CN104374515B - 一种反射型光纤压力传感器探头中光纤束的布置结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反射型光纤压力传感器探头中光纤束的布置结构，包括入射光纤、接收光纤、填充物和保护套，入射光纤与接收光纤均相互平行设置，入射光纤共一根，所述接收光纤是单根尺寸参数为50±3的多模光纤，接收光纤以入射光纤为中心依次紧密排布组成一圆形的光纤束结构，且入射光纤与接收光纤之间的边界距离为130-140，保护套套在接收光纤所组成光纤束结构的外侧，填充物填充在保护套与接收光纤之间以及接收光纤与入射光纤之间。以解决现有的反射型光纤压力传感器探头中光纤束的结构设计不理想，接收光纤能够耦合反射光的量达不到最优效果，从而使得光纤压力传感器达不到最优化的效果的问题。本发明属于传感器探头领域。

Description

一种反射型光纤压力传感器探头中光纤束的布置结构

技术领域

本发明涉及一种传感器探头光纤束的布置结构，属于光纤压力传感器探头设计领域。

背景技术

压力传感器是一种测量液体或气体压强的传感器，广泛应用于许多领域，是监测与控制中所必备的元件，不仅可以测量压力，还可间接测量流量、流速等。现在市场上拥有多种不同技术原理的压力传感器，常见的有电阻式、电容式、压电式等。随着光通讯技术的发展，光纤传感器逐渐成为相关领域中的热点，由于它灵敏度高、体积小、电绝缘性好、抗电磁干扰能力强、易实现遥测、能很好的适用于一些特殊行业与恶劣环境等优点得到业界广泛认可，反射型光纤压力传感器就是现有压力传感器中使用较为普遍的一种，但现有的反射型光纤压力传感器探头中光纤束的结构设计并不理想，接收光纤能够耦合反射光的量达不到最优效果，从而使得光纤压力传感器达不到最优化的效果。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种反射型光纤压力传感器探头中光纤束的布置结构，以解决现有的反射型光纤压力传感器探头中光纤束的结构设计不理想，接收光纤能够耦合反射光的量达不到最优效果，从而使得光纤压力传感器达不到最优化的效果的问题。

本发明的方案如下：一种反射型光纤压力传感器探头中光纤束的布置结构，包括入射光纤、接收光纤、填充物和保护套，入射光纤与接收光纤均相互平行设置，入射光纤共一根，所述接收光纤是单根尺寸参数为50±3的多模光纤，接收光纤以入射光纤为中心依次紧密排布组成一圆形的光纤束结构，且入射光纤与接收光纤之间的边界距离为130-140，保护套套在接收光纤所组成光纤束结构的外侧，填充物填充在保护套与接收光纤之间以及接收光纤与入射光纤之间。

优选地，所述入射光纤的外部贴紧设置有入射光纤外部保护套，保护入射光纤。

优选地，接收光纤与保护套之间还设置有钢丝，钢丝与接收光纤相互平行，且钢丝也以入射光纤为中心依次排布组成一圆形的钢丝束结构，保护入射光纤和接收光纤，同时增加光纤束结构的抗拉性能。

优选地，所述钢丝束结构的内侧设置有内层保护套。

优选地，入射光纤的尺寸参数为100/140，即芯径100，外径140。

优选地，接收光纤共二十六根，且入射光纤与接收光纤之间的边界距离为135。

本发明与现有技术相比，主要优点是接收光纤选用较小纤芯直径的多模光纤，并且入射光纤与接收光纤的间距，以及接收光纤之间的间距都较小，可保证接收光纤能够耦合更多的反射光（理论依据见具体实施方式），使得反射型光纤压力传感器探头达到最佳探测效果，保证压力探测的精确度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是光纤束分布结构简图；

图3是光纤反射光锥与接收光纤位置关系图；

图4是同轴分布的结构简图；

图5是反射光锥与接收光纤位置关系图；

其中：1是指反射面，2是指出射光斑，3是指反射光锥端面，4是指接收光纤端面，5是指反射光锥端面与RF相切，6是指反射光锥端面与RF相容，7是指反射光锥端面与RF相交；

图6是光纤束结构示意图

其中：（a）为n=9的光纤束结构，n是指接收光纤数量,（b）为n=10的光纤束结构;

图7是不同组合光纤束P—M曲线；

图8是值下限计算图；

图9是值上限计算图；

图10是传感器探头P—M曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照附图对本发明作进一步地详细描述，

实施例：

参照图1，本实施例提供一种反射型光纤压力传感器探头中光纤束的布置结构，包括入射光纤1、接收光纤2、填充物3和保护套4，在传感器探头内，入射光纤1与接收光纤2均相互平行设置，入射光纤1是一根尺寸参数为100/140的光纤结构，接收光纤2共二十六根，接收光纤2是单根尺寸参数为50±3的多模光纤，接收光纤2以入射光纤1为中心依次紧密排布组成一圆形的接收光纤束结构，且入射光纤1与接收光纤2之间的边界距离为135，保护套4套在接收光纤束结构的外侧，填充物3填充在保护套4与接收光纤2之间以及接收光纤2与入射光纤1之间，整体的光纤束结构可称之为同轴型光纤束，其直径优选1mm。

入射光纤1的外部贴紧设置有入射光纤外部保护套5，接收光纤2与保护套4之间设置有钢丝6，钢丝6与接收光纤2相互平行，且钢丝6也以入射光纤1为中心依次排布组成一圆形的钢丝束结构，所述钢丝束结构的内侧设置有内层保护套7。

本实施例采用的光纤束结构是最优的布置结构，其位置及光纤尺寸的选取是基于如下的优化方法所得出：

（1）光纤束的优化设计

如图2所示，光纤束压力传感器的光纤束结构优化中，设计变量有（入射光纤半径）、（接收光纤半径）、（入射光纤与接收光纤之间边界距离）与（两接收光纤之间边界距离的一半）。现在分析优化设计的目标函数及变量的约束条件，在这里优化设计的目标是使接收光纤能够耦合更多的反射光，即其强度调制函数M具有更大的峰值。建模时仍然近似认为多模光纤的出射光场强度分布均匀，经分析不难得出，强度调制函数M出现峰值应该在反射光锥端面边界与接收光纤外边界相切时，如下图3所示（图中TF为入射光纤，RF为接收光纤）。

在光纤探头设计中，很多时候会采用入射光纤与反射面同轴的分布形式，这种分布形式紧凑、规则、易于加工实现。现在利用解析法原理，对这种分布形式的强度调制模型进行分析。如下图4所示，即为输出光纤与反射面同轴分布的结构简图，图中、为边界出射光线，、分别为其发生曲面反射后的光线（图中、、、虽然没有明确写出，但对本领域技术人员来说，A、B、C、D、E、F这些点已在图中明确标出，、、、也就是显而易见的了）,而反射光光锥EF端面与接收光纤端面之间的位置关系如图5所示。

对上述分布结构进行解析法建模，可得到如下（1-1）所示的数学模型，对该数学模型进行计算，即可得到输出光纤与反射面同轴分布时的P-M曲线，分析出此时接受光强度随着外界压力不同而发生变化的趋势，并与光纤对称分布结构进行对比。

（1-1）

式中：为光纤的半径（这里认为两光纤半径相等，即，r_R为入射光纤半径_，r_T为出射光纤半径），0、1、为两光纤端面中心距，光纤数值孔径为NA，光纤与膜片的初始距离为，为膜片半径，（m，n）为一条边界入射光线与膜片交点的坐标值，k3为该条边界入射光线与膜片发生反射后的反射光线斜率。

式中的、分别为，；x1为反射光锥在接收光纤端面处的截面半径；x2为反射光锥在接收光纤端面处的截面圆心与接收光纤边缘之距离。（见图：反射光锥与接收光纤位置），其中又分别为

（1-2）

（1-3）

（1-4）

式中A称为弹性膜片的形变系数，，E为弹性膜片的弹性模量，为弹性膜片厚度，为泊松比，P为压力。

由于入射光纤直接选定为半径50的多模光纤，所以优化设计数学模型的标准形式为：

设计变量为：

目标函数：

（1-5）

上述建立的光纤束优化数学模型为具有约束的非线性规划问题，本发明将采用约束随机方向搜索法对其进行求解。

利用计算机对（1-5）式的数学模型进行了计算，得到使目标函数取得最小值时，设计变量的取值大小：

根据前述的优化结果可知，参数与最小值取0时，传感器的强度调制函数M值最大，但是不难计算出，当入射光纤（直径100）与接收光纤（直径50）的间距取0时，，那么此时入射光纤外环形分布的接收光纤根数就为（这里表示不超过的最大整数），这就说明当=0时，某两根接收光纤之间会存在间距。而接收光纤能够紧密排列，其间距=0，此时接收光纤最少可取10根，此时。下表1-1为不同接收光纤数时对应的尺寸情况。

表1—1不同接收光纤数对应尺寸

计算出表1—1中9、10、11、12时各种组合的强度调制函数曲线为下图5所示。

在图6中不难看出当接收光纤数分别为9、10、11、12时，其强度调制P—M曲线的最大值依次减小，即当9时具有最大的强度调制函数峰值，而当12时，是这几种组合形式中强度调制函数峰值最小的组合。这与本章前述的光纤束优化设计结果相吻合，证明了当接收光纤与入射光纤的间距越小，排列越紧密时，传感器的输出信号强度会越大。那么根据上述理论分析可以得出：在同轴型光纤束设计时，为了得到更强的输出反射光信号，并不是接收光纤的数量越多其接收到的光强度就越大，而是应该尽量减小入射光纤与接收光纤之间的距离，同时使接收光纤之间紧密排列，在此基础上再设置合理的接收光纤根数，这样不但可以增大接收光纤输出光强度，还能有利于光纤束的尺寸设计，从而使得光纤束的性价比更加优越。

根据上述的优化设计计算结果，可以看出在光纤束设计时，要使传感器的强度调制函数M值越大，那么接收光纤应该选用较小纤芯直径的多模光纤，并且入射光纤与接收光纤的间距，以及接收光纤之间的间距2要越小。所以本发明选用典型尺寸参数最小（50±3）的多模光纤作为接收光纤，同时设计中使入射光纤与接收光纤的间距，以及接收光纤之间的间距2越小。

（2）光纤束结构确定

本发明传感器的设计中，为了得到较好的线性度与灵敏度，把强度调制函数曲线的后坡曲线设计为传感器的工作曲线。

依据依据光纤强度调制理论，需要传感器工作在后坡曲线，那么传感器在没有工作的状态下，经过平面反射膜片的反射光到达光纤束端面的光斑直径应该满足不等式：

（1-6）

同时考虑到增大传感器的灵敏度，就应该使值尽量接近。同时考虑到传感器的封装、后期调节与检测输出信号的强弱，把传感器的（光纤束端面与弹性膜片之间的调定距离）值设定为0.5mm，如下图6、7所示（为入射光纤的出射角），根据值即可求出值的大小。

所以，要求设计的传感器工作在线性度较好的后坡曲线上，那么值的取值范围应该为：

（1-7）

综合上述各方面的分析结论，当调定距离为0.5mm时，选择接收光纤数量为26，传感器可以获得最优的灵敏度和较好的线性度。而在实际设计中，可把值圆整为135（设计中圆整时值必须大于计算值），这是因为适当增加值，能使传感器工作区域的线性度更优。如下图10所示即为该光纤束结构下的传感器调制函数曲线：

上图10中上方的实线为取132，下方的虚线为取135，不难看出当时，传感器工作区域的线性度要优于取132时；同时时，其M函数的峰值要小于取132时，因此的取值也不宜过大。

通过上述优化设计，最终确定了前文所述的传感器优化结构。

Claims (4)

1.一种反射型光纤压力传感器探头中光纤束的布置结构，包括入射光纤（1）和接收光纤（2），入射光纤（1）与接收光纤（2）均相互平行设置，入射光纤（1）共一根，其特征在于：所述接收光纤（2）是单根尺寸参数为50±3的多模光纤，接收光纤（2）以入射光纤（1）为中心依次紧密排布组成一圆形的光纤束结构，且入射光纤（1）与接收光纤（2）之间的边界距离为130-140，还包括填充物（3）和保护套（4），保护套（4）套在接收光纤（2）所组成光纤束结构的外侧，填充物（3）填充在保护套（4）与接收光纤（2）之间以及接收光纤（2）与入射光纤（1）之间，所述入射光纤（1）的外部贴紧设置有入射光纤外部保护套（5）。

2.根据权利要求1所述一种反射型光纤压力传感器探头中光纤束的布置结构，其特征在于：接收光纤（2）与保护套（4）之间还设置有钢丝（6），钢丝（6）与接收光纤（2）相互平行，且钢丝（6）也以入射光纤（1）为中心依次排布组成一圆形的钢丝束结构。

3.根据权利要求2所述一种反射型光纤压力传感器探头中光纤束的布置结构，其特征在于：所述钢丝束结构的内侧设置有内层保护套（7）。

4.根据权利要求1所述一种反射型光纤压力传感器探头中光纤束的布置结构，其特征在于：接收光纤（2）共二十六根，且入射光纤（1）与接收光纤（2）之间的边界距离为135。