CN108709572A - 一种一体式微位移光纤传感探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体式微位移光纤传感探头，所述探头包括敏感膜片、反射膜片、发射光纤、接收光纤、光纤固定座、金属腔体以及金属网格保护罩；所述敏感膜片、金属腔体以及光纤固定座共同组成一个密封的腔体；敏感膜片的一面镀有反射膜片，反射膜片位于密闭腔体的一侧；敏感膜片外侧有金属网格保护罩；所述发射光纤的发射端与接收光纤的接收端由光纤固定座固定；光纤固定座上有按一定对称角度固定发射光纤发射端和接收光纤接收端的光纤卡槽；光纤能从光纤卡槽预留的空隙伸入密封腔体内。本发明用于检测声波信号，相比于现有反射式强度调制型传感器，能够有效地提高传感器灵敏度，减小传感器的测量死区范围，从而提高传感器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种一体式微位移光纤传感探头。
背景技术
光纤传感器凭借其结构简单、体积小、抗电磁干扰、成本低以及测量精度高等优点吸引了众多研究学者。光纤传感器的发展迅速，已经广泛地应用于对温度、湿度、声音、压力、位移和振动等物理量的监测。
目前，光纤声波传感器主要有RIM-FODS(反射式强度调制型)和干涉型两种类型。其中干涉型光纤传感器是基于法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔构成干涉结构，相比反射式强度调制型光纤传感器，干涉型光纤传感系统需要对干涉信号采用有效的解调手段，在一定程度增加了传感系统的复杂度与成本。RIM-FODS是研究比较成熟的一类传感器，具有简单的原理和结构，成本低廉，并且可以实现非接触式的测量。目前现有的RIM-FODS传感器，根据传感探头上光纤的数量以及分布的不同，主要分为光纤对型、三光纤型、半圆型、随机型以及同轴型等结构，不同的探头结构决定了传感器调制函数和测量灵敏度。而现有应用中，由于多采用发射与接收光纤平行紧贴且两光纤垂直于反射面的结构，基本的RIM-FODS传感器的灵敏度都不理想。其主要原因是在该情况下，接收光纤只能接收到反射光斑的边缘区，该区反射光强度变化范围小，导致传感器整体灵敏度不高；同时在反射面与光纤端面距离较小的情况下，存在反射光无法进入接收光纤的情况，即“测量死区”，使RIM-FODS传感器的推广应用受到限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有反射式强度调制型传感器灵敏度不高、“死区”过宽的缺点，提供一种一体式微位移光纤传感探头。本发明能够有效减小传感器测量“死区”，增大测量灵敏度。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种一体式微位移光纤传感探头，包括敏感膜片、反射膜片、发射光纤、接收光纤、光纤固定座、金属腔体以及金属网格保护罩。
所述敏感膜片、金属腔体以及光纤固定座共同组成一个密封的腔体；敏感膜片的一面镀有反射膜片，反射膜片位于密闭腔体的一侧；敏感膜片外侧有金属网格保护罩。发射光纤具有两端，一端为金属腔体内的发射端，另一端与光源相连接；接收光纤也具有两端，一端为金属腔体内的接收端，另一端与探测器相连接。发射光纤的发射端、接收光纤的接收端以及接收器位于腔体内；所述发射光纤的发射端与接收光纤的接收端由光纤固定座固定，光纤固定座上有按一定对称角度固定发射光纤发射端、接收光纤接收端的光纤卡槽。光纤能从光纤卡槽预留的空隙伸入密封腔体内。
进一步地，位于密封腔体内发射光纤发射端的轴向与接收光纤接收端的轴向关于反射膜片的法线共面且对称。即从发射光纤发射端射出的光线是以一定的角度射向反射膜的，并非正入射。
进一步地，所述反射膜片位于敏感膜片的中心。
进一步地，所述敏感膜片的轴线与反射膜片的轴线平行，并与发射光纤和接收光纤共面。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、在本发明中，所述一体式微位移光纤传感探头所采用的发射光纤与与接收光纤都与敏感膜片法线共面，且对法线具有一定的对称倾角，即入射角不为0°，能够减小传感器死区范围，增大传感器的灵敏度，提高光纤传感器的性能。
附图说明
图1为一种一体式微位移光纤传感探头的结构示意图；
图2为一种一体式微位移光纤传感探头与外部组件的连接示意图；
图3为本实施例中一种一体式微位移光纤传感探头的光路示意图；
图4为本实施例中一种一体式微位移光纤传感探头的光强调制函数曲线图；
图5为本实施例中一种一体式微位移光纤传感探头的发射光纤端面圆(O1为圆心的圆)与接收光纤端面圆(O2为圆心的圆)处于不同位置时的关系图。
图6为本实施例中一种一体式微位移光纤传感探头中光纤与反射面的法线之间的夹角α为不同角度时的响应曲线示意图。
图中，1—敏感膜片、2—反射膜片、3—发射光纤、4—接收光纤、5—光纤固定座(含光纤卡槽)、6—金属腔体、7—金属网格保护罩。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
一种一体式微位移光纤传感探头；
如图1所示为一种一体式微位移光纤传感探头的结构示意图，所述探测器包括敏感膜片1、反射膜片2、发射光纤3、接收光纤4、光纤固定座(含光纤卡槽)5、金属腔体6以及金属网格保护罩7。
所述敏感膜片1、金属腔体6以及光纤固定座5共同组成一个密封的腔体；敏感膜片的一面镀有反射膜片2，反射膜片位于密闭腔体的一侧；发射光纤3的发射端、接收光纤4的接收端以及接收器位于腔体内；传感器探头顶部，即敏感膜片外侧有金属网格保护罩7。所述发射光纤的发射端与接收光纤的接收端由光纤固定座上光纤卡槽5固定。
如图2所示为一种一体式微位移光纤传感探头与外部组件的连接示意图。可以知道发射光纤具有两端，一端为金属腔体内的发射端，另一端与光源相连接；接收光纤也具有两端，一端为金属腔体内的接收端，另一端与探测器相连接。
位于密封腔体内发射光纤发射端的轴向与接收光纤接收端的轴向关于反射膜片的法线对称。即从发射光纤发射端射出的光线是以一定的角度射向反射膜的，并非正入射。
所述反射膜片位于敏感膜片的中心。
所述敏感膜片的轴线与反射膜片的轴线平行，并与发射光纤和接收光纤共面。
在本发明中，定义RIM-FODS的光强调制函数M为耦合进入接收光纤的光强度与发射光纤输出的光强度之比，M主要受接收光纤和发射光纤的纤芯半径、数值孔径、横向距离、光纤倾斜角度、反射面因子以及系统损耗等因素的影响。如图3所示为一种一体式微位移光纤传感探头的光路示意图。
在本实施例中，为了简化模型，假设发射光纤的出射光场符合均匀分布，则接收光纤得到的光功率大小为：
其中，K1表示发射光纤的端面光功率损耗系数，K2表示接收光纤的端面光功率损耗系数；K1和K2主要受光纤端面质量的影响；η表示被测物体表面即反射面的损耗系数；因发射光纤与接收光纤关于法线对称，两光纤端面圆心到反射面的距离相等，用d表示；R(d)表示发射光纤光锥在接收光纤镜像端面所在的平面的截面的半径长度；S(d)表示发射光锥端面与接收光纤镜像端面的交叠面积；Pt表示耦合进发射光纤的光功率。
更进一步地，定义光强调制函数，具体表示为：
当光纤传感器的结构以及待测对象一定时，K1、K2和η可以视为常数。此时，可以将探头的光强调制函数简化为：
由图3中的几何关系可知发射光锥顶点到接收光纤镜像端面间距离w(d)表示为：
w(d)＝f(d)+r1cotθ (2)
其中，r1表示发射光纤的纤芯半径；θ表示光纤的收光角；光纤的收光角与光纤数值孔径有关；f(d)＝Lsinα+2dcosα表示发射光纤的发射端面到接收接收光纤镜像端面的距离，L表示两光纤端面圆心的距离，α表示光纤与反射面的法线之间的夹角。
进一步地，根据上式可得，发射光锥的端面半径为：
R(d)＝w(d)tanθ
因此，可以得到发射光锥圆心与接收光纤端面圆心的距离为：
D(d)＝|L-f(d)sinα|/cosα
具体地，由图4中的一种一体式微位移光纤传感探头的光强调制函数曲线图可知，当发射光锥端面圆与接收光纤镜像端面圆外切时，光纤端面圆心到反射面的距离为d0。当发射光锥端面圆与接收光纤镜像端面圆内切时，光纤端面圆心到反射面的距离为dp。当d＜d0的时候，发射光锥底面与接收光纤端面不相交，此时光强调制函数M为零；随着距离d的增大，当处于光强调制函数前坡，即d0＜d＜dp时，发射光锥底面与接收光纤端面就会相交，接收光纤就能接收到光信号，并且能探测到光信号大小和相交面积有密切的关系，所述关系的具体示意图如图5中的图(a)、(b)、(c)所示，具体表示为：
其中，r2表示接收光纤的纤芯半径，β1(d)表示发射光锥端面圆与接收光纤端面圆相交点到发射光锥端面圆心连线与两圆心连线的夹角；β2(d)表示发射光锥端面圆与接收光纤端面圆相交点到接收光纤端面圆心连线与量圆心连线的夹角。
根据图5所示的一种一体式微位移光纤传感探头的发射光纤端面与接收光纤端面的示意图中的几何关系，可以得到发射光锥端面与接收光纤端面的相交面积为：
当距离d增大到接收光纤端面内切于发射光锥端面时，相交面积达到最大，此时之后S(d)不会再随着d的增大而改变，但发射光锥端面的光功率密度会随着d的增大而降低，导致传感器收到的光功率随着d的增加而降低。将S(d)代入到M(d)中，得到一种一体式微位移光纤传感探头的调制系数；关于位移d的函数关系式，具体为：
本实施例得到的相关响应曲线即为图6中非0°的响应曲线，可见到本实施例能使该探头比现有RIM-FODS传感器(发射与接收光纤均平行并垂直反射面，即图6中0°响应曲线)具有更高的灵敏度，更少“死区”。
进一步地，当发射光纤为单模光纤，且具有较小数值孔径；而接收光纤为多模光纤且直径较大时，将会出现如图5中R比r1小的情况。此时若定义R＝r1时的w(d)距离为w0，则在此距离以内必定得到系统最高响应值Mmax,如图6中45°倾斜角所示。
按照图3中两光纤不同的关于反射膜法线对称倾角α，与两光纤端面距离L的组合，均可以实现w0，区别在于不同组合时图4曲线中dp位置会发生变化。根据此原理，可以通过光纤固定座中卡槽角度与距离的调整，对响应曲线中d0-dp的位置进行调整。
进一步地，当所探测信号为声波振动信号时。若声波传播速度为c，当密封腔体积为V，深度为l；敏感膜面积为S，直径为d时，该一体式微位移光纤传感探头密封腔内，因共鸣效果，将对受以下关系：
决定的频率为f0的振动信号具有异常灵敏的反应。即频率在f0附近的微弱振动信号将能被敏感探测得到。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种一体式微位移光纤传感探头，其特征在于，所述探头包括敏感膜片、反射膜片、发射光纤、接收光纤、光纤固定座、金属腔体以及金属网格保护罩；
所述敏感膜片、金属腔体以及光纤固定座共同组成一个密封的腔体；敏感膜片的一面镀有反射膜片，反射膜片位于密闭腔体的一侧；敏感膜片外侧有金属网格保护罩；所述发射光纤的发射端与接收光纤的接收端由光纤固定座固定；光纤固定座上有按一定对称角度固定发射光纤发射端和接收光纤接收端的光纤卡槽；光纤能从光纤卡槽预留的空隙伸入密封腔体内。
2.根据权利要求1所述的一种一体式微位移光纤传感探头，其特征在于，发射光纤的发射端、接收光纤的接收端以及接收器位于腔体内；发射光纤具有两端，一端为金属腔体内的发射端，另一端与光源相连接；接收光纤也具有两端，一端为金属腔体内的接收端，另一端与探测器相连接。
3.根据权利要求1所述的一种一体式微位移光纤传感探头，其特征在于，位于密封腔体内发射光纤发射端的轴向与接收光纤接收端的轴向关于反射膜片的法线共面且对称。即从发射光纤发射端射出的光线是以一定的角度射向反射膜的，并非正入射。
4.根据权利要求1所述的一种一体式微位移光纤传感探头，其特征在于，所述反射膜片位于敏感膜片的中心。
5.根据权利要求1所述的一种一体式微位移光纤传感探头，其特征在于，所述敏感膜片的轴线与反射膜片的轴线平行，并与发射光纤和接收光纤共面。
6.根据权利要求1所述的一种一体式微位移光纤传感探头，其特征在于，所述探头中的光强调制函数M表示为：
其中，d表示光纤端面圆心到反射面的距离；R(d)表示发射光纤光锥在接收光纤端面所在的平面的截面的半径长度；S(d)表示发射光锥端面与接收光纤端面的交叠面积。
7.根据权利要求6所述的一种一体式微位移光纤传感探头，其特征在于，通过光纤固定座中卡槽角度与距离的调整，能够对发射光锥端面圆与接收光纤镜像端面圆内切时，光纤端面圆心到反射面的距离dp的位置进行调整，即能够对探头的光强调制函数取得最大值的位置进行调整。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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