CN102607432B - 光纤位移传感器及其构成的强度调制型传感器系统以及系统的应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤位移传感器，包括固定光纤，与固定光纤相对应的移动光纤，且该固定光纤和移动光纤均由包层和嵌于包层内部的纤芯组成，所述固定光纤和移动光纤之间设有隔光板，该隔光板上设置有用于使光源从固定光纤的纤芯透射入移动光纤的纤芯的透光孔；及由光纤位移传感器构成的强度调制型光纤位移传感器系统及系统的应用方法。本发明解决了现有技术中存在的强度调制型光纤位移传感器的测量精确度、灵敏度低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤位移传感器，具体地说，是涉及一种光纤位移传感器及基于该光纤位移传感器的强度调制型传感器系统以及系统的应用方法。
背景技术
强度调制型光纤位移传感器是目前应用最广泛的一种光纤位移传感器，其工作原理是，利用被测量的扰动改变光纤中光信号的强度，通过测量输出光强的变化规律实现对被测量的测量，由于环境参数变化扰动与光强损耗存在较好的线性关系，强度调制型光纤位移传感器的性能比较稳定，灵敏度和测量精确度都比较高。
根据光信号的不同传输方式，强度调制型光纤位移传感器可分为透射式、反射式和光纤弯曲式等，但是，由于强度调制型光纤位移传感器的理论模型还不够系统化，且传感器的测量结果取决于射入光强的变化特性、传感光纤的耦合损耗、传输损耗、光电器件的耦合损耗等综合因素，外加传统强度调制型光纤位移传感器是通过两个被测量的差值得出测量结果的，因此测量精确度有限且分辨率很难达到0.1nm量级。
光纤位移传感器是强度调制型光纤位移传感器的典型代表，对于多模透射式光纤位移传感器，其耦合系数与轴间距的关系为：
（1）
其中，N是光纤纤芯折射率与包层折射率的比值，r是光纤纤芯半径，x是轴间距。
根据公式（1）计算，多模透射式光纤位移传感器的耦合系数与轴间距具有较好的线性关系，如图5所示。
通过计算可以得知，在射入光强度为0dBm、多模纤芯半径r＝1×10-4m的情况下，当耦合系数达到-80dB量级时，即位移x与纤芯半径r之比接近1.9999时，输出光强已达到pW量级的变化量，我们称x/r大于1.9999并小于2的取值区间为传统强度调制型光纤位移传感器的不敏感区域或传感极限值区域。由于传感器的结构、工作方式和检测方法的局限性，在该传感极限值区域内，传统的光纤位移传感器已不敏感或接近传感的极限值，因此，在该不敏感区域或传感极限值区域内，传统的强度调制型光纤位移传感器基本无法使用或者处于量程之外。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤位移传感器及其构成的强度调制型传感器系统以及系统的应用方法，解决现有技术中存在的传统强度调制型光纤位移传感器在不敏感区域内基本无法使用的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
光纤位移传感器，包括固定光纤，与固定光纤相对应的移动光纤，且该固定光纤和移动光纤均由包层和嵌于包层内部的纤芯组成，所述固定光纤和移动光纤之间设有隔光板，该隔光板上设置有用于使光源从固定光纤的纤芯透射入移动光纤的纤芯的透光孔。
具体地说，所述隔光板为两块，且分别设置于固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上。
进一步地，所述固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上分别设置有透镜，而两块隔光板则分别设置于两块透镜上相邻的两个横截面上。
以上述光纤位移传感器为基础，本发明提供了以下一种强度调制型传感器系统：
方案一
由光纤位移传感器构成的强度调制型传感器系统，包括光源、系统控制和信息处理模块，还包括与光源相对应的光纤位移传感器，位于该光纤位移传感器与光源之间的隔离器，以及与该光纤位移传感器相连的光子计数器或pW功率计，该光子计数器或pW功率计的输出端与所述系统控制和信息处理模块相连。
方案二
由光纤位移传感器构成的强度调制型传感器系统，包括光源、系统控制和信息处理模块，还包括与光源相对应的光纤位移传感器，位于该光纤位移传感器与光源之间的隔离器，以及设置于该光纤位移传感器的输出端用于将输出光源分为两束的分束器，该分束器的输出端分别通过pW功率计和光子计数器与系统控制和信息处理模块相连。
以上述硬件系统为基础，本发明提供了一种由光纤位移传感器构成的强度调制型传感器系统的应用方法，包括以下步骤：
（1）设置固定光纤及与其对应的移动光纤；
（2）在固定光纤与移动光纤之间设置使二者无光源传输通道的带有透光孔的隔光板；
（3）移动移动光纤，使固定光纤的纤芯、移动光纤的纤芯和隔光板上的透光孔形成光源传输的极限区域；
（4）光源通过隔离器后，从所述光源传输的极限区域穿过，输出光信号；
（5）使用高精度测量仪器对该光信号的大小进行直接测量，之后由系统控制和信息处理模块对测量结果进行处理，得出移动光纤的位移量。
在上述应用方法中，所述步骤（2）中隔光板为两块，且分别设置于固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上,固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上分别设置有透镜，而两块隔光板则分别设置于两块透镜上相邻的两个横截面上。
在上述应用方法中，所述步骤（4）中输入光信号与输出光信号的光强差大于65dB，且输出光信号为光强小于100pW，而步骤（5）中高精度测量仪器为分辨率不低于1pW的功率计或/和单光子计数器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1. 本发明通过在传感器上设置带透光孔的隔光板，有效地减小环境干扰，实现了强光射入传感器、弱光输出传感器的变换，同时结合极高精度测量仪器，如光子计数器、pW功率计等设备有效地实现了对极微弱光的极高精确测量，即在传统强度调制型光纤位移传感器的不敏感区域或传感极限值区域内实现了极高精度测量，该方法的优点在于，在没有位移发生时就没有光通过传感器，而只要发生任意小的位移都将导致一定的光通过移动光纤并被高分辨率的测量系统测量出来，从而以一种新颖的方式极大地提高了传感器的灵敏度和测量精度。
2. 本发明利用极微小位移变化与进入传感光纤的极弱光强度的线性关系，通过直接测量感应光的光功率或单光子数量水平实现对极微小位移的极高精确测量，即可以达到1×10-4nm～1×10-7nm的测量精度。本发明主要用于超高精度位移、压力、温度、振动、辐射等传感测量，可以用于生物医疗、工业制造、航空航天、核辐射监测和海洋探测等需要极高测量精度的传感领域。本发明突破了传统光纤位移传感器的测量精度极限值并可以到达1×10-7nm的测量精度，是光纤位移传感器设计与应用的一个重大革新，具有非常重要的标志意义并将对微纳米技术、精密测量技术等产生重要影响。
3. 本发明中基于同一个原理提供了多种基于光纤位移传感器的系统方案，传感光源、隔离器、光纤位移传感器、光子计数器、pW功率计、系统控制和信息处理模块通过不同的组合方式，实现了不同精度的弱光测量；同时，隔离器的设置有效地防止了被隔光板反射的光返回到光源处，以至于对光源产生不利影响，从而保证了整个系统的正常工作。
4. 与传统的强度调制型光纤位移传感器通过计算被测量的变化量得出测量结果相比，本发明可以通过高精度测量仪器，如光子计数器，pW功率计等，直接测量出被测量的测量值，该测量方式使得本发明能够有效避免被测量的相对变化量太小难以测量的问题，达到准确测出极小位移变化下的位移量的目的，进而使测量方式更为简洁、测量结果更为精确。
5.本发明配合传统的强度调制型光纤位移传感器可以实现光源的全方位高精度测量，从而为实际应用提供更佳的应用基础，具有非常广泛的应用前景和很高的实用价值。
6.本发明从根本上改变了传统光纤位移传感器的测量方式，从而解决了传统光纤位移传感器无法解决的难题，即：传统强度调制型光纤位移传感器在不敏感区域或传感极限值区域难以进行测量，因此，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步，并且具有很高的实用价值。
附图说明
图1为本发明-实施例中光纤位移传感器的原理图一。
图2为本发明-实施例中光纤位移传感器的原理图二。
图3为本发明-实施例中由光纤位移传感器构成的系统方案一。
图4为本发明-实施例中由光纤位移传感器构成的系统方案二。
图5为传统的强度调制型光纤位移传感器测量时位移与耦合系数的关系图。
图6为本发明-实施例中极限值区域内位移与耦合系数的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例1
如图1所示，透射式强度调制型光纤位移传感器，包括固定光纤，与固定光纤相对应的移动光纤，且该固定光纤和移动光纤均由包层和嵌于包层内部的纤芯组成，所述固定光纤和移动光纤之间设有隔光板，该隔光板上设置有用于使光源从固定光纤的纤芯透射入移动光纤的纤芯的透光孔，所述隔光板为两块，且分别设置于固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上。
以图1所示的透射式强度调制型光纤位移传感器，来构成如图3所示的基于透射式强度调制型光纤位移传感器的传感器系统，其系统构架包括：光源、系统控制和信息处理模块，与光源相对应的光纤位移传感器，位于光纤位移传感器与光源之间的隔离器，以及与该光纤位移传感器相连的光子计数器或pW功率计，该光子计数器或pW功率计的输出端与系统控制和信息处理模块相连。
实施例2
如图1所示，透射式强度调制型光纤位移传感器，包括固定光纤，与固定光纤相对应的移动光纤，且该固定光纤和移动光纤均由包层和嵌于包层内部的纤芯组成，所述固定光纤和移动光纤之间设有隔光板，该隔光板上设置有用于使光源从固定光纤的纤芯透射入移动光纤的纤芯的透光孔，所述隔光板为两块，且分别设置于固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上。
以图1所示的透射式强度调制型光纤位移传感器，来构成如图4所示的基于透射式强度调制型光纤位移传感器的传感器系统，其系统构架包括：光源、系统控制和信息处理模块，与光源相对应的光纤位移传感器，位于光纤位移传感器与光源之间的隔离器，以及设置在该光纤位移传感器的输出端用于将输出光源分为两束的分束器，该分束器的输出端分别通过pW功率计和光子计数器与系统控制和信息处理模块相连。
实施例3
如图2所示，与轴向垂直移动式光纤位移传感器，包括固定光纤，与固定光纤相对应的移动光纤，且该固定光纤和移动光纤均由包层和嵌于包层内部的纤芯组成，所述固定光纤和移动光纤之间设有隔光板，该隔光板上设置有用于使光源从固定光纤的纤芯透射入移动光纤的纤芯的透光孔，所述固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上分别设置有透镜，此时两块隔光板则分别设置于两块透镜上相邻的两个横截面上。
以图2所示的与轴向垂直移动式光纤位移传感器，来构成如图3所示的基于与轴向垂直移动式光纤位移传感器的传感器系统，其系统构架包括：光源、系统控制和信息处理模块，与光源相对应的光纤位移传感器，位于光纤位移传感器与光源之间的隔离器，以及与该光纤位移传感器相连的光子计数器或pW功率计，该光子计数器或pW功率计的输出端与系统控制和信息处理模块相连。
实施例4
如图2所示，与轴向垂直移动式光纤位移传感器，包括固定光纤，与固定光纤相对应的移动光纤，且该固定光纤和移动光纤均由包层和嵌于包层内部的纤芯组成，所述固定光纤和移动光纤之间设有隔光板，该隔光板上设置有用于使光源从固定光纤的纤芯透射入移动光纤的纤芯的透光孔，所述固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上分别设置有透镜，此时两块隔光板则分别设置于两块透镜上相邻的两个横截面上。
以图2所示的与轴向垂直移动式光纤位移传感器，来构成如图4所示的基于与轴向垂直移动式光纤位移传感器的传感器系统，其系统构架包括：光源、系统控制和信息处理模块，与光源相对应的光纤位移传感器，位于光纤位移传感器与光源之间的隔离器，以及设置在该光纤位移传感器的输出端用于将输出光源分为两束的分束器，该分束器的输出端分别通过pW功率计和光子计数器与系统控制和信息处理模块相连。
上述各种由光纤位移传感器构成的传感器系统的应用方法，包括以下步骤：（1）设置固定光纤及与其对应的移动光纤；（2）在固定光纤与移动光纤之间设置使二者无光源传输通道的带有透光孔的隔光板；（3）移动移动光纤，使固定光纤的纤芯、移动光纤的纤芯和隔光板上的透光孔形成光源传输的极限区域；（4）光源通过隔离器后，从所述光源传输的极限区域穿过，输出光信号；（5）使用高精度测量仪器对该光信号的大小进行直接测量，之后由系统控制和信息处理模块对测量结果进行处理，得出移动光纤的位移量。
在上述应用方法中，所述步骤（2）中隔光板为两块，且分别设置于固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上,固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上分别设置有透镜，而两块隔光板则分别设置于两块透镜上相邻的两个横截面上。
在上述应用方法中，所述步骤（4）中输入光信号与输出光信号的光强差大于65dB，且输出光信号为光强小于100pW；而所述步骤（5）中高精度测量仪器为分辨率不低于1pW的功率计或/和单光子计数器。该高精度测量仪器通过直接测量得出输出光信号的光功率或单光子数量水平，然后利用系统信息和处理模块对该测量结果进行处理即可获取移动光纤的位移量。
本发明中，除光纤位移传感器之外的其他各电子元件或硬件模块均为现有技术，本发明并未对其进行改进，因此，对相应的现有技术在此不再赘述。
如图5、6所示，公式（1）中，在x/r大于1.9999并小于2的取值区间内的光信号，对高精度测量仪器，如pW量级分辨率的功率计及具有更高分辨率的光子计数器来说依然是一个较强的光信号，能够被它们准确地测量出来，且，通过计算表明，这个区域具有更高的自由度，可以用来提高传感器的分辨率和测量精度。该计算过程如下：
根据公式（1）计算，当比值x/r从0.1增加到1时，输出光强损耗小于0.4dB；当比值x/r从0.001增加到0.01时，光强损耗小于0.025dB，自由度比较小。而当比值x/r从1.9999增加到1.99999999时，光强损耗约为60dB，相当于位移在10-4r到10-8r之间，每一个数量级上有15dB的自由度，因此在传统强度调制型光纤位移传感器的不敏感区域，对于具有pW量级分辨率的功率计或光子计数器来说反而具有更高的自由度，从而可以得到更高的分辨率和精确度。从图6可以看出，当x/r从1.99999增加到1.999999时，耦合系数相差约15个dB，位移与耦合系数具有更好的线性关系，可以通过直接测量微弱传感光信号的光功率或光子数量水平对微弱环境干扰如位移、温度、压力、辐射等进行直接测量。从上述计算结果可以得知，在该传统光纤位移传感器的不敏感区域内，对本发明的光纤位移传感器来说是进行高精度测量的理想区域，在这个区域进行测量具有更高的灵敏度和分辨率，可以得到极高的精确度。
如图1所示的高精度的透射式光纤位移传感器的工作原理是：当耦合系数为-140dB时，位移量为10-9r；当耦合系数为-125dB时，位移量为10-8r；当耦合系数为-110dB时，位移量为10-7r； 当耦合系数为-95dB时，位移量为10-6r； 当耦合系数为-80dB时，位移量为10-5r；当耦合系数为-65dB时，位移量为10-4r。例如：对于r＝1×10-4m的多模光纤位移传感器，当传感光纤位移从0.001nm变化到0.01nm时，即轴间距从1.99999999r移动到1.9999999r，其耦合系数相差约15dB，即一个数量级的位移具有大约15dB的自由度，因此灵敏度更高，由于此时的耦合系数小于-110dB，它对于传统的传感器和检测器来说是一个不可分辨的光强波动，而对于具有1 pW至0.0001 pW量级分辨率的pW功率计或光子计数器来说依然是一个较强的光信号，并且只要有任何一点位移，就会导致光子射入传感光纤，进而被光子计数器测量出来，可以根据光子数的多少判别这种微小位移量的大小。
为了提高传感器的智能化水平，对于大于10-6r的位移量可以利用高分辨率pW功率计进行直接测量，对于小于10-6r的位移量可以采用光子计数器进行直接测量。
以上具体数值是理论计算值，没有考虑实际传感器的硬件系统参数影响，与实际系统的实测值有一定的误差。
以上设计方案只工作在传统强度调制型光纤位移传感器的不敏感区域。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。
Claims (9)
1.光纤位移传感器，包括固定光纤，与固定光纤相对应的移动光纤，且该固定光纤和移动光纤均由包层和嵌于包层内部的纤芯组成，其特征在于，所述固定光纤和移动光纤之间设有隔光板，该隔光板上设置有用于使光源从固定光纤的纤芯透射入移动光纤的纤芯的透光孔；所述隔光板为两块，且分别设置于固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上。
2. 根据权利要求1所述的光纤位移传感器，其特征在于，所述固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上分别设置有透镜，而两块隔光板则分别设置于两块透镜上相邻的两个横截面上。
3.由权利要求1或2所述的光纤位移传感器构成的强度调制型传感器系统，包括光源、系统控制和信息处理模块，其特征在于，还包括与光源相对应的所述光纤位移传感器，位于该光纤位移传感器与光源之间的隔离器，以及与该光纤位移传感器相连的光子计数器或pW功率计，该光子计数器或pW功率计的输出端与所述系统控制和信息处理模块相连。
4. 由权利要求1或2所述的光纤位移传感器构成的强度调制型传感器系统，包括光源、系统控制和信息处理模块，其特征在于，还包括与光源相对应的所述光纤位移传感器，位于该光纤位移传感器与光源之间的隔离器，以及设置于该光纤位移传感器的输出端用于将输出光源分为两束的分束器，该分束器的输出端分别通过pW功率计和光子计数器与系统控制和信息处理模块相连。
5.由光纤位移传感器构成的强度调制型传感器系统的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）设置固定光纤及与其对应的移动光纤；
（2）在固定光纤与移动光纤之间设置使二者无光源传输通道的带有透光孔的隔光板；
（3）移动移动光纤，使固定光纤的纤芯、移动光纤的纤芯和隔光板上的透光孔形成光源传输的极限区域；
（4）光源通过隔离器后，从所述光源传输的极限区域穿过，输出光信号；
（5）使用高精度测量仪器对该光信号的大小进行直接测量，之后由系统控制和信息处理模块对测量结果进行处理，得出移动光纤的位移量。
6.根据权利要求5所述的由光纤位移传感器构成的强度调制型传感器系统的应用方法，其特征在于，所述步骤（2）中隔光板为两块，且分别设置于固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上。
7. 根据权利要求6所述的由光纤位移传感器构成的强度调制型传感器系统的应用方法，其特征在于，所述步骤（2）中固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上分别设置有透镜，而两块隔光板则分别设置于两块透镜上相邻的两个横截面上。
8.根据权利要求7所述的由光纤位移传感器构成的强度调制型传感器系统的应用方法，其特征在于，所述步骤（4）中输入光信号与输出光信号的光强差大于65dB，且输出光信号为光强小于100pW。
9.根据权利要求8所述的由光纤位移传感器构成的强度调制型传感器系统的应用方法，其特征在于，所述步骤（5）中高精度测量仪器为分辨率不低于1pW的功率计或/和单光子计数器。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20141203 Termination date: 20160406 |