CN105180815A - 自参考的基于强度的聚合物光纤位移传感器 - Google Patents
自参考的基于强度的聚合物光纤位移传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种自参考且可调的聚合物光纤位移传感器，其包括分光器、至少一个传感元件和自参考元件，其中，所述传感元件和所述自参考元件均包括一对光纤以及各对光纤之间的接收组件。传感元件中的一个接收组件以及第二光纤可以沿着同一轴位移并且相对于彼此位移，而自参考元件的另一接收组件和第二光纤是不可位移的。自参考元件结合到本发明的传感器中能够监测和测量结构的裂纹尺寸和整体强度，而不会受到其他环境或外部因素的影响。
Description
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2014年6月19日提交的系列号为61/998,126的美国临时专利申请的优先权，通过引用将其公开内容整体并入本文中。
技术领域
本发明涉及用于测量和监测结构的裂纹尺寸的结合了自参考元件的聚合物光纤位移传感器。本发明还涉及利用结合有自参考元件的聚合物光纤位移传感器来确定结构的裂纹尺寸以消除由于裂纹引起的位移之外的其他环境或外部因素的方法。
背景技术
利用光纤的光学位移传感器具有多种优势，例如质量轻、尺寸小、多路复用并且免于电磁干扰。后一种性质是尤其令人感兴趣的，因此其允许应用到诸如具有高压电缆的基础设施的危险环境中。小尺寸也同样重要，这种小尺寸能够在引起最小干扰的情况下适配到结构中。这些传感器一般是基于插入损耗的原理，其包括两根光纤，每根光纤都被劈开以具有大体上垂直于轴并且利用光纤的端面之间小间隙来定位的端面。为了调整传感器的敏感性，小间隙可以填充有透明的固体、液体、气体或其混合物。例如，一根光纤安装成维持其端面静止，而允许另一根光纤沿着光纤轴移动。当纤维轴位于共同的直线上时，在一根光纤上传播的光将以最大强度耦合到另一根光纤中。
用于测量位移的这种布置的应用的实例在美国专利No.7,323,678中公开，其中提供了光学位移传感器。其使用与本发明类似的原理。然而，其敏感度是不可调整的。而且，需要额外的温度传感器来克服光源的光强由于温度变化的波动。为了解决这些问题，需要一种创新的方案来调整光学位移传感器的敏感度并且提供用于使光源波动的自参考。
类似的传感器也在日本公开JP8285709中公开。然而，基于径向位移方向的这些传感器仅允许最多测量纤维芯尺寸上的位移，因为一旦两根光纤不再对齐，则接收功率为零。这意味着即使利用芯尺寸大约为1000微米的商用多模玻璃纤维，这些传感器也仅允许测量大约1000微米的最大位移。为了克服该限制，需要使用更多的昂贵纤维束，但这使得每个纤维的对齐更加困难。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种改进的传感器，其允许利用自参考功能测量位移，该自参考功能对于光源强度的波动不敏感，并且可以以成本效益的方式调节敏感度和测量范围。该目的通过利用具有本文列出的特征的分光器、传感元件和自参考元件来实现。
因此，本发明的第一方面涉及一种自参考且可调的聚合物光纤位移传感器，包括分光器、至少一个传感元件以及自参考元件；所述分光器包括一个入口和至少两个出口，入口中的光纤还包括至少一个光源，该光源被耦合以进行传输并且在出口中被分成至少两个分离的光路，并且每个出口与入口中的光强的比例是固定的；每个传感元件包括第一光纤和第二光纤，所述第一光纤具有沿着轴对齐并且定位在分光器的一个出口中的第一端面，始于出口的第一光纤的第二端面沿着轴对齐并且利用第一光纤的所述第二端面与第一接收组件的第一端面之间的小间隙来定位，小间隙由透明固体/液体/气体填充；所述传感器还包括至少一个光电探测器，其被耦接以接收到所述第一接收组件，传感元件的所述第二光纤和所述第一接收组件可以沿着所述轴移动，并且可以相对于彼此移动；所述自参考元件包括第一光纤和第二光纤，所述第一光纤包括沿着轴对齐并且定位在分光器的一个出口中的第一端面，始于出口的第一光纤的第二端面沿着轴对齐并且利用所述第二端面与第二接收组件的第一端面之间的小间隙来定位，小间隙由透明固体/液体/气体填充；所述传感器还包括至少一个光电探测器，其被耦接以接收到所述第二接收组件，自参考元件的所述第二光纤和所述第二接收组件不可沿着所述轴移动。
本发明的第二方面涉及相应的位移测量系统以及相应的位移检测方法。简而言之，位移测量系统是围绕连接到用于信号调节和处理的电子电路的低成本纤维光学传感器来建立的。相应的位移检测方法包括：通过利用在具有链路衰减的纤维光学系统的输出处检测的光电流中的变化，利用传感器将位移的测量值转换为电流或电压变化的测量值。为了控制传感器的敏感度，两根光纤面向彼此，从而它们通过由固体、液体、气体或其混合物填充的小间隙耦接，并且间隙的分离可以通过沿着轴相对地移动两根光纤来改变。为了实现自参考，另两根光纤以与上述传感器同样的方式耦接。然而，另两根光纤不能相对移动。光源的强度的任何波动在传感元件和自参考元件上引发相同的效应。可以通过传感元件和自参考元件之间的比率推导出位移。
相应的位移测量系统和检测方法允许测量数量级为光纤芯直径的至少五倍(例如，可以最多达到几十倍)的位移。本发明中被测量和检测的结构的最小裂纹尺寸可以低至1mm。
在本发明的实施方式中，具有大芯直径和高数值孔径的聚合物光纤(POF)被用作本发明的光纤传感器。用在本发明中的POF的芯直径为400-1100μm；POF的数值孔径大约为0.5。用于操作传感器和自参考元件的光源和光电探测器可以是现有的LED和光电二极管，同时可以通过具有数字化卡(DAQ)的简单个人电脑或独立微控制器(例如Arduino)、通过低噪声多路放大器来进行加工。整个设置可以容易地扩展到无线传感器网络。
附图说明
图1示出了根据本发明实施方式的安装在船桥甲板下方的自参考可调位移传感器的示意图。
图2示出了根据本发明实施方式的具有一个入口和两个出口的分光器的示意图。
图3示出了线性差动变压器中测量的位移以及对数刻度的穿过本发明的自参考可调聚合物光纤位移传感器的光强损耗之间的线性关系：(A)是光电探测器测量的对数刻度的光功率损耗与耦接器中的小间隙填充有空气的第一接收组件的位移之间的图表；(B)是示出了从传感元件的第一光纤的第二端面输出并通过填充在耦接器中的小间隙中的不同材料的光的锥尺寸；(C)是当利用透明固体(聚二甲基硅氧烷)和液体(光学凝胶)时基于(A)中的线性曲线预测的对数刻度的光功率损耗与第一接收组件的位移之间的假想图，其中，空气用于填充耦接器中的小间隙。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的当前优选实施方式，以解释本发明的原理。这些实施方式或实例被充分详细地描述，以使本领域技术人员能够实施本发明，并且应该理解到，可以利用其他实施方式，并且可以在不脱离本发明精神的情况下进行改变。
实例1-安装在船桥甲板下方的自参考可调位移传感器
在本发明中提供了一种自参考且可调的聚合物光纤位移传感器。图1示出了本发明的自参考且可调的聚合物光纤位移传感器当安装在船桥甲板下方时的示意图，其用于监测任何裂纹开口和测量桥的特定点之间的任何位移。在该实例中，传感器100包括分光器101、至少一个传感元件102和自参考元件103，所述分光器101包括一个入口101a和至少两个出口(101b、101c)(图2)，入口101a中的光纤还包括至少一个光源，即，LED(104)，其被耦接以进行传输并且在出口(101b、101c)中被分为至少两个分离的光路，并且与入口相比，每个出口中光强的比例是固定的；所述传感元件102包括第一光纤102a和第二光纤102b，所述第一光纤102a具有沿着轴对齐并且定位在分光器101的一个出口(101b)中的第一端面102aa，始于出口101b的第一光纤102a的第二端面102ab沿着轴对齐并且利用第一光纤102a的所述第二端面与第一接收组件105的第一端面之间的小间隙105a来定位，小间隙105a由诸如透明固体/液体/气体的材料填充。所述传感器100还包括至少一个光电探测器110，其被耦接以接收到所述第一接收组件105，传感元件102的所述第二光纤102b和所述第一接收组件105可以沿着所述轴移动，并且可以相对于彼此移动。所述自参考元件103包括第一光纤103a和第二光纤103b。自参考元件的所述第一光纤103a具有沿着轴对齐并且定位在分光器101的一个出口101c中的第一端面103aa，始于出口的第一光纤103a的第二端面103ab沿着轴对齐并且利用所述第二端面103ab与第二接收组件106的第一端面之间的小间隙106a来定位，小间隙106a由诸如透明固体/液体/气体的材料来填充。所述传感器100还包括至少一个光电探测器110，其被耦接以接收到所述第二接收组件106，所述第二光纤103b和所述第二接收组件106不可以沿着所述轴移动。在该实例中，传感器100的传感元件102在两个固定点108处锚在船桥甲板160之下，这两个固定点靠近船桥甲板160的两个点，其中两个固定点之间的距离是标距109。传感器100上的两个固定点108中的一个位于第一接收组件105，而另一固定点沿着传感元件102的第二光纤102b。测量和监测特定时间段内标距109中的变化可以确定建筑结构(即，本实例中的船桥甲板)的裂纹尺寸和整体强度。
在一种实施方式中，第一和第二光纤均是聚合物光纤(POF)，其芯直径为400-1100μm并且数值孔径为大约0.5。
在另一种实施方式中，传感元件的第一光纤的所述第二端面和第二光纤的所述第一端面插入在对齐套筒(即，第一接收组件105)中。
在其他实施方式中，自参考元件的第一光纤的所述第二端面和第二光纤的所述第一端面插入在对齐套筒(即，第二接收组件106)中。
在又一实施方式中，填充在介于传感元件的第一和第二光纤之间和/或介于自参考元件的第一和第二光纤之间的耦接器(即，第一或第二接收组件)的小间隙中的材料包括透明弹性体(例如，聚二甲基硅氧烷)、光学凝胶和气体。气体可以是折射率为1.0003032的空气或氩气；此处使用的光学凝胶可以具有1.0至1.4之间的折射率。
在一种实施方式中，分光器由折射率接近光纤芯的折射率的材料制成。例如，材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯。
实例2-位移测量系统及其测量方法
还提供了一种位移测量系统，其包括至少一个与处理装置相关联的传感器，其中，所述传感器是根据第一方面的传感器，并且所述处理装置配置用于分析所述光电探测器生成的电流或电压信号。
所述处理装置包括数字采集板。
所述数字采集板包括多个采集通道。
位移测量系统包括多个与所述数字采集板的所述多个通道相关联的传感器。
所述传感器的传感元件和自参考元件沿着不同的轴定向。
根据位移测量系统测出的一个传感元件和自参考元件之间的光强比例来推导位移。
图2示出了分光器的基本图，该分光器包括连接到光源的一个入口101a和两个出口(101b、101c)。两个出口中的一个(101b)连接到传感元件102，而另一出口(101c)连接到自参考元件103。
图3A示出了在接收组件(或者，“耦接器”在下文中可以互换使用)中的小间隙由空气填充情况下，由线性差动变压器测量的位移结果和对数刻度的光功率损耗。小间隙也可以由透明固定(例如，聚二甲基硅氧烷、3-(三甲氧基硅烷)丙基甲基丙烯酸酯的共聚物以及2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-十二氟庚酯)、液体(例如光学凝胶)、其他气体(例如氩气)或者其混合物填充以调整敏感度，即，图3A的斜率和线性范围。测量重复五次。变化系数为3.5％(最大值小于20％)。从图3A中所示的测试结果可知，可测量位移的范围为大约5倍(聚合物光纤的1mm直径，5mm位移)。通过在间隙中填充不同的透明材料，可测量位移的范围可以增加。
图3B示出了在102ab/103ab(传感元件102的第一光纤102a的第二端面102ab和自参考元件103的第一光纤103a的第二端面103ab)处从端面输出的光的不同锥尺寸。对于耦接器中的小间隙由空气填充的情况，由于本发明使用的三种材料中聚合物光纤的芯的折射率的最大对比度，折射角度最大。因此，利用端面102ab/102ba之间以及103ab/103ba之间的相同分离，耦合到传感元件的第二光纤的第一端面102ba的光的量或者耦合到自参考元件的第二光纤的第一端面103ba的光的量在本发明使用的三种材料中是最小的。另一方面，通过使用透明弹性体(例如聚二甲基硅氧烷)来填充耦接器中的小间隙，聚合物光纤的芯的折射率对比是最小的，因此，最大量的光分别从端面102ab和103ab耦合到相应的端面102ba和103ba。当折射率在空气和透明弹性体之间(例如在1.0和1.4之间)的光学凝胶被选择为填充耦接器中的小间隙的材料时，耦合的光的量也在两种材料之间。图3C是当使用不同的材料来填充耦接器中的小间隙时，光功率损耗与传感元件的第一接收组件的位移的假想图表，其是基于当使用除空气之外的其他两种材料时，光功率损耗的变化与位移的变化是线性关系的假设。图3C中的虚线表示根据本发明的光源和光电探测器的光强度的动态范围的最大可允许光功率损耗。值得注意的是，在本文使用三种材料中，空气是最适于确定较小的裂纹尺寸的，即，对于裂纹尺寸的变化比其他两种材料更敏感；透明弹性体更适于确定较大的裂纹尺寸，即，相对不那么敏感；而光学凝胶在对裂纹尺寸确定的敏感度方面介于空气和透明弹性体之间。
根据本发明的方法，传感元件和自参考元件的光功率由连接在光纤的另一端面的光电探测器测量。光功率通过简单的低噪电路转换为电流/电压。
电流/电压转换为电压，并且其通过模-数设备被测量。在该实例中，其是可编程的独立微控制器。电压以时域记录并且存储在微控制器的内部存储器中。存储的数据可以通过通用串行总线传输到个人电脑。本发明成本低，可以轻易地结合在无线传感器网络中。
工业适用性
本发明的传感器在监测和测量结构的裂纹尺寸和整体强度时是有用的，而不会受到其他环境或外部因素的影响。光干涉由本发明的传感器的自参考元件克服。
应该理解，本文描述的方法/设备/系统可以以不同顺序、同时和/或与本文未提及但可以由本领域技术人员意识到的其他步骤一起执行，以获得本发明的方法/设备/系统。在不进一步阐述的情况下，相信本领域技术人员能够基于本文的说明改进本发明，而不脱离本发明的精神，并且在最大限度内利用本发明。通过引用将本文所引的全部公开物整体并入本文中。
Claims (11)
1.一种自参考且可调的聚合物光纤位移传感器，包括分光器、至少一个传感元件以及自参考元件；
所述分光器包括一个入口和至少两个出口，入口中的光纤还包括至少一个光源，该光源被耦合以进行传输并且在出口中被分成至少两个分离的光路，并且每个出口与入口中的光强的比例是固定的；
所述至少一个传感元件中的每一个均包括第一光纤和第二光纤，传感元件的所述第一光纤包括沿着轴对齐并且定位在分光器的一个出口中的第一端面，以及始于分光器的出口的沿着轴对齐并且利用第一光纤的所述第二端面与第一接收组件的第一端面之间的小间隙来定位的第二端面，第一接收组件处的小间隙由包括透明固体、液体和气体的材料填充；
所述传感器还包括至少一个光电探测器，其被耦接以接收到所述第一接收组件，传感元件的所述第二光纤和所述第一接收组件能够沿着所述轴移动，并且能够相对于彼此移动；
所述自参考元件包括第一光纤和第二光纤，自参考元件的所述第一光纤包括沿着轴对齐并且定位在分光器的一个出口中的第一端面，以及始于分光器的出口的沿着轴对齐并且利用所述第二端面与第二接收组件的第一端面之间的小间隙来定位的第二端面，第二接收组件处的小间隙由包括透明固体、液体和气体的材料填充；
所述传感器还包括至少一个光电探测器，其被耦接以接收到所述第二接收组件，自参考元件的所述第二光纤和所述第二接收组件不能沿着所述轴移动。
2.如权利要求1所述的聚合物光纤位移传感器，其中传感元件或自参考元件的第一和第二光纤是聚合物光纤，其芯直径为400至1100μm，数值孔径为大约0.5，从而能够测量数量级为光纤芯直径的至少五倍的位移。
3.如权利要求1所述的聚合物光纤位移传感器，其中，填充第一接收组件处或第二接收组件处的小间隙的透明固体包括聚二甲基硅氧烷、3-(三甲氧基硅烷)丙基甲基丙烯酸酯的共聚物以及2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-十二氟庚酯。
4.如权利要求1所述的聚合物光纤位移传感器，其中，填充第一接收组件处或第二接收组件处的小间隙的液体包括折射率在1.0和1.4之间的光学凝胶。
5.如权利要求1所述的聚合物光纤位移传感器，其中，填充第一接收组件处或第二接收组件处的小间隙的气体包括空气、氩气和折射率为大约1.0003032的任何气体。
6.如权利要求1所述的聚合物光纤位移传感器，其中，分光器由折射率接近光纤芯的折射率的材料制成。
7.如权利要求1所述的聚合物光纤位移传感器，其中，光源和光电探测器包括现有的发光二极管和光电二极管。
8.一种利用权利要求1所述的聚合物光纤位移传感器来确定结构的裂纹尺寸的方法，所述方法包括：
a)在两个固定点处将所述聚合物光纤位移传感器锚在所述结构上，其中这两个固定点之间的距离是标距；
b)通过光电探测器测量光的光功率，所述光从光源发出，通过分光器，并且进一步沿着传感元件的第一光纤行进，随后通过第一接收组件到达传感元件的第二光纤；
c)将步骤(b)中测量的光功率通过简单低噪电路转换为电流/电压；
d)进一步将从步骤(c)获得的电流/电压转换为电压，并且通过模-数设备测量电压以获得光功率损耗数据；
e)将从步骤(d)获得的光损耗数据与参考值相比较，以计算光损耗数据和参考数据之间的光强比率，从而确定所述结构的裂纹尺寸。
9.如权利要求8所述的方法，其中，模-数设备包括编程的独立微控制器。
10.如权利要求9所述的方法，其中，电压以时域记录并且作为光功率损耗数据存储在微控制器的内部存储器中。
11.如权利要求10所述的方法，其中，存储的光功率损耗数据能够通过通用串行总线或者通过无线网络发送至个人电脑，以进行与参考值的所述比较。
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