CN102538842A - 波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置，包括第一信号光纤、供第一信号光纤穿过的曲线型测试通道和与第一信号光纤相接且对第一信号光纤中的光信号功率变化量进行同步测试的测试单元，所述测试单元与连接有处理单元，所述曲线型测试通道包括由至少两层波纹簧丝构成的曲线型支架，所述曲线型支架的上波纹簧丝一的波浪形凹凸与下波纹簧丝一的波浪形凹凸是交错对应的，且二者的凸头部间形成供一个或多个第一信号光纤穿过的曲线型测试通道，上波纹簧丝一和下波纹簧丝一的波浪形凹凸对应布设在第一信号光纤两侧。本发明其结构简单、设计合理，且加工制作方便，节省了大量的制作时间。

Description

波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测装置，特别涉及一种波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置。

背景技术

现有光纤传感器的种类非常多，主要包括光强度调整型光纤传感器、光纤光栅传感器、光纤干涉传感器等多种类型，后两者的特点是传感灵敏度高，但是实际应用过程中，存在设备复杂、使用运行成本高等缺陷和不足，从而使得光纤传感器的应用推广受到很大限制。尤其是对较高灵敏度的光纤传感器，其会响应使用过程中各种环境条件的改变情形，如光纤干涉传感器，由于其灵敏度很高，但当其应用于实际条件下后，发现温度、气压、振动等环境因素均会对其工作参数造成影响，因而实际使用时，不得不采取多种措施来防止和剔除上述环境因素的影响，从而使得其监测设备的结构越来越趋于复杂，运行使用成本大幅提高。

而光纤微弯传感器是一种光强度调制的传感器，具有成本低、灵敏度高、具有一定的环境抗干扰能力的特点，其实现方案是基于光纤的弯曲或微弯损耗来实现的。通过改变光纤的弯曲程度，从而导致输出光功率的变化。

光功率损耗的原理是：当光纤受到弯曲扰动的时候，将会产生弯曲损耗，主要是微弯损耗和宏弯损耗。两者弯曲损耗均是由于光纤弯曲时导致纤芯中的部分导模耦合至包层引起的，两者损耗可以根据Marcuse的理论公式计算弯曲损耗大小，其公式如下：

P_OUT＝P_INexp(-γS)

其中，P_OUT和P_IN分别为输出和输入光功率，γ是弯曲损耗系数，S为弯曲弧长。可以看出光纤的弯曲损耗系数γ越大，即光纤弯曲半径越小，则损耗越大，但弯曲半径过小会导致光纤寿命大幅度减少，影响衰减器的使用寿命，所以实际应用中光纤的弯曲半径是受限制的；另一方面，在相同的弯曲损耗系数γ下，若增加弯曲弧长S，则可增大衰减，可以通过大幅度增加弯曲弧长S，达到大幅度提高光纤衰减器的动态范围和精度的目的。

中国专利87107210提供的方案是以光纤的微弯损耗为主的来实现微弯光纤应力计，但由于其是通过两块平板来实现的，平板的尺寸不可能太大，使可以弯曲的光纤长度受到限制，妨碍了该类光纤衰减器的动态范围和精度的提高。另外两块板相对运动的可调节距离最大只有数百微米，且运动时两块板须保持基本的平行，所以此类衰减器对调节的机械结构有较高的要求，不仅增加了实施成本，同样也限制了该类光纤衰减器的动态范围和精度的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置。本发明其结构简单、设计合理，且加工制作方便，节省了大量的制作时间。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置，其特征在于：包括第一信号光纤、供第一信号光纤穿过的曲线型测试通道和与第一信号光纤相接且对第一信号光纤中的光信号功率变化量进行同步测试的测试单元，所述测试单元与连接有处理单元，所述曲线型测试通道包括由至少两层波纹簧丝构成的曲线型支架，所述曲线型支架的上波纹簧丝一的波浪形凹凸与下波纹簧丝一的波浪形凹凸是交错对应的，且二者的凸头部间形成供一个或多个第一信号光纤穿过的曲线型测试通道，上波纹簧丝一和下波纹簧丝一的波浪形凹凸对应布设在第一信号光纤两侧。

上述的波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置，所述曲线型支架由多层波纹簧型构成的螺旋状结构。

上述的波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置，所述第一信号光纤的一端设置有光反射装置，且其另一端与1×2光分路器的输入端相接，且所述1×2光分路器的输出端与测试单元相接。

上述的波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置，所述波纹簧丝上安装有限位板。

上述的波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置，所述曲线型支架还包括具有波浪形凹凸的上波纹簧丝二和下波纹簧丝二，且二者是交错对应的，二者的凸头部间形成一个或多个第二信号光纤，第二信号光纤与测试单元连接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、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，通过测试通道和光纤弯曲损耗测试仪器配合使用，实现对较大范围作用力进行实时准确、可靠且快速测试的目的。

3、制作及运行成本低、使用效果好、实用价值高且经济效益显著，在简化现有测试装置结构、减少制作及运行成本的同时，也能减少环境因素对测试结果的影响，因而测试效果准确，简单易行，并且可以同时利用光纤宏弯损耗和微弯损耗进行准确检测。

4、由于曲线型支架呈曲线形，因而在拉伸、压缩或扭转等外应力F作用下整个测试通道两侧的凹凸对被信号光纤进行施力，信号光纤受力而出现弯曲损耗，因而大大增加了产生弯曲光纤的长度，从而提高了测试灵敏度。

5、通过合理选择螺旋状测试通道曲线型支架的直径，则可以将信号光纤的宏弯损耗程度随外应力F的变化而相应改变，从而进一步提高本装置的测试灵敏度，并且简单易行。

6、可以作为光纤可调衰减器使用。

7、当在曲线型支架一端或两端施加外应力F，且使得曲线型支架呈弯曲状态时，通过处理单元根据光纤弯曲损耗测试仪器所检测数据能准确推算得出曲线型支架的整体弯曲半径。

8、对于螺旋状曲线型支架，在每一个近似360°圆周上，由于波纹簧丝的凹凸的周期、凹凸的波幅、凹凸弯曲曲率自曲线形支架的一端至另一端是呈现均匀递增或均匀递减的情形时，则可推出曲线型支架任一位置上外应力F的作用方向。

9、由于曲线型支架整体呈曲线形，在旋转或扭矩力作用下，可根据光纤损耗大小推算出旋转或扭矩力的扭矩大小或扭转角度。

综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，能够同时利用光纤宏弯损耗和微弯曲损耗进行检测，使测试的动态范围更大，从而使测试结果更灵敏和准确。

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的结构示意图。

图2为本发明实施例1中波纹簧俯视结构示意图。

图3为本发明实施例2的结构示意图。

图4为本发明实施例3的结构示意图。

图5为本发明实施例3中波纹簧俯视结构示意图。

图6为本发明实施例4的结构示意图。

图7为本发明实施例5的结构示意图。

图8为本发明实施例5中限位板与信号光纤、波纹簧连接结构示意图。

图9为本发明实施例6的结构示意图。

图10为图9中A-A的剖面结构示意图。

附图标记说明：

1-延长光纤；        4-1-上波纹簧丝一；    4-2-下波纹簧丝一；

4-3-上波纹簧丝二；  4-4-下波纹簧丝二；    5-测试单元；

7-处理单元；        10-曲线型支架；       20-限位板；

25-固定点；         33-第一信号光纤；     35-第二信号光纤；

45-1x2光分路器；    46-光反射装置。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的一种波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置，包括第一信号光纤33、供第一信号光纤33穿过的曲线型测试通道和与第一信号光纤33相接且对第一信号光纤33中的光信号功率变化量进行同步测试的测试单元5，所述测试单元5与连接有处理单元7，所述曲线型测试通道包括由至少两层波纹簧丝构成的曲线型支架10，所述曲线型支架10的上波纹簧丝一4-1的波浪形凹凸与下波纹簧丝一4-2的波浪形凹凸是交错对应的，且二者的凸头部间形成供一个或多个第一信号光纤33穿过的曲线型测试通道，上波纹簧丝一4-1和下波纹簧丝一4-2的波浪形凹凸对应布设在第一信号光纤33两侧。

本实施例中，所述曲线型支架10在作用力F的作用下使上波纹簧丝4-1和下波纹簧丝4-2之间的距离变化，使夹持于两者凸头部间的第一信号光纤33的弯曲曲率变化，从而使第一信号光纤33内传输的光信号的功率变化，测试单元5通过延长光纤1检测到该变化，并将该信号传输给处理单元7，处理单元7经过计算得到作用力F的变化大小。

进一步的扩展是在波纹簧丝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，可以在波纹簧丝表面镀覆聚酰压胺，聚酰压胺具有吸收水分子的功能，随着空气湿度的变化，聚酰压胺的体积也在收缩或膨胀，从而改变了波纹簧丝的凸头部的高度，使夹持于上下波纹簧丝凸头部的第一信号光纤33的弯曲曲率变化，导致第一信号光纤33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。

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：曲线型支架10是由多层波纹簧丝构成，可进一步延长第一信号光纤33的作为传感区域的长度，提高测试灵敏度。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、图5所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于：曲线型支架10由多层波纹簧丝构成螺旋状结构，不仅延长第一信号光纤33的作为传感区域的长度，提高测试灵敏度，并且可以测试其他物理量，如使曲线型支架10整体弯曲后，可以检测整体的弯曲曲率。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4：

如图6所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于：在所述第一信号光纤33的一端设置有光反射装置46且其另一端与1×2光分路器45的输入端相接，且所述1×2光分路器45的输出端于测试单元5相接。所述第一信号光纤33具体通过延长光纤1与测试单元5相接，这样可以使在第一信号光纤33中传输的光信号两次通过使光纤弯曲的曲线型支架10，从而进一步提高传感精度。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5：

如图7、图8所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于：在波纹簧丝上安置有限位板20，其目的是防止外力F超过设定限度时使第一信号光纤33或波纹簧丝的状态超过应用极限而损坏。一种优选的做法是在限位板20上有供第一信号光纤33穿过的通道。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6：

如图9、图10所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于：所述曲线型支架10还包括具有波浪形凹凸的上波纹簧丝二4-3和下波纹簧丝二4-4，且二者是交错对应的，二者的凸头部间形成一个或多个第二信号光纤35，第二信号光纤35与测试单元5连接。波纹簧丝4和波纹簧丝8通过固定点25结合在一起，固定点25可以是焊接点、粘接点或铆接点。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 (5)

1.波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置，其特征在于：包括第一信号光纤(33)、供第一信号光纤(33)穿过的曲线型测试通道和与第一信号光纤(33)相接且对第一信号光纤(33)中的光信号功率变化量进行同步测试的测试单元(5)，所述测试单元(5)与连接有处理单元(7)，所述曲线型测试通道包括由至少两层波纹簧丝构成的曲线型支架(10)，所述曲线型支架(10)的上波纹簧丝一(4-1)的波浪形凹凸与下波纹簧丝一(4-2)的波浪形凹凸是交错对应的，且二者的凸头部间形成供一个或多个第一信号光纤(33)穿过的曲线型测试通道，上波纹簧丝一(4-1)和下波纹簧丝一(4-2)的波浪形凹凸对应布设在第一信号光纤(33)两侧。

2.根据权利要求1所述的波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置，其特征在于：所述曲线型支架(10)由多层波纹簧型构成的螺旋状结构。

3.根据权利要求1所述的波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置，其特征在于：所述第一信号光纤(33)的一端设置有光反射装置(46)，且其另一端与1×2光分路器(45)的输入端相接，且所述1×2光分路器(45)的输出端与测试单元(5)相接。

4.根据权利要求1所述的波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置，其特征在于：所述波纹簧丝上安装有限位板(20)。

5.根据权利要求1所述的波纹簧型光纤弯曲损耗检测装置，其特征在于：所述曲线型支架(10)还包括具有波浪形凹凸的上波纹簧丝二(4-3)和下波纹簧丝二(4-4)，且二者是交错对应的，二者的凸头部间形成一个或多个第二信号光纤(35)，第二信号光纤(35)与测试单元(5)连接。

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