤的端面直径。
上述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，所述锯齿板一和锯齿板二均通过胶黏剂粘接、焊接或螺丝连接固定在基板一上。
上述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，所述变形齿一以锯齿板一的中心点为中心向四周发射的方式布置，所述变形齿二以锯齿板二的中心点为中心向四周发射的方式布置。
上述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，所述信号光纤的一端设置有光反射装置。
上述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，其特征在于：所述光反射装置为光反射镜或光纤光栅。
上述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，所述信号光纤的外部包裹有保护光纤。
上述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，所述保护光纤为套光纤、碳涂覆光纤、金属涂覆光纤或聚酰亚胺涂覆光纤。
上述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，所述功能材料为水晶材料、鈀合金、聚乙烯、聚亚酰胺或铂。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过多匝信号光纤能够对采集到的物理量进行放大，提高了提高了该传感装置的精度，且其结构简单、加工制作方便且结构形式多样，使用方式灵活。
2、使用操作简便且各组件间连接关系设计合理，通过多匝缠绕于锯齿板二上的信号光纤，大大增加了信号光纤随物理量变化可以弯曲的长度，从而在保证信号光纤寿命的基础上，提高了测试精度。
3、锯齿板一和/或锯齿板二通过选择具有不同物理性质的材料制成，可以检测不同的物理量，如锯齿板一和锯齿板二选择具有压电特性的水晶材料，水晶在高电压时具有逆压电效应，水晶体积的微小变化使信号光纤的弯曲曲率变化，从而使信号光纤内部传输光信号的损耗变化，并通过测试单元获取该变化，从而感知到电压、电流的变化，也可以根据信号光纤弯曲曲率的形变的变化，利用测试单元通过干涉法获取信号光纤形变量的大小而感知电压的变化，在电力传输领域特别是超高电压领域具有广阔的应用前景。
4、锯齿板一和锯齿板二固定在基板一上，或锯齿板一固定在基板二上，锯齿板二固定在基板三上，所述基板二和基板三固定在基板一上，通过这种方式将锯齿板一和锯齿板二固定好，可以通过分别选择具有适当膨胀系数的材料达到温度补偿的效果。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1的俯视结构示意图。
图2为本发明实施例1的主视结构示意图。
图3为本发明实施例2的主视结构示意图。
图4为本发明实施例3的主视结构示意图。
图5为图4的A-A剖视结构示意图。
附图标记说明：
1-延长光纤； 5-测试单元； 6-信号光纤；
7-处理单元； 8-锯齿板一； 9-锯齿板二；
10-基板一； 11-变形齿一； 12-变形齿二；
16-凹槽； 24-基板二； 25-基板三。
具体实施方式
实施例1：
如图1和图2所示的一种基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，包括基板一10，所述基板一10、设置于基板一10上的锯齿板一8和锯齿板二9中至少三者之一或至少三者之一的一部分由功能材料构成，所述锯齿板一8上设置有变形齿一11，所述锯齿板二9上设置有变形齿二12，且所述变形齿一11和变形齿二12相互交错对应，所述锯齿板二9上设置有信号光纤6，所述信号光纤6为多匝环绕形状并夹持于变形齿一8和变形齿二9之间，优选的，所述锯齿板一8或锯齿板二9上有与变形齿一8成夹角的凹槽16，信号光纤6安置于凹槽16内。所述信号光纤6连接有延长光纤1，所述延长光纤1连接有测试单元5，所述测试单元5连接有处理单元7。
所述锯齿板一8和锯齿板二9均通过胶黏剂粘接、焊接或螺丝连接固定在基板一10上。所述功能材料为水晶材料、鈀合金、聚乙烯、聚亚酰胺或铂。所述的锯齿板一8和锯齿板二9的两者或两者之一整体由功能材料构成、或变形齿一11和变形齿二12两者或两者之一由功能材料构成、或者变形齿一11和变形齿二12的表面镀覆有功能材料，根据需要待测的物理量的不同，可以选择不同的功能材料。如检测空气中的湿度，可以在变形齿一11和变形齿二12两者或两者之一表面镀覆聚亚酰胺，聚亚酰胺具有吸收水分子的功能，随着空气湿度的变化，聚亚酰胺的体积也在收缩或膨胀，从而在空气湿度变化时改变了变形齿一11和/或变形齿二12的高度，使夹持于凹槽16内的信号光纤6的弯曲曲率变化，导致信号光纤6内部传输的光信号功率的变化，测试单元5检测到该变化并将测试结果传输给处理单元7，处理单元7经过计算得到空气湿度的变化。
由于光纤具有良好的电绝缘性及优异的抗电磁干扰能力，所以本实施例的装置特别适合于高电压相关参数的测试。如检测电压变化，锯齿板一8或锯齿板二9之一选用温度性能和逆压电性能良好的水晶材料，另一锯齿板和基板10采用石英玻璃材料，或者基板一10由水晶材料构成，锯齿板一8和锯齿板二9由石英玻璃构成，优选的做法是锯齿板一8和锯齿板二9均由水晶材料制作，变形齿一11和变形齿二12位于相对面上，且该相对面为水晶材料的Y轴方向，信号光纤6夹持于凹槽16中，待测电压加载于构成变形齿的水晶材料的X轴方向，待测电压变化时，水晶材料的Y轴方向变化，即由水晶材料构成的锯齿板一8和锯齿板二9厚度也随之变化，从而使分部布设于锯齿板一8和锯齿板二9上的变形齿一11和变形齿二12之间的距离变化，使夹持于变形齿一11和变形齿二12之间的信号光纤6的弯曲曲率变化，导致信号光纤6内部传输的光信号功率的变化，测试单元5检测到该变化并将测试结果传输给处理单元7，处理单元7经过计算得到电压变化值。
当然也可以在变形齿一11和变形齿二12表面镀覆两层或两层以上的功能材料来检测需要的物理量。如检测煤矿井下的甲烷气体含量时，在变形齿的表面镀覆体积易变化的高分子材料如聚乙烯作为第一功能材料层，然后再其上再蒸镀一层铂膜作为第二功能材料层，当空气中有甲烷分子时，甲烷在铂膜的催化作用下氧化放热，使作为第一功能材料层的高分子材料层如聚乙烯受热膨胀，从而使分别布设于锯齿板一8和锯齿板二9上的变形齿一11和变形齿二12之间的距离变化，使夹持于变形齿一11和变形齿二12之间的信号光纤6的弯曲曲率变化，导致信号光纤6内部传输的光信号功率的变化，测试单元5检测到该变化并将测试结果传输给处理单元7，处理单元经过计算得到甲烷气体浓度的变化大小。测试单元5可以是光源和光功率计，也可以选用光时域反射技术及相干频率调制连续波技术来实现准分布式或分布式测量，或选择干涉仪进行更高精度的测量。所述的信号光纤6的一端也可以安置有光反射装置，该反射装置可以是光反射镜、光纤光栅或是经过镜面处理的信号的光纤的端面。光反射装置的作用是使信号光纤6内部传输的光信号可以两次通过夹持于A、B两侧的变形齿之间的传感部位，从而使测试精度提高一倍。
所述信号光纤6为外部包有多层保护光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、金属涂覆光纤或聚酰亚胺涂覆光纤。所述信号光纤6也可以是多芯光纤、偏振光纤、双模光纤、细径光纤(如裸光纤外径60或80微米的光纤)、高分子聚合物光纤或光子晶体光纤。
实施例2：
如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于：所述锯齿板一8和锯齿板二9分别通过基板二24和基板三25固定在基板一10上。所述锯齿板一8、锯齿板二9、基板一10、基板二24、基板三25、变形齿一11、变形齿二12和信号光纤6满足以下公式：
α1L1ΔT-α2L2ΔT-α3L3ΔT-α齿(L1齿+L2齿)ΔT-α纤d纤ΔT＝0
其中，α2和α3分别为基板二24和基板三25材料的膨胀系数，α1是基板一10材料的膨胀系数，式中L2、L3分别是基板二24和基板三25的长度，ΔT是变化的温度值，L1是基板一10的长度，α齿为变形齿一11和变形齿二12材料的膨胀系数，L1齿、L2齿分别是变形齿一11和变形齿二12的高度，α纤为信号光纤6的膨胀系数，d纤为信号光纤6的端面直径。
可以看出，锯齿板一、锯齿板二9、基板一10、基板二24、基板三25和信号光纤6的材料的膨胀系数满足上述公式时，本装置就可以在一定的温度变化范围内不受温度变化的影响，即补偿了温度的变化对测试结果的改变。在对测试结果的精度要求不是很高情况下，也可以去掉信号光纤6的相关部分的膨胀系数计算项以降低成本。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
实施例3：
如图4和图5所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：所述变形齿一11以锯齿板一8的中心点为中心向四周发射的方式布置，所述变形齿二12以锯齿板二9的中心点为中心向四周发射的方式布置。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，其特征在于：包括基板一(10)，所述基板一(10)、设置于基板一(10)上的锯齿板一(8)和锯齿板二(9)中至少三者之一或至少三者之一的一部分由功能材料构成，所述锯齿板一(8)上设置有变形齿一(11)，所述锯齿板二(9)上设置有变形齿二(12)，且所述变形齿一(11)和变形齿二(12)相互交错对应，所述锯齿板二(9)上设置有信号光纤(6)，所述信号光纤(6)为多匝环绕形状并夹持于变形齿一(8)和变形齿二(9)之间，所述信号光纤(6)连接有延长光纤(1)，所述延长光纤(1)连接有测试单元(5)，所述测试单元(5)连接有处理单元(7)。
2.根据权利要求1所述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，其特征在于：所述锯齿板一(8)或锯齿板二(9)上有与变形齿一(11)成夹角的凹槽(16)，所述信号光纤(6)安置于凹槽(16)内。
3.根据权利要求1所述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，其特征在于：所述锯齿板一(8)和锯齿板二(9)分别通过基板二(24)和基板三(25)固定在基板一(10)上，且所述基板一(10)、基板二(24)、基板三(25)、变形齿一(11)、变形齿二(12)和信号光纤(6)满足以下公式：
α1L1ΔT-α2L2ΔT-α3L3ΔT-α齿(L1齿+L2齿)ΔT-α纤d纤ΔT＝0
其中，α2和α3分别为基板二(24)和基板三(25)材料的膨胀系数，α1是基板一(10)材料的膨胀系数，式中L2、L3分别是基板二(24)和基板三(25)的长度，ΔT是变化的温度值，L1是基板一(10)的长度，α齿为变形齿一(11)和变形齿二(12)材料的膨胀系数，L1齿、L2齿分别是变形齿一(11)和变形齿二(12)的高度，α纤为信号光纤(6)的膨胀系数，d纤为信号光纤(6)的端面直径。
4.根据权利要求1所述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，其特征在于：所述锯齿板一(8)和锯齿板二(9)均通过胶黏剂粘接、焊接或螺丝连接固定在基板一(10)上。
5.根据权利要求1所述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，其特征在于：所述变形齿一(11)以锯齿板一(8)的中心点为中心向四周发射的方式布置，所述变形齿二(12)以锯齿板二(9)的中心点为中心向四周发射的方式布置。
6.根据权利要求1所述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，其特征在于：所述信号光纤(6)的一端设置有光反射装置。
7.根据权利要求6所述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，其特征在于：所述光反射装置为光反射镜或光纤光栅。
8.根据权利要求1所述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，其特征在于：所述信号光纤(6)的外部包裹有保护光纤。
9.根据权利要求8所述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，其特征在于：所述保护光纤为套光纤、碳涂覆光纤、金属涂覆光纤或聚酰亚胺涂覆光纤。
10.根据权利要求1所述的基于光纤弯曲形变的光纤传感装置，其特征在于：所述功能材料为水晶材料、鈀合金、聚乙烯、聚亚酰胺或铂。
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