CN106996797B - 一种光纤传感探头 - Google Patents
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Abstract
一种光纤传感探头，属于光纤传感技术领域，其要解决的问题是：现有反射式强度调制型光纤传感器可检测的动态信号的动态范围小，频率范围小，信噪比低；现有反射式强度调制型光纤传感器用于检测静态或者准静态信号时，其检测结果的精度低，且易受光源强度变化和环境温度变化的影响。本发明的主要内容为：第一发射端的纤芯上刻有光纤光栅，压力敏感膜片将经第一发射端出射的光信号反射至第一接收端和第二接收端，在压力敏感膜片偏离初始位置时，入射至第一接收端的光信号与入射至第二接收端的光信号能够构成差分信号。第二发射端的端面与压力敏感膜片的反射面构成法布里‑珀罗干涉腔。本发明适用于光纤传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感探头，属于光纤传感技术领域。
背景技术
反射式强度调制型光纤传感器不仅具有耐腐蚀、抗电磁干扰和灵敏度高等光纤传感器共有的优点，而且具有前端无源、原理简单、设计灵活、性能可靠和价格低廉等特点。反射式强度调制型光纤传感器能够对应变、位移、压力、振动、温度以及表面粗糙度等多种物理量进行检测，在光纤传感技术领域占有十分重要的地位。
然而，现有的反射式强度调制型光纤传感器仍然存在以下问题：
一、在现有的反射式强度调制型光纤传感器用于检测动态信号时，其可检测的信号的动态范围小，频率范围小，信噪比低，从而导致其动态输出特性并不理想；
二、在现有的反射式强度调制型光纤传感器用于检测静态或者准静态信号时，因其分辨率低而导致检测结果的精度低，且其检测结果易受光源强度变化和环境温度变化的影响。
发明内容
本发明要解决的问题是：现有反射式强度调制型光纤传感器可检测的动态信号的动态范围小，频率范围小，信噪比低；现有反射式强度调制型光纤传感器用于检测静态或者准静态信号时，其检测结果的精度低，且易受光源强度变化和环境温度变化的影响。
本发明所述的一种光纤传感探头包括壳体、压力敏感膜片1、第一发射光纤、第二发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤；
所述壳体的两端开口，所述压力敏感膜片1设置在壳体的一个开口端上；
所述第一发射光纤的一端为第一发射端2，所述第一发射端的纤芯上刻有光纤光栅3，所述第一发射光纤的另一端通过第一光纤耦合器同时与第一光源和第一光谱仪相连；
所述第二发射光纤的一端为第二发射端4，所述第二发射光纤的另一端通过第二光纤耦合器同时与第二光源和第二光谱仪相连；
所述第一光源和第二光源均为宽带光源；
所述第一接收光纤的一端和第二接收光纤的一端分别为第一接收端5和第二接收端6，所述第一接收光纤的另一端和第二接收光纤的另一端均与光电探测器相连；
所述第一发射端2、第二发射端4、第一接收端5和第二接收端6均经过壳体的另一个开口端设置在壳体的内部，所述壳体、压力敏感膜片1、第一发射端2、第二发射端4、第一接收端5和第二接收端6共同构成密闭空间；
所述压力敏感膜片1能够将经第一发射端2出射的光信号反射至第一接收端5和第二接收端6；
入射至第一接收端5的光信号与入射至第二接收端6的光信号正交；
所述壳体的一个开口端的端面为压力敏感膜片1的初始位置，当所述压力敏感膜片1偏离初始位置时，入射至第一接收端5的光信号与入射至第二接收端6的光信号的功率不相等；
所述第二发射端4的端面401与压力敏感膜片1的反射面构成法布里-珀罗干涉腔。
本发明所述的一种光纤传感探头，当压力敏感膜片处于初始位置时，入射至第一接收端的光信号与入射至第二接收端的光信号正交，且功率相同。当所述光纤传感探头用于检测动态压力信号时，所述压力敏感膜片偏离初始位置，入射至第一接收端的光信号与入射至第二接收端的光信号正交，但功率不同。通过光电探测器将两个光信号转换为两个电信号，并对所述两个电信号进行减法运算，能够得到其差分信号。根据该差分信号的振幅和频率，能够计算出动态压力信号的强度和频率。所述差分信号可以看作是所述两个光信号的功率的差值，与光信号的功率范围无关，因此所述光纤传感探头可检测的动态信号的动态范围大。
所述差分信号由两个电信号相减得到，在相减的过程中，两个电信号中的共模信号被抵消掉，因此差分信号具有极高的共模抑制比。在相同情况下，差分信号与单端信号相比，具有更高的信噪比。
所述光纤传感探头使用非隔直方案进行信号解调，因此具有非隔直方案可检测信号的频率范围大的特点。其可检测的信号频率从0Hz开始，直到高频截止频率。所述高频截止频率由压力敏感膜片的材质特性、外形以及解调电路共同决定。
所述第一发射端的纤芯上刻有光纤光栅，所述光纤光栅能够将由第一光源发出的光信号中符合所述光纤光栅布拉格条件的光信号反射至第一光谱仪。所述光纤光栅的反射谱的中心波长对环境温度的变化极为敏感，环境温度的变化会导致所述光纤光栅的反射谱的中心波长发生漂移，根据所述反射谱的中心波长的漂移量能够实现对环境温度变化的检测。
所述第二发射端的端面与压力敏感膜片的反射面构成法布里-珀罗干涉腔。所述第二发射端的端面与压力敏感膜片的反射面的间距为法布里-珀罗干涉腔的腔长。由第二光源发出的光信号经过第二发射光纤的传导，垂直入射至第二发射端的端面上。一部分光信号被第二发射端的端面反射，另一部分光信号经过第二发射端的端面的透射，入射至压力敏感膜片的反射面。被压力敏感膜片反射的光信号经第二发射端的端面耦合进入第二发射光纤，并与被第二发射端的端面反射的一部分光信号发生干涉，形成干涉光信号，该干涉光信号进入第二光谱仪。当所述光纤传感探头用于检测静态或准静态压力信号时，所述压力敏感膜片偏离初始位置，所述法布里-珀罗干涉腔的腔长发生变化，所述第二光谱仪接收的干涉光信号的光谱发生变化。根据该干涉光信号的光谱变化能够解调出施加在压力敏感膜片上的静态或准静态压力值，所得检测结果的精度远远高于现有反射式强度调制型光纤传感器的检测结果，但是所得检测结果可能会受到环境温度变化的影响。
根据静态或准静态压力信号的检测结果和环境温度变化的检测结果，在算法上对通过法布里-珀罗干涉腔测得的静态或准静态压力值进行温度补偿，得到最终检测结果，能够进一步地提高其压力测量精度。因上述两项检测结果分别来自于法布里-珀罗干涉腔的干涉光谱和光纤光栅的反射谱中的波长信息，因此所述最终检测结果不受光源强度变化的影响。
综上所述，本发明所述的一种光纤传感探头能够解决现有反射式强度调制型光纤传感器可检测的动态信号的动态范围小，频率范围小，信噪比低；现有反射式强度调制型光纤传感器用于检测静态或者准静态信号时，其检测结果的精度低，且易受光源强度变化和环境温度变化的影响的问题。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的一种光纤传感探头进行更详细的描述，其中：
图1是实施例所述的一种光纤传感探头的结构示意图；
图2是实施例所述的一种光纤传感探头内部的光路示意图；
图3是图1中I区域的尺寸图；
图4是实施例提及的第一光源的光谱图；
图5是实施例提及的光纤光栅的反射谱图；
图6是实施例提及的经第一发射端出射的光信号的光谱图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的一种光纤传感探头作进一步说明。
实施例一：下面结合图1和图2详细地说明本实施例。本实施例所述的一种光纤传感探头包括壳体、压力敏感膜片1、第一发射光纤、第二发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤；
所述壳体的两端开口，所述压力敏感膜片1设置在壳体的一个开口端上；
所述第一发射光纤的一端为第一发射端2，所述第一发射端的纤芯上刻有光纤光栅3，所述第一发射光纤的另一端通过第一光纤耦合器同时与第一光源和第一光谱仪相连；
所述第二发射光纤的一端为第二发射端4，所述第二发射光纤的另一端通过第二光纤耦合器同时与第二光源和第二光谱仪相连；
所述第一光源和第二光源均为宽带光源；
所述第一接收光纤的一端和第二接收光纤的一端分别为第一接收端5和第二接收端6，所述第一接收光纤的另一端和第二接收光纤的另一端均与光电探测器相连；
所述第一发射端2、第二发射端4、第一接收端5和第二接收端6均经过壳体的另一个开口端设置在壳体的内部，所述壳体、压力敏感膜片1、第一发射端2、第二发射端4、第一接收端5和第二接收端6共同构成密闭空间；
所述压力敏感膜片1能够将经第一发射端2出射的光信号反射至第一接收端5和第二接收端6；
入射至第一接收端5的光信号与入射至第二接收端6的光信号正交；
所述壳体的一个开口端的端面为压力敏感膜片1的初始位置，当所述压力敏感膜片1偏离初始位置时，入射至第一接收端5的光信号与入射至第二接收端6的光信号的功率不相等；
所述第二发射端4的端面401与压力敏感膜片1的反射面构成法布里-珀罗干涉腔。
所述第一发射光纤的另一端与第一光纤耦合器的输出臂相连，第一光源与第一光纤耦合器的输入臂相连，第一光谱仪与第一光纤耦合器的反射臂相连。所述第二发射光纤的另一端与第二光纤耦合器的输出臂相连，第二光源与第二光纤耦合器的输入臂相连，第二光谱仪与第二光纤耦合器的反射臂相连。
图2为本实施例所述的一种光纤传感探头内部的光路示意图。如图2所示，压力敏感膜片的位置随着其外界动态压力的变化而变化。起始状态的压力敏感膜片处于初始位置A。当压力敏感膜片受到正压力作用时，压力敏感膜片向下移动，到达位置B。当压力敏感膜片受到负压力作用时，压力敏感膜片向上移动，到达位置C。
由第一光源发出的宽带光在经过光纤光栅3时，所述宽带光中符合光纤光栅3的布拉格条件的一个窄带光谱内的光功率被反射至第一光谱仪，所述宽带光中的其余光功率经第一发射端出射。经第一发射端出射的一组光线在第一发射端的端面与空气的交界面发生折射，折射光线按照第一发射光纤的数值孔径呈一定角度发散至压力敏感膜片的反射面。被压力敏感膜片反射的光线中的一部分光线在空气与第一接收端的端面的交界面发生折射后，耦合进入第一接收光纤。被压力敏感膜片反射的光线中的另一部分光线在空气与第二接收端的端面的交界面发生折射后，耦合进入第二接收光纤。
进入第一接收光纤的光信号的功率为I1，进入第二接收光纤的光信号的功率为I2。当压力敏感膜片处于初始位置A时，被压力敏感膜片反射的光线的发散范围为D，I1等于I2。当压力敏感膜片到达位置B时，被压力敏感膜片反射的光线的发散范围为E，I1大于I2。当压力敏感膜片到达位置C时，被压力敏感膜片反射的光线的发散范围为F，I1小于I2。当压力敏感膜片在动态压力信号的激励下偏离初始位置A时，所述光纤传感探头能够输出两路正交，且相位相差180度的光信号。
本实施例所述的一种光纤传感探头，经第一接收光纤和第二接收光纤输出的光信号可构成差分信号，能够有效地消除双路光信号中的共模噪声，解决输出光信号工作点漂移的问题，具有更高的共模抑制比和信噪比，可测量信号的动态范围大，频率范围大。
为了获得最大的信噪比，必须保证双路光信号中的共模信号的振幅相等。本实施例中的第二发射端的端面与压力敏感膜片的反射面构成法布里-珀罗干涉腔。由第二光源发出的光信号经过第二发射光纤的传导，垂直入射至第二发射端的端面上。一部分光信号被第二发射端的端面反射，另一部分光信号经过第二发射端的端面的透射，入射至压力敏感膜片的反射面。被压力敏感膜片反射的光信号经第二发射端的端面耦合进入第二发射光纤，并与被第二发射端的端面反射的一部分光信号发生干涉，形成干涉光信号，该干涉光信号进入第二光谱仪。通过第二光谱仪得到入射的干涉光信号的干涉光谱，根据该干涉光谱中各个干涉峰的峰值波长，能够实现对法布里-珀罗干涉腔的腔长的精确测量和实时监测。在所述光纤传感探头的装配过程中，精确监测第二发射端的端面与压力敏感膜片的反射面的间距，使第一发射端、第一接收端和第二接收端在壳体内部处于最佳位置，进而保证双路光信号中的共模信号的振幅相等，并且同时实现了所述光纤传感探头的精确装配。
本实施例所述的一种光纤传感探头能够实现对静态压力信号和动态压力信号的分离测量。
本实施例所述的一种光纤传感探头的结构简单，因可以使用LED作为光源而成本低，重复率高，适合规模化生产。
实施例二：下面结合图1详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一所述的一种光纤传感探头作进一步的限定。
本实施例所述的一种光纤传感探头，所述壳体包括上壳体7和下壳体8，所述壳体的一个开口端和另一个开口端分别位于上壳体7和下壳体8上，所述上壳体7与下壳体8螺纹连接。
在本实施例中，所述壳体为分体式结构，上壳体与下壳体螺纹连接。该分体式的壳体，方便所述光纤传感探头的装配以及后期的维护与维修。
实施例三：本实施例是对实施例一所述的一种光纤传感探头作进一步的限定。
本实施例所述的一种光纤传感探头，在所述压力敏感膜片1的反射面上设置有高反膜，所述高反膜的材质为金、银、钯或钛，所述高反膜的厚度为10nm至1000nm。
在本实施例中，通过在压力敏感膜片的反射面上设置一层高反膜，增大了压力敏感膜片的反光能力。
在本实施例中，压力敏感膜片的材质为蓝宝石、硅或氮化硅，由这些材质制成的压力敏感膜片对外界压力的敏感度高。蓝宝石材质的压力敏感膜片通过MOCVD技术制成，硅或氮化硅材质的压力敏感膜片通过MEMS技术制成。
实施例四：下面结合图1和图3详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一至三所述的一种光纤传感探头作进一步的限定。
本实施例所述的一种光纤传感探头，所述第一发射端2、第二发射端4、第一接收端5和第二接收端6依次固定设置在壳体的内部；
所述第一发射端2的轴线、第二发射端4的轴线、第一接收端5的轴线和第二接收端6的轴线共平面，所述平面与压力敏感膜片1垂直；
所述压力敏感膜片1为圆形，所述压力敏感膜片1的圆心位于所述平面上；
所述第一发射端2的端面201、第一接收端5的端面501和第二接收端6的端面601均为斜面，所述第一接收端5的端面501和第二接收端6的端面601位于同一斜面上；
所述第一发射端2的端面201与所述同一斜面相交，且二者与压力敏感膜片1的夹角均为锐角θ；
在所述第一发射端2的轴向上，所述第一发射端2的端面201的中心点、第一接收端5的端面501的中心点和第二接收端6的端面601的中心点到压力敏感膜片1的距离分别为H、H1、H2；
在所述第一发射端2的径向上，所述第一发射端2的端面201的中心点到压力敏感膜片1的轴线的距离为L1，所述第一接收端5的端面501的中心点与第二接收端6的端面601的中心点的连线的中点与压力敏感膜片1的轴线的距离为L2，所述θ、H、H1、H2、L1、L2满足以下公式：
其中，neff为第一发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤的纤芯的有效折射率；
所述第一发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤的纤芯的有效折射率相同。
在本实施例中，第一发射端的端面、第一接收端的端面和第二接收端的端面均经过光纤研磨工艺加工而成。三者的倾角相等，有利于简化工艺流程，能够提高产能。
实施例五：下面结合图1详细地说明本实施例。本实施例是对实施例四所述的一种光纤传感探头作进一步的限定。
本实施例所述的一种光纤传感探头，所述壳体的内部还设置有单排四孔毛细石英管9和石英管固定座10，所述单排四孔毛细石英管9用于固定第一发射端2、第二发射端4、第一接收端5和第二接收端6，所述石英管固定座10与壳体的内壁螺纹连接，并用于固定单排四孔毛细石英管9。
在本实施例中，第一发射端、第二发射端、第一接收端和第二接收端依次设置在单排四孔毛细石英管的四个孔中，并通过粘结剂固定。所述单排四孔毛细石英管经过壳体的另一个开口端设置在壳体的内部，并通过与壳体内部螺纹连接的石英管固定座固定设置。如此设计，使得所述光纤传感探头的内部结构更加稳固，具有更好的抗震性能，通过所述光纤传感探头得到的检测结果也随之更加准确。
本实施例中分离设置的第一发射光纤、第二发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤还可以以单排四芯带状光纤的形式设置。
实施例六：本实施例是对实施例四所述的一种光纤传感探头作进一步的限定。
本实施例所述的一种光纤传感探头，在所述第一发射端2的端面201、第一接收端5的端面501和第二接收端6的端面601上均设置有增透膜。
在本实施例中，通过在第一发射端的端面上设置增透膜，增大了第一发射端的端面的光透过率。通过在第一接收端的端面和第二接收端的端面设置增透膜，提高了进入第一接收端和第二接收端的光信号的耦合效率。
实施例七：本实施例是对实施例一所述的一种光纤传感探头作进一步的限定。
本实施例所述的一种光纤传感探头，所述第一发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤均为多模光纤，所述第二发射光纤为单模光纤，所述多模光纤为塑料光纤、蓝宝石光纤或石英光纤，所述单模光纤为石英光纤。
实施例八：下面结合图4至图6详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一所述的一种光纤传感探头作进一步的限定。
本实施例所述的一种光纤传感探头，所述光纤光栅3的反射谱的中心波长等于第一光源的中心波长，所述光纤光栅3的反射谱的半峰宽不超过1nm。
如图4至图6所示，光纤光栅的反射谱的中心波长等于第一光源的中心波长。
在本实施例中，光纤光栅的反射谱的半峰宽不超过1nm，其有益效果为：反射谱带宽越窄，其对环境温度变化的敏感度越高。反射谱带宽越窄，反射谱包含的光功率越低，从而保证第一发射光纤具有足够的出射光功率。
在本实施例中，所述第一光源和第二光源可以合二为一。设置一个宽带光源，该宽带光源与1×2光纤分光器的输入端连接，1×2光纤分光器的两个输出端分别与第一光纤耦合器的输入臂和第二光纤耦合器的输入臂相连。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (7)
1.一种光纤传感探头，所述光纤传感探头包括壳体、压力敏感膜片(1)、第一发射光纤、第二发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤；
所述壳体的两端开口，所述压力敏感膜片(1)设置在壳体的一个开口端上；
所述第一发射光纤的一端为第一发射端(2)，所述第一发射端的纤芯上刻有光纤光栅(3)，所述第一发射光纤的另一端通过第一光纤耦合器同时与第一光源和第一光谱仪相连；
所述第二发射光纤的一端为第二发射端(4)，所述第二发射光纤的另一端通过第二光纤耦合器同时与第二光源和第二光谱仪相连；
所述第一光源和第二光源均为宽带光源；
所述第一接收光纤的一端和第二接收光纤的一端分别为第一接收端(5)和第二接收端(6)，所述第一接收光纤的另一端和第二接收光纤的另一端均与光电探测器相连；
所述第一发射端(2)、第二发射端(4)、第一接收端(5)和第二接收端(6)均经过壳体的另一个开口端设置在壳体的内部，所述壳体、压力敏感膜片(1)、第一发射端(2)、第二发射端(4)、第一接收端(5)和第二接收端(6)共同构成密闭空间；
所述压力敏感膜片(1)能够将经第一发射端(2)出射的光信号反射至第一接收端(5)和第二接收端(6)；
入射至第一接收端(5)的光信号与入射至第二接收端(6)的光信号正交；
所述壳体的一个开口端的端面为压力敏感膜片(1)的初始位置，当所述压力敏感膜片(1)偏离初始位置时，入射至第一接收端(5)的光信号与入射至第二接收端(6)的光信号的功率不相等；
所述第二发射端(4)的端面(401)与压力敏感膜片(1)的反射面构成法布里-珀罗干涉腔；
其特征在于，所述第一发射端(2)、第二发射端(4)、第一接收端(5)和第二接收端(6)依次固定设置在壳体的内部；
所述第一发射端(2)的轴线、第二发射端(4)的轴线、第一接收端(5)的轴线和第二接收端(6)的轴线共平面，所述平面与压力敏感膜片(1)垂直；
所述压力敏感膜片(1)为圆形，所述压力敏感膜片(1)的圆心位于所述平面上；
所述第一发射端(2)的端面(201)、第一接收端(5)的端面(501)和第二接收端(6)的端面(601)均为斜面，所述第一接收端(5)的端面(501)和第二接收端(6)的端面(601)位于同一斜面上；
所述第一发射端(2)的端面(201)与所述同一斜面相交，且二者与压力敏感膜片(1)的夹角均为锐角θ；
在所述第一发射端(2)的轴向上，所述第一发射端(2)的端面(201)的中心点、第一接收端(5)的端面(501)的中心点和第二接收端(6)的端面(601)的中心点到压力敏感膜片(1)的距离分别为H、H1、H2；
在所述第一发射端(2)的径向上，所述第一发射端(2)的端面(201)的中心点到压力敏感膜片(1)的轴线的距离为L1，所述第一接收端(5)的端面(501)的中心点与第二接收端(6)的端面(601)的中心点的连线的中点与压力敏感膜片(1)的轴线的距离为L2，所述θ、H、H1、H2、L1、L2满足以下公式：
其中，neff为第一发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤的纤芯的有效折射率；
所述第一发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤的纤芯的有效折射率相同。
2.如权利要求1所述的光纤传感探头，其特征在于，所述壳体包括上壳体(7)和下壳体(8)，所述壳体的一个开口端和另一个开口端分别位于上壳体(7)和下壳体(8)上，所述上壳体(7)与下壳体(8)螺纹连接。
3.如权利要求1所述的光纤传感探头，其特征在于，在所述压力敏感膜片(1)的反射面上设置有高反膜，所述高反膜的材质为金、银、钯或钛，所述高反膜的厚度为10nm至1000nm。
4.如权利要求1至3任意一项所述的光纤传感探头，其特征在于，所述壳体的内部还设置有单排四孔毛细石英管(9)和石英管固定座(10)，所述单排四孔毛细石英管(9)用于固定第一发射端(2)、第二发射端(4)、第一接收端(5)和第二接收端(6)，所述石英管固定座(10)与壳体的内壁螺纹连接，并用于固定单排四孔毛细石英管(9)。
5.如权利要求1至3任意一项所述的光纤传感探头，其特征在于，在所述第一发射端(2)的端面(201)、第一接收端(5)的端面(501)和第二接收端(6)的端面(601)上均设置有增透膜。
6.如权利要求1所述的光纤传感探头，其特征在于，所述第一发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤均为多模光纤，所述第二发射光纤为单模光纤，所述多模光纤为塑料光纤、蓝宝石光纤或石英光纤，所述单模光纤为石英光纤。
7.如权利要求1所述的光纤传感探头，其特征在于，所述光纤光栅(3)的反射谱的中心波长等于第一光源的中心波长，所述光纤光栅(3)的反射谱的半峰宽不超过1nm。
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