CN104833398B - 一种位移‑温度同测光纤传感器 - Google Patents

Abstract

一种位移‑温度同测光纤传感器，属于光纤传感技术领域。包括干涉腔体、荧光材料体、毛细玻璃管、发射光纤、接收光纤、荧光激励光源和光源驱动电路；毛细玻璃管设有发射孔和接收孔，发射光纤和接收光纤分别设于毛细玻璃管的发射孔和接收孔中并露出下端，荧光材料体粘结于发射光纤的上端面，荧光激励光源设于发射光纤下方且对准发射光纤，光源驱动电路与荧光激励光源电连接，荧光材料体粘结于发射光纤的上端面，干涉腔体下端面与毛细玻璃管上端面对准并粘结为一体，干涉腔体的干涉腔内表面设有光反射膜。可同时实现位移和温度的精确测量，稳定性好，灵敏度高；可解决传统的单参数光纤传感器中各参数交叉敏感和多传感器部署数量多、不紧凑的问题。

Description

一种位移-温度同测光纤传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及光纤传感器，尤其是涉及基于F-P干涉和荧光寿命机理的一种位移-温度同测光纤传感器。

背景技术

传统的单参数测量光纤传感器主要是指对应变、位移、温度、折射率、加速度、振动等单一参数的测量，多参数测量技术则包括对两个或者两个以上此类参数的测量。多参数之间的交叉敏感性一直是个不容忽视的重要问题，严重影响传感器的测量精度，研究多参数同时测量的光纤传感器具有极大的科研价值与现实意义。

此外，为了实现系统的小型化、集成化和低成本化，某些特定工程应用场合要求对温度、位移、应变等参数同时实现准确的测量，以减少传感器器件的部署数量并降低系统复杂程度。因而，多参数光纤传感器的研究在光纤传感领域显得尤为重要。

公开号为CN104236602A的中国专利申请公开了一种全光纤传感器，其为实现温度和湿度同时测量，将输入单模光纤与光敏光纤的一端通过错位熔接的方式进行连接，以输入单模光纤和光敏光纤的错位熔接构成全光纤迈克尔逊模间干涉仪作为第一个传感探头，在光敏光纤的纤芯中写入光纤布拉格光栅构成第二个传感探头，通过两个传感探头对温度和湿度不同的灵敏度实现温度和湿度的同时测量。

但现有技术中还没有使用荧光实现位移和温度双参数同时测量的光纤传感器，在位移传感器中，光纤法布里-珀罗(F-P)位移传感器由于分辨率高、抗干扰能力强等优点，已成为目前最有前景的位移传感器之一。基于荧光寿命机理制作的温度传感器不受光源、探测器老化以及光纤弯曲的影响，是科学研究与生产中温度测量的最主要方法之一。

发明内容

本发明的目的在于提供可同时实现位移和温度的精确测量，稳定性好，灵敏度高；可解决传统的单参数光纤传感器中各参数交叉敏感和多传感器部署数量多、不紧凑的问题，尤其是位移传感器在测量过程中，温度对测量精度影响的一种位移-温度同测光纤传感器。

本发明采用如下技术方案：

一种位移-温度同测光纤传感器，包括干涉腔体、荧光材料体、毛细玻璃管、发射光纤、接收光纤、荧光激励光源和光源驱动电路；

毛细玻璃管设有发射孔和接收孔，发射光纤和接收光纤分别设于毛细玻璃管的发射孔和接收孔中并露出下端，荧光材料体粘结于发射光纤的上端面，荧光激励光源设于发射光纤下方且对准发射光纤，光源驱动电路与荧光激励光源电连接，荧光材料体粘结于发射光纤的上端面，干涉腔体下端面与毛细玻璃管上端面对准并粘结为一体，干涉腔体的干涉腔内表面设有光反射膜，形成低相干干涉。

由于设有荧光材料，入射光作为激发光通过发射光纤传输至荧光材料，激励荧光物质产生荧光。该荧光的荧光寿命作为温度的测量方式，同时，荧光通过干涉腔，形成低相干干涉，此信号作为干涉腔腔长位移的测量方式。

与现有技术比较，本发明具有如下优点：

1、本发明将两个不同结构的传感探头集成于一体，实现了真正意义上位移和温度的同时测量，其传感探头尺寸小，成本低，便于安装。

2、使用脉冲调制光入射，既满足荧光寿命测量原理，又延长了光源使用寿命。

3、出射光既包含了荧光寿命信息，又包含了干涉腔的低相干信息，两种信息完全独立。

4、测量不受入射光光强或频率变化的影响，可使用激光作为入射光，极大增强了入射光光强耦合效率。

5、入射光纤可以是单模或多模光纤，因此与现有的光纤通信系统兼容性较好。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。在图1中，各标记为：1-干涉腔体；2-荧光材料体；3-双孔毛细玻璃管；4-发射光纤；5-接收光纤；6-荧光激励光源；7-光源驱动电路。

具体实施方式

如图1所示，本实施例所述位移-温度同测光纤传感器，包括干涉腔体1、荧光材料体2、双孔毛细玻璃管3(也可为多孔)、发射光纤4、接收光纤5、荧光激励光源6和光源驱动电路7。

双孔毛细玻璃管3设有发射孔和接收孔，发射光纤4和接收光纤5分别设于双孔毛细玻璃管3的发射孔和接收孔中并露出，双孔毛细玻璃管3设有发射孔和接收孔用于发射光纤4与接收光纤5的对准夹持。安装时，发射光纤4和接收光纤5经剥线钳剥掉纤皮，用光纤切割刀将光纤的端面切割平整后，分别插入双孔毛细玻璃管3的发射孔和接收孔中，并使用光纤研磨抛光机对光纤进行研磨抛光。荧光材料体2粘结于发射光纤4的上端面，荧光激励光源6设于发射光纤4下方且对准发射光纤4，光源驱动电路7与荧光激励光源6电连接。荧光材料体2被激发出的荧光寿命与温度相关性高，荧光材料体2的材料选用Y₂O₂S:Eu、Sr₃SiO₅:Eu₂、灯用红粉或其它荧光物质，制作时，荧光材料2与环氧胶混合均匀后，粘结于发射光纤4的上端面表面。干涉腔体1下端面与双孔毛细玻璃管3上端面对准并粘结在一起。干涉腔体1的干涉腔内表面设有光反射膜。光反射膜可采用化学气相沉积的方法沉积。

本实施例测量原理：

光源驱动电路7与荧光激励光源6相连，产生周期性脉冲来驱动荧光激励光源6,使荧光激励光源6产生相应的脉冲激励光波。荧光激励光源6发出的周期性脉冲激励光波经过发射光纤4照射到荧光材料体2上，激发荧光材料体2发出荧光，荧光在干涉腔体1的上下表面来回反射，形成多光束干涉，部分光束反射进入接收光纤5。

接收光纤5的出射光是经干涉腔体1调制的荧光信号，该荧光信号包含荧光光强信息和干涉腔体1调制干涉信息，其中荧光光强信息与温度相关，通过微弱信号提取算法可以实现温度测量；干涉腔体1调制干涉信息与位移相关，通过白光干涉解调可以实现位移测量。

另外，由位移ω和压力F的关系式(D是干涉腔的弯曲刚度，k是比例系数，a是干涉腔的半径，r是待测点距干涉腔中心的距离)，可以解调出压力F，据此原理又可制成压力-温度同测光纤传感器；由力F与加速度a的关系式F＝ma(m是运动物体的质量)，可以解调出加速度a，据此原理又可制成加速度-温度同测光纤传感器；由弹簧简谐振动频率f和位移ω的关系式(m是运动物体的质量，F是物体所受的力)，可以解调出振动频率f，据此原理又可制成振动-温度同测光纤传感器。

Claims (2)

1.一种位移-温度同测光纤传感器，其特征在于，包括干涉腔体、荧光材料体、毛细玻璃管、发射光纤、接收光纤、荧光激励光源和光源驱动电路；

毛细玻璃管设有发射孔和接收孔，发射光纤和接收光纤分别设于毛细玻璃管的发射孔和接收孔中并露出下端，荧光材料体粘结于发射光纤的上端面，荧光激励光源设于发射光纤下方且对准发射光纤，光源驱动电路与荧光激励光源电连接，荧光材料体粘结于发射光纤的上端面，干涉腔体下端面与毛细玻璃管上端面对准并粘结为一体，干涉腔体的干涉腔内表面设有光反射膜，形成低相干干涉。

2.如权利要求1所述一种位移-温度同测光纤传感器，其特征在于，所述毛细玻璃管为双孔毛细玻璃管或多孔毛细玻璃管。