CN109238534A - 一种多芯光纤微弯传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种多芯光纤微弯传感器，该传感器包括固定管套、多芯光纤、变形器，固定管套由刚性材料制成，多芯光纤设置于固定管套的中部，固定管套与多芯光纤的间隙处填充有柔性材料，固定管套与变形器之间通过弹性体结构连接，变形器由刚性材料制成，变形器上设置有周期性变形齿。外部压力变化通过变形器的变形传递到光纤微弯变型器，从而使光纤微弯变型器中的周期性变形齿作用于固定套管内的多芯光纤，使多芯光纤发生微弯曲，多芯光纤中不同的纤芯由于空间位置不同，其微弯曲的曲率半径不同，因此不同纤芯产生不同的微弯损耗，根据不同纤芯中光信号损耗的大小，则可以得到外部压力大小和方向的变化，实现外部压力大小和方向的同时传感。
Description
技术领域
本发明涉及一种多芯光纤微弯传感器，涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种基于多芯光纤的压力微弯传感器，能够实现外部压力大小和方向变化的测量。
背景技术
当光在光纤中传输时，光波的相位和振幅会因外界温度、压力、振动等因素作用而产生变化，光纤传感器则是利用了这一原理来检测物理量变化的传感器。由于光纤的光路是封闭的，因此，光纤传感器更适合在高温高压、易燃易爆、腐蚀性情况等恶劣环境下进行测量。因此，光纤传感器在航空航天、石油开采、自动控制等领域得到了广泛应用。
光纤微弯传感器作为一种重要的光纤传感器，是以光纤微弯损耗理论为基础，光纤纤芯的折射率比包层的折射率大，因而可以将光线束缚于纤芯中传输，当光纤发生微弯曲时，使得纤芯模变为包层模，原来束缚于光纤纤芯中的光线产生泄漏，在光纤包层中进行传输，从而使得光纤纤芯中传输的光信号功率减小。利用这一性质，科研工作者制作出了光纤微弯传感器，通过检测光纤纤芯中输出光功率的变化，达到检测外界参量变化的目的。自1980年，J. N. Fields和J. H. Cole首次提出光纤微弯传感器原理以来（Fields J N,Cole J H. Fiber microbend acoustic sensor.[J]. Applied Optics, 1980, 19(19):3265-3267.），由于光纤微弯传感器具有结构简单、成本低廉、便于装备等优点而倍受人们关注。光纤微弯传感器最早用于美国海军研究所研制的光纤水听器系统中，随后，基于光纤微弯调制原理的传感器进一步扩展到位移、压力、加速度等各种物理参量的测量。其检测位移分辨率可达到0.1nm量级水平，检测动态范围达到100dB以上。由于光纤微弯传感器光路的密闭性，可以在高压、高温、低温等恶劣环境条件下工作，弥补了其它类型的传感器不能在此种环境条件下工作的空白。
虽然光纤微弯压力传感器具有体积较小，重量轻，抗电磁干扰能力强，以及能够适应较为恶劣的工作环境等许多独特的优势(刘长华,徐亚军.基于光时域反射法的分布式光纤应力传感器.[J].仪表技术与传感器, 2005, 3(6): 3-5.)，但是现有的光纤微弯压力传感器仍然存在一定的缺陷，例如单一的光纤微弯压力传感器只能够探测固定方向的压力大小，而无法感知压力的方向。如：中国发明专利CN87107210公开了一种“微弯光纤应力计”，其是利用两块具有相对的、互相错开的波纹表面的板，和一根夹在两块板之间的信号光纤来实现应力大小的传感。中国专利CN93206204.0公开了一种“光纤传感压力头”，提出的将光纤盘为直径5-l0mm左右的光纤环数圈，并通过夹具安置在固定支架和C型弹簧管之间，在有压力变化时，C型弹簧管的位置相对于固定支架的变动而改变了光纤环的弯曲曲率，造成在光纤环中传输的光信号的弯曲损耗变化，通过对该弯曲损耗变化的检测实现压力大小测量。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种多芯光纤微弯传感器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种多芯光纤微弯传感器，包括固定管套、多芯光纤、变形器，所述固定管套由刚性材料制成，所述多芯光纤设置于固定管套的中部，所述固定管套与多芯光纤的间隙处填充有柔性材料，所述固定管套与变形器之间通过弹性体结构连接，所述弹性体结构用于使变形器发生变形和回复，所述变形器由刚性材料制成，所述变形器上设置有周期性变形齿，当外部压力作用于变形器上时，弹性体结构产生形变，变形器上的周期性变形齿使固定套管内的多芯光纤产生微弯曲。
优选地，所述多芯光纤为七芯光纤，即第一纤芯、第二纤芯、第三纤芯、第四纤芯、第五纤芯、第六纤芯、第七纤芯，七个纤芯的空间分布为：第一纤芯、第二纤芯、第三纤芯、第四纤芯、第五纤芯、第六纤芯呈正六边形结构，为外芯，第七纤芯位于正六边形的中心，为内芯。
优选地，第一纤芯、第二纤芯、第三纤芯、第四纤芯、第五纤芯、第六纤芯、第七纤芯的每个芯径的直径都为8μm，纤芯之间的距离为38μm ，多芯光纤的包层直径为125μm 。
优选地，所述套管内填充的柔性材料为发泡材料，所述发泡材料为海绵或发泡橡胶。
优选地，所述固定套管为六棱柱结构，所述固定套管的每一个侧面均与多芯光纤的外芯对应，每一个侧面交叉等距离地开设有孔洞，变形器通过孔洞作用在多芯光纤上，每一个孔洞的直径相同。
优选地，所述弹性体结构为弹簧。
优选地，所述变形器的个数为六个，每一个变形器与固定套管的一个侧面平行，每个变形器上的变形齿与固定管套上的孔洞一一对应。
本发明技术方案的优点主要体现在：外部压力变化通过变形器的变形传递到光纤微弯变型器，从而使光纤微弯变型器中的周期性变形齿作用于固定套管内的多芯光纤，使多芯光纤发生微弯曲，多芯光纤中不同的纤芯由于空间位置不同，其微弯曲的曲率半径不同，因此不同纤芯产生不同的微弯损耗，根据不同纤芯中光信号损耗的大小，则可以得到外部压力大小和方向的变化，实现外部压力大小和方向的同时传感。
附图说明
图1为本发明的一种多芯光纤微弯传感器结构横截面示意图。
图2为本发明的一种多芯光纤微弯传感器结构纵截面示意图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种多芯光纤微弯传感器，如图1所示，该传感器包括固定管套1、多芯光纤2、变形器4，所述固定管套由刚性材料制成，所述多芯光纤设置于固定管套的中部，所述固定管套与多芯光纤的间隙处填充有柔性材料3，所述套管内填充的柔性材料为发泡材料，所述发泡材料为海绵或发泡橡胶 。
所述固定管套与变形器之间通过弹性体结构5连接，所述弹性体结构用于使变形器发生变形和回复，在本技术方案中，所述弹性体结构优选为弹簧。所述变形器由刚性材料制成，所述变形器上设置有周期性变形齿，当外部压力作用于变形器上时，弹性体结构产生形变，变形器上的周期性变形齿使固定套管内的多芯光纤产生微弯曲。
所述多芯光纤为七芯光纤，即第一纤芯12、第二纤芯13、第三纤芯14、第四纤芯15、第五纤芯16、第六纤芯17、第七纤芯11，七个纤芯的空间分布为：第一纤芯、第二纤芯、第三纤芯、第四纤芯、第五纤芯、第六纤芯呈正六边形结构，为外芯，第七纤芯位于正六边形的中心，为内芯。第一纤芯、第二纤芯、第三纤芯、第四纤芯、第五纤芯、第六纤芯、第七纤芯的每个芯径的直径都为8μm，纤芯之间的距离为38μm ，多芯光纤的包层直径为125μm 。
所述固定套管为六棱柱结构，所述固定套管的每一个侧面均与多芯光纤的外芯对应，每一个侧面交叉等距离地开设有孔洞31，变形器通过孔洞作用在多芯光纤上，每一个孔洞的直径相同。
所述变形器的个数为六个，第一变形器a、第二变形器b、第三变形器c、第四变形器d、第五变形器e、第六变形器f，每一个变形器与固定套管的一个侧面平行，每个变形器上的变形齿与固定管套上的孔洞一一对应，即第一变形器a、第二变形器b、第三变形器c、第四变形器d、第五变形器e、第六变形器f分别对应固定套管的六个侧面，第一变形器a、第二变形器b、第三变形器c、第四变形器d、第五变形器e、第六变形器f上的变形齿均与固定管套上的孔洞一一对应。
以图2所示的纵截面为例来说明本发明中一种多芯光纤微弯传感器的工作流程：图2为本发明的结构纵截面示意图，是以多芯光纤的第一纤芯12，第七纤芯11和第四纤芯15为轴的纵向切面图，假设当变形器d受到外部压力作用，弹性体结构5发生变形，变形器d上的周期性变形齿41通过固定套管1内柔性材料中预留的孔洞31作用在多芯光纤2上，使多芯光纤2发生微弯变形，此时多芯光纤2内的第一纤芯12弯曲的曲率半径大于第七纤芯11弯曲的曲率半径，第七纤芯11弯曲的曲率半径大于第四纤芯15弯曲的曲率半径，从而导致第一纤芯12产生的微弯曲损耗小于第七纤芯11产生的微弯曲损耗，第七纤芯11产生的微弯曲损耗小于第四纤芯15产生的微弯曲损耗，根据第一纤芯12，第七纤芯11和第四纤芯15纤芯内光信号微弯损耗大小梯度可以判断外部压力来自变形器d板方向，而非来自变形器a板方向，同时根据各纤芯内光信号微弯损耗大小可以计算出压力大小，当d板的作用力撤除后，柔性材料3使变形的多芯光纤2复原，弹性体结构5恢复形变，使变形器4复位，这样在撤销作用力后，多芯光纤回复初始状态。
本技术方案是一种利用柔性材料在压力下易变性的特点，以及多芯光纤微弯时不同纤芯由于微弯曲的曲率不同而产生不同的微弯损耗，实现外部压力大小和方向检测的传感器。具体来说，外部压力变化通过柔性材料的变形传递到光纤微弯变型器，从而使光纤微弯变型器中的周期性变形齿作用于固定套管内的多芯光纤，使多芯光纤发生微弯曲，多芯光纤中不同的纤芯由于空间位置不同，其微弯曲的曲率半径不同，因此不同纤芯产生不同的微弯损耗，根据不同纤芯中光信号损耗的大小，则可以得到外部压力大小和方向的变化，实现外部压力大小和方向的同时传感。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多芯光纤微弯传感器，其特征在于：包括固定管套、多芯光纤、变形器，所述固定管套由刚性材料制成，所述多芯光纤设置于固定管套的中部，所述固定管套与多芯光纤的间隙处填充有柔性材料，所述固定管套与变形器之间通过弹性体结构连接，所述弹性体结构用于使变形器发生变形和回复，所述变形器由刚性材料制成，所述变形器上设置有周期性变形齿，当外部压力作用于变形器上时，弹性体结构产生形变，变形器上的周期性变形齿使固定套管内的多芯光纤产生微弯曲。
2.根据权利要求1所述的一种多芯光纤微弯传感器，其特征在于：所述多芯光纤为七芯光纤，即第一纤芯、第二纤芯、第三纤芯、第四纤芯、第五纤芯、第六纤芯、第七纤芯，七个纤芯的空间分布为：第一纤芯、第二纤芯、第三纤芯、第四纤芯、第五纤芯、第六纤芯呈正六边形结构，为外芯，第七纤芯位于正六边形的中心，为内芯。
3.根据权利要求2所述的一种多芯光纤微弯传感器，其特征在于：第一纤芯、第二纤芯、第三纤芯、第四纤芯、第五纤芯、第六纤芯、第七纤芯的每个芯径的直径都为8μm，纤芯之间的距离为38μm ，多芯光纤的包层直径为125μm 。
4.根据权利要求1所述的一种多芯光纤微弯传感器，其特征在于：所述套管内填充的柔性材料为发泡材料，所述发泡材料为海绵或发泡橡胶。
5.根据权利要求1所述的一种多芯光纤微弯传感器，其特征在于：所述固定套管为六棱柱结构，所述固定套管的每一个侧面均与多芯光纤的外芯对应，每一个侧面交叉等距离地开设有孔洞，变形器通过孔洞作用在多芯光纤上，每一个孔洞的直径相同。
6.根据权利要求1所述的一种多芯光纤微弯传感器，其特征在于：所述弹性体结构为弹簧。
7.根据权利要求1所述的一种多芯光纤微弯传感器，其特征在于：所述变形器的个数为六个，每一个变形器与固定套管的一个侧面平行，每个变形器上的变形齿与固定管套上的孔洞一一对应。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |