CN110799820B - 具有π相移布拉格光栅的光学传感器和使用其的光学感测系统 - Google Patents

具有π相移布拉格光栅的光学传感器和使用其的光学感测系统 Download PDF

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Abstract

光学传感器总体上具有框架和感测光纤，框架具有安装到该框架的可变形构件，感测光纤固定地附接到可变形构件的一部分，该感测光纤具有刻在其上的至少一个π相移光纤布拉格光栅，当框架受到力时，感测光纤的至少一个π相移光纤布拉格光栅与可变形构件一起变形。

Description

具有π相移布拉格光栅的光学传感器和使用其的光学感测 系统
技术领域
本改进总体上涉及光学计量传感器，并且更特别地是涉及结合至少一根光纤的光学计量传感器。
背景技术
电应变传感器(例如电阻箔传感器和基于压电的传感器)已经被使用。然而，现有的电应变传感器通常对电磁辐射和/或电离辐射敏感。它们还具有有限的传输距离并且本质上不安全。通过使用具有嵌入在光纤内的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)的光学应变传感器来测量应变和/或温度，可以克服这些缺点中的至少一些。
FBG已经在电信行业被广泛地使用。实际上，FBG可以作为波长可选择镜使用，其中一些波长的光被反射，而一些其它波长的光被允许通过。一种FBG制造技术涉及到将紫外线(UV)光束照射到光纤芯上以在芯内在其一小段长度上刻写周期性图案。周期性图案包括光纤芯的折射率的变化，其可以充当用于至少一些波长(通常被称为布拉格波长λB)的反射界面。FBG的布拉格波长λB随被刻在光纤芯中的周期性图案的变化而改变。因此，改变折射率的两个连续变化之间的间隔距离(即，间距)相应地改变布拉格波长λB。
虽然FBG在电信行业中可用于管理不同的波长，但FBG还可用于应变感测应用。实际上，向具有刻写在其芯中的FBG的光纤施加应变将修改光纤的长度，这将进而改变光纤的FBG的布拉格波长λB的间距。可以监测这一改变，使得能够光学地执行应变测量。
通过使用光学应变传感器执行应变测量，与常规的电应变传感器相比，至少可以实现一些益处。例如，测量不再对电磁干扰敏感，从而允许这些光学应变传感器被定位在高度电磁干扰发射装置(例如发电机和/或变压器)的附近。此外，当FBG被制造在辐射硬化光纤中时，监测高电离辐射区域中的温度和/或应变成为可能。光学应变传感器在测量点也不需要电能，因此可以使其本质上安全，使得能够在危险的环境中执行测量而不引起火花风险。而且，还可以制造热稳定的FBG，使得能够在例如超过1000摄氏度的温度下进行应变测量。
虽然已经发现现有的光学应变传感器在一定程度上令人满意，但仍然有改进的空间，例如，为光学应变传感器提供更高的分辨率。
发明内容
根据一个方面，提供了光学传感器，包括框架和感测光纤，框架具有安装到该框架的可变形构件，感测光纤固定地附接到可变形构件的一部分，该感测光纤具有刻在其上的至少一个π相移光纤布拉格光栅，当框架受到力时，感测光纤的至少一个π相移光纤布拉格光栅与可变形构件一起变形。
根据一个方面，提供了光学感测系统，包括：光学传感器；框架和感测光纤，框架具有安装到该框架的可变形构件，感测光纤固定地附接到可变形构件的一部分，该感测光纤具有刻在其上的至少一个π相移光纤布拉格光栅，当框架受到力时，感测光纤的至少一个π相移光纤布拉格光栅与可变形构件一起变形；以及信号调节器，该信号调节器光耦合到感测光纤，信号调节器适合并且配置为测量π相移光纤布拉格光栅的布拉格波长偏移ΔλB，并且生成表示布拉格波长偏移ΔλB的信号；以及计算机，该计算机通信耦合到信号调节器并且配置为基于布拉格波长偏移ΔλB和光学传感器的已知特性来感测感兴趣的被测物理量。
在阅读本公开之后，本领域技术人员将会想到关于本改进的许多进一步的特征及其组合。
附图说明
在图中，
图1是结合光学传感器和信号调节器的光学感测系统的示意性原理图；
图2是示出了π相移光纤布拉格光栅的滤波器函数的示例的曲线图；
图3是用于负载感测应用的光学传感器的示例的斜视图，其中沿着可变形构件设置感测光纤；
图4是用于负载感测应用的光学传感器的另一示例的斜视和剖面图，其中感测光纤缠绕在可变形构件周围；
图5是用于负载感测应用的光学传感器的另一示例的斜视和剖面图，其中感测光纤在光学传感器的壳体内部；
图6是用于运动感测应用的光学传感器的示例的斜视和剖面图，其中惯性构件设置在光学传感器的隔膜上；
图6A是图6的光学传感器的顶视图；
图7是用于运动感测应用的光学传感器的另一示例的斜视和剖面图，其中惯性构件安装到可变形管状构件；
图8是在可变形管状构件和隔膜配置中用于压力感测应用的光学传感器的示例的斜视和剖面图；以及
图9是在双隔膜配置中用于压力感测应用的光学传感器的另一示例的斜视和剖面图。
具体实施方式
图1示出了根据实施例的光学感测系统10的示例。如从以下描述将理解，根据该实施例，光学感测系统10可用于感测应变、温度、负载、加速度、压力、流量、扭矩、水平和/或任何其它合适的被测物理量。
如所描绘的，光学感测系统10具有信号调节器12和光学传感器100。
光学传感器100具有框架102和感测光纤106，框架102具有安装到框架102的可变形构件104，感测光纤106固定地附接到可变形构件104的一部分。感测光纤106具有刻在其上的至少一个π相移光纤布拉格光栅108。如将理解的，当框架102受到力时，感测光纤106的π相移光纤布拉格光栅108与可变形构件104一起变形。
信号调节器12具有用于发射光信号的光源14和用于将光信号耦合到感测光纤106中的光耦合器16。布拉格波长偏移监测子系统18被提供用于随时间监测π相移光纤布拉格光栅108的布拉格波长λB。计算机20用于基于布拉格波长λB随时间的偏移来感测和/或存储感兴趣的被测物理量。
在本示例中，布拉格波长偏移监测子系统18具有Pound-Drever-Hall配置。更具体地说，布拉格波长偏移监测子系统18具有光电二极管22、混频器24、移相器26、频率调制器28、低通滤波器30和伺服器32。布拉格波长偏移监测子系统18通过相位或频率调制来调制光源14。当光信号的波长与π相移光纤布拉格光栅108的布拉格波长λB匹配时，产生相移光反射。该反射信号被解调以生成与布拉格波长偏移ΔλB成比例并且因此与π相移光纤布拉格光栅108所经历的应变成比例的误差信号。
图2示出了滤波器函数50的示例，滤波器函数50为π相移光纤布拉格光栅108所特有。在本示例中，π相移光纤布拉格光栅108是无双折射的，因此它的滤波器函数50仅呈现一个谐振峰52。
使用π相移光纤布拉格光栅108的一个益处是，与传统的具有FWHM范围在0.1nm到0.5nm之间的谐振峰的FBG不同，它的谐振峰52可以具有低于2pm的半峰全宽(full widthat half maximum，FWHM)。因此，滤波器函数50的谐振峰52的窄度允许提高监测布拉格波长偏移ΔλB的分辨率，并且进而允许提高了分辨率的应变测量。例如，对于π相移光纤布拉格光栅108的滤波器函数50，应变测量的分辨率提高了100倍。
使用π相移光纤布拉格光栅108的另一个益处是每次开启信号调节器12以跟随谐振峰的布拉格波长λB时，信号调节器12将总是跟随相同峰值的布拉格波长偏移ΔλB，因为只有谐振峰52可跟随。与结合了由于双折射而具有两个谐振峰的π相移光纤布拉格光栅的光学传感器相比或者与结合了具有多个谐振峰的法布里-珀罗干涉仪的光学传感器相比，这可以是有利的。
如果还使用不同波长的多个光源，信号调节器12可用于监测不同波长的多个不同的π相移光纤布拉格光栅。通过使用光学感测系统10，可以显著地增加测量带宽以与传统的电测量技术竞争，并且可以改善应变分辨率以监测在光学传感器100中的亚纳米应变变化。这种光学传感器可以在低温到1000摄氏度的温度下操作，同时在10kHz或者更高的频率下监测±500g的加速度。这些益处使得力测量光学传感器，例如称重传感器、加速计、压力传感器或温度传感器得以开发，参考图3-9描述了这些传感器的示例。
图3示出了根据实施例的光学传感器300的示例。如将理解的，光学传感器300可以有利地用于负载感测应用。当用在光学感测系统中时，光学传感器300可用于连续地确定和/或记录作用于光学传感器300的力的方向、大小和持续时间。
如所示出的，光学传感器300具有框架302，框架302具有安装到框架302的可变形构件304。光学传感器300具有感测光纤306，感测光纤306固定地附接到可变形构件304的一部分。感测光纤306具有刻在其上的至少一个π相移光纤布拉格光栅308。因此，当框架302受到负载时，π相移光纤布拉格光栅308与可变形构件304一起变形。可以通过监测π相移光纤布拉格光栅308的布拉格波长λB来监测可变形构件304的变形。
感测光纤306可以是单模光纤，例如SMF-28。仅为了清楚的目的，示意性地示出π相移光纤布拉格光栅308。实际上，在一些实施例中，可以沿着感测光纤306的较短长度(例如，2-4mm)刻写π相移光纤布拉格光栅308，然而，在一些其他实施例中，可以沿着感测光纤306的较长长度(例如，1-2m)刻写π相移光纤布拉格光栅308。沿其刻写π相移光纤布拉格光栅308的长度通常取决于π相移光纤布拉格光栅308如何附接到可变形构件304。
在本示例中，可变形构件304与框架302被制成一体。然而，在替代实施例中，可变形构件304可以与框架302分离，但机械地耦合到框架302。
在本示例中，框架302完全由可变形和有弹性的材料制成。在这种情况下，只有可变形构件304可以由可变形和有弹性的材料制成。选择可变形构件304的材料以便施加在框架302上的负载将不会引起可变形部件304的塑料变形。换句话说，可变形构件304变形的程度低于材料的弹性极限。
如所示出的，框架302具有沿着框架302的长度312延伸的矩形横截面，从而使框架302具有四个侧表面314。然而，在一些其他实施例中，应理解的是，框架302可以具有圆形横截面、椭圆形横截面或任何其他合适的横截面形状。
更具体地说，在本示例中，框架302具有第一部分302a、相对的第二部分302b和在第一部分302a与第二部分302b之间的中间部分302c。如所示出的，在本示例中，框架302的中间部分302c具有矩形横截面310c，该矩形横截面310c比第一部分302a的矩形横截面310a略小并且比第二部分302b的矩形横截面310b略小。
另外，在本示例中提供有延伸穿过框架302的中间部分302c的凹部316。那么可以理解的，框架302的中间部分302c充当可变形构件304，在本示例中，当框架302受到负载时，可变形构件304将使感测光纤306变形。较小的矩形横截面310c和可变形构件304的凹部316的存在可以将变形聚集在中间部分302c处，并且因此允许可变形构件304在框架302受到负载时更多地变形，从而导致在π相移光纤布拉格光栅308的布拉格波长λB中的更大偏移。
在本实施例中，感测光纤306沿着与框架302的长度312平行的轴线318延伸。然而，在一些其他实施例中，感测光纤306可以设置在沿着可变形构件304的一个或多个表面的弓形路径中。在替代实施例中，感测光纤308可以缠绕在框架302的长度312周围，并且更具体地说，缠绕在可变形构件304的周围。
可以通过任何合适的方式将感测光纤306附接到可变形构件304。例如，可以经由合适的黏合剂将感测光纤306黏附到可变形构件304。
如本示例所描绘的，框架302具有通道320，该通道凹陷在框架302的第一部分302a中，并且经由由矩形横截面301a和矩形横截面301c之间的差异造成的台阶322通向可变形构件304。因此，感测光纤306的第一端306a可以插入到通道320中并沿着通道320推进，从而使感测光纤306的第一端306a几乎到达框架302的第二部分302b。在本示例中，与第一端306a相对的感测光纤306的第二端306b设置有用于连接到接插线326的光学连接器324。
可变形构件304的材料、它的弹性模量、它的抗屈强度和它的热膨胀系数、它的几何特性(例如它的宽度、它的高度和它的长度厚度)是已知的，以便可变形构件304的特定变形确定和/或记录作用于光学传感器300的力的方向、大小和持续时间。可用于可变形构件304的材料的示例包括不锈钢、镍铬铁合金、碳化硅等。框架302的长度可以在20mm到400mm之间的范围内，并且框架302的宽度/高度可以在1mm到50mm之间的范围内，这取决于实施例。
图4示出了根据另一实施例的光学传感器400的另一示例。如将理解的，光学传感器400可以有利地用于负载感测应用。当用在光学感测系统中时，光学传感器400可用于连续地确定和/或记录作用于光学传感器400的力的方向、大小和持续时间。光学传感器400具有与参考图3所描述的光学传感器300的相似性。因此，相似的元件将具有相似的附图标记，但是在400系列中代替在300系列中。
如所描绘的，光学传感器400具有框架402，框架402具有安装到框架402的可变形构件404。光学传感器400具有感测光纤406，感测光纤406固定地附接到可变形构件404的一部分。感测光纤具有刻在其上的至少一个π相移光纤布拉格光栅408。仅为了清楚的目的，示意性地示出π相移光纤布拉格光栅408。因此，当框架402受到负载时，π相移光纤布拉格光栅408与可变形构件404一起变形。可以通过监测π相移光纤布拉格光栅408的布拉格波长λB来监测可变形构件404的变形。
仍然在本示例中，可变形构件404与框架402被制成一体。因此，在本示例中，框架402由如上所述的可变形和有弹性的材料制成。
如图所示，在本示例中可变形构件404具有沿着框架402的长度412延伸的圆形横截面。
在这一具体实施例中，框架402具有第一部分402a、相对的第二部分402b和在第一部分402a与第二部分402b之间的中间部分402c。第一部分402a、第二部分402b和中间部分402c具有圆形横截面410a、圆形横截面410b和圆形横截面410c中各自的一个。如所示出的，中间部分的圆形横截面410c小于框架402的第一部分402a的圆形横截面410a和第二部分402b的圆形横截面410b。圆形横截面410c充当可变形构件404，当框架402受到负载时可变形构件404将变形。这种减小的圆形横截面410c允许可变形构件404在框架402受到力时更多地变形，从而导致在π相移光纤布拉格光栅408的布拉格波长λB中的更大偏移。
如本实施例所示，框架402的第一部分402a和第二部分402b中的每一个终止于用于拧入相应的螺纹孔(未示出)的螺纹428。
如本实施例，感测光纤406缠绕在可变形构件404的圆形横截面410c的周围，并附接到其上。在另一实施例中，感测光纤406可以附接到可变形构件404，从而使得感测光纤406沿着与框架402的长度412平行的轴线延伸。在这两个实施例中，可以经由合适的黏合剂将感测光纤406黏附到可变形构件404。
在本实施例中，框架402包括套筒430，套筒430覆盖框架402的中间一部分并且固定到其上。套筒430可以密封地安装到框架402。如所示出的，套筒430具有光纤开口432，穿过光纤开口432可以设置感测光纤406。套筒430的光纤开口432可以设置有用于连接到相应的接插线(未示出)的光学连接器434。
图5示出了根据一实施例的光学传感器500的另一示例。如将理解的，光学传感器500可以有利地用于负载感测应用，并且更具体地说，用于沿着感测取向536施加的负载。当用在光学感测系统中时，光学传感器500可用于连续地确定和/或记录作用于光学传感器500的力的方向、大小和持续时间。光学传感器500具有与参考图4所描述的光学传感器400的相似性。因此，相似的元件将具有相似的附图标记，但是在500系列中代替在400系列中。
如图所示，光学传感器500具有框架502，框架502具有安装到框架的可变形构件504。光学传感器500具有感测光纤506，感测光纤506固定地附接到可变形构件504的一部分。感测光纤506具有刻在其上的至少一个π相移光纤布拉格光栅508。仅为了清楚的目的，示意性地示出π相移光纤布拉格光栅508。因此，当框架502沿着感测取向536受到负载时，π相移光纤布拉格光栅508与可变形构件504一起变形。可以通过监测π相移光纤布拉格光栅508的布拉格波长λB来监测可变形构件504的变形。
在本示例中，框架502以壳体538的形式提供，壳体538具有垂直于感测取向536的基座540。壳体538还具有圆柱形壁542，圆柱形壁542沿着感测取向536延伸并且限定了空腔544。壳体538还具有用于使感测光纤506到达空腔544的光纤开口532。如所示出的，圆柱形壁542终止于充当可变形构件504的隔膜546。圆柱形壁542无需是圆柱形的，如在其他实施例中它可以具有任何其他形状。
隔膜546的材料、它的弹性模量、它的抗屈强度和它的热膨胀系数、它的几何特性(例如它的厚度和直径)是已知的，以便隔膜546的特定变形可用于确定和/或记录作用于光学传感器500的力的方向、大小和持续时间。可用于隔膜546的材料的示例包括不锈钢、镍铬铁合金、碳化硅等。隔膜546的直径可以在15mm到40mm之间的范围内，然而它的厚度可以在0.1mm到2mm之间的范围内。在本实施例中，隔膜546与壳体538被制成一体。然而，在一些其他实施例中，隔膜546可以设置为单独的部分，其密封地附接到圆柱形壁542。隔膜546配置为在感测取向536的两个方向上类似地变形。
如所示出的，感测光纤506位于壳体538的空腔544内部。感测光纤506可以经由壳体538的光纤开口532插入穿过壳体538。
感测光纤506附接到隔膜546的内表面546a。实际上，在本示例中，感测光纤506缠绕成感测光纤506的卷548，卷548然后附接到隔膜546的内表面546a。例如，感测光纤506的卷548可以黏附到内表面546a。
如所示出的，隔膜546具有设置在隔膜546的外表面546b上的负载接收突起550。感测光纤506的卷548同中心地设置在负载接收突起550的周围。垂直于感测取向536施加的力在壳体538的设计中被隔离，以便光学传感器500可以作为单轴的称重传感器操作。当附接在这种布置里时，感测光纤506测量隔膜546的正切变形以响应施加在负载接收突起550处的力。这一布置允许感测光纤506沿着它的敏感长度经历均匀的变形。
图6示出了根据另一实施例的光学传感器600的另一示例。如将理解的，光学传感器600可以有利地用于运动感测应用，并且更具体地说，用于沿着感测取向636发生的运动感测。当用在光学感测系统中时，光学传感器600可用于连续地确定和/或记录用于改变光学传感器600的运动的力的方向、大小和持续时间。例如，光学传感器600设计为对沿着感测取向636的任意一个或两个方向的加速度敏感。光学传感器600具有与参考图5所描述的光学传感器500的相似性。因此，相似的元件将具有相似的附图标记，但是在600系列中代替在500系列中。
如所示出的，光学传感器600具有壳体638，壳体638具有安装到壳体638的可变形构件604。光学传感器600具有感测光纤606，感测光纤606固定地附接到可变形构件604的一部分。感测光纤606具有刻在其上的至少一个π相移光纤布拉格光栅608。因此，当壳体638移动时，π相移光纤布拉格光栅608与可变形构件604一起变形。可以通过监测π相移光纤布拉格光栅608的布拉格波长λB来监测可变形构件604的变形。
更具体地说，在本示例中，壳体具有基座640，基座640可固定到感兴趣的物体和/或结构(未示出)上。如所描绘的，基座640垂直于感测取向636。因此，当壳体的基座固定到感兴趣的物体和/或结构时，光学传感器配置为并适合于感测感兴趣的物体和/或结构沿着感测取向636发生的移动。
壳体638还具有沿着感测取向636延伸并且限定了空腔644的圆柱形壁642。壳体638还具有用于使感测光纤606到达空腔644的光纤开口632。如所示出的，光纤开口632设置在壳体638的圆柱形壁642中。在本实施例中，圆柱形壁642终止于环形座652，环形座652用于接收可以密封地固定到环形座652的盖654。
在本示例中，可变形构件604包括安装到壳体638的圆柱形壁642的隔膜646。如所示出的，隔膜646在垂直于感测取向636的平面中延伸，并将空腔644分成两个子空腔644a和644b。
隔膜646的材料、它的弹性模量、它的抗屈强度和它的热膨胀系数、它的几何特性(例如它的厚度和直径)是已知的，以便隔膜646的特定变形可用于确定光学传感器600的加速度。可用于隔膜646的材料的示例包括不锈钢、镍铬铁合金、碳化硅等。在一些实施例中，隔膜646的直径可以在15mm到40mm之间的范围内，然而它的厚度可以在0.1mm到2mm之间的范围内。如所示出的，隔膜646与壳体638被制成一体。然而，在一些其他实施例中，隔膜646可以是与壳体638分离的组件。隔膜646配置为在感测取向636的两个方向上类似地变形。
光学传感器600具有机械地耦合到隔膜646的惯性构件656，并且更具体地说，耦合到隔膜646的第一面646a。用这种方法，感测光纤606可以经历与隔膜646相同的变形。在本实施例中，惯性构件656以对于隔膜646居中的球的形式提供。如将理解的，当光学传感器600在感测取向636上移动时，惯性构件656的使用有助于放大隔膜646的变形。空腔644的尺寸和形状被设定为允许惯性构件656在光学传感器600移动时使隔膜646自由地变形。在本示例中，惯性构件656可以以碳化钨球的形式提供，因为它可以具有已知的几何特性和相对较高的密度，这允许更加紧凑的光学传感器。惯性构件656可以具有任何合适的形状。然而，优选地是惯性构件656的质心与隔膜646同中心地定位。在一些实施例中惯性构件656可以具有范围在5g到30g之间的质量。
鉴于壳体的结构，光学传感器600配置为对沿着感测取向636的运动变化的特定方向敏感。在本实施例中，垂直于感测取向636的运动变化被隔离以便光学传感器600可以作为单轴加速计操作。
惯性构件656可以通过对隔膜646施加与惯性构件656的质量和它的相对于固定参考平面的加速度的乘积成比例的相应的力，对用作改变光学传感器600相对于固定参考平面的运动所施加的力作出反应。当这个力被施加到隔膜646时，隔膜646的材料的变形与隔膜646的几何和材料特性成比例地发生。
在本实施例中，壳体638可用于对隔膜646、惯性构件656和感测光纤606提供环境隔离，以便最小化任何施加的非感兴趣的输入。例如，壳体638提供了保护，以防止用户在操作期间接触惯性构件656而改变隔膜646的变形。
如可以看到的，感测光纤606缠绕成感测光纤606的卷648，并且附接到隔膜646的第一面646a。如所示出的，感测光纤606的卷648相对于惯性构件656同中心地定位。在本示例中，卷648具有范围在8mm到20mm的直径，优选地为12mm，但是卷648可以具有任何其他合适的直径。当附接在这种布置里时，感测光纤606响应于(由惯性构件656)施加在隔膜646的中心处的力来测量隔膜646的正切变形。这一布置允许感测光纤606沿着它的敏感长度经历均匀的变形。在一些其他实施例中，感测光纤606可以被布置成在隔膜646上径向延伸的直线，隔膜646的敏感长度的中点位于隔膜646的中心处。在这一布置中，感测光纤606可以附接到隔膜646的第二面646b。后面的这种布置可以最适于具有短的敏感长度，例如4mm的感测光纤606。
在该具体的实施例中，基座640具有第一表面640a和相对的第二表面640b，第一表面640a将被邻接和固定到感兴趣的物体和/或结构上。基座640可以具有与第一表面640a和第二表面640b之间的间隔距离相对应的第一厚度。
利用任何合适的紧固件和/或黏合剂，可以将基座固定到感兴趣的物体和/或结构上。如图6A可以最好地看见，在本示例中基座640具有三个孔658。每个孔658从第一表面640a到第二表面640b贯穿基座640。然而，将理解，基座640可以具有一个孔、两个孔或超过三个孔，这取决于实施例。基座640无需有孔，如在替代实施例中第一表面640a可以黏附到感兴趣的物体和/或结构。意图是，壳体638可以固定到对加速度测量有兴趣的任何位置。
壳体638的圆柱形壁642从第二表面640b延伸，远离第二表面640b，并且沿着感测取向636延伸。在本示例中，空腔644具有圆形横截面。如所示出的，基座640具有从基座的第二表面640b朝向第一表面640a凹陷的凹陷部分660。在本示例中，基座的凹陷部分660朝向第一表面640a延长空腔644。所得到的空腔因此由圆柱形壁642和基座640的凹陷部分660形成。
图7示出了根据另一实施例的光学传感器700的另一示例。如将理解的，光学传感器700可以有利地用于运动感测应用，并且更具体地说，用于沿着感测取向736发生的运动感测。当用在光学感测系统中时，光学传感器700可用于连续地确定和/或记录作用于改变光学传感器700的运动的力的方向、大小和持续时间。例如，光学传感器设计为对沿着感测取向736的任意一个或两个方向的加速度敏感。
如所示出的，光学传感器具有壳体738，壳体738具有安装到壳体738的可变形构件704。光学传感器700具有感测光纤706，感测光纤706固定地附接到可变形构件704的一部分。感测光纤706具有刻在其上的至少一个π相移光纤布拉格光栅。因此，当壳体738移动时，感测光纤706的π相移光纤布拉格光栅与可变形构件704一起变形。可以通过监测π相移光纤布拉格光栅的布拉格波长λB来监测可变形构件704的变形。
更具体地说，在本示例中，壳体738具有垂直于感测取向736的基座740。基座可固定到感兴趣的物体和/或结构上。因此，当壳体738的基座740固定到感兴趣的物体和/或结构时，光学传感器700配置为并适合于感测感兴趣的物体和/或结构沿着感测取向736发生的移动。
壳体738还具有圆柱形壁742，圆柱形壁742沿着感测取向736延伸并且限定了空腔744。在本实施例中，盖754在圆柱形壁742的顶部密封空腔744。如所示出的，这本实施例中，盖754与圆柱形壁742被制成一体。然而，盖754可以是固定到圆柱形壁742的单独的部分。壳体738还具有在盖754中用于使感测光纤706到达空腔744的光纤开口732。如所示出的，光纤开口相对于盖754同中心地定位。
在该具体的示例中，可变形构件704包括可变形管状构件762，可变形管状构件762在空腔744内部沿着感测取向736延伸。可变形管状构件762具有安装到盖754的内面754a的第一末端762a和安装到基座740的第二末端762b。如所示出的，感测光纤706沿着感测取向736附接(例如，黏附)到可变形管状构件762的内表面764。因此，管状构件762在拉伸或压缩下所经历的变形与感测光纤706的变形相同。
可变形管状构件762的材料、它的弹性模量、它的抗屈强度和它的热膨胀系数、它的几何特性(例如它的厚度和直径)是已知的，以便可变形管状构件762的特定变形可用于确定光学传感器700的加速度。可用于可变形管状构件762的材料的示例包括不锈钢、镍铬铁合金、碳化硅等。
在本实施例中，光学传感器700具有机械地耦合到可变形管状构件762的惯性构件756。更具体地说，惯性构件756安装到可变形管状构件762的第二末端762b。当光学传感器700在感测取向736上移动时，惯性构件756的使用可以有助于放大可变形管状构件762的变形。因此，当惯性构件756经历运动变化时，以拉伸或压缩对惯性构件756施加的力与惯性构件756的质量和惯性构件756相对于固定的参考点的加速度成比例。
光学传感器700对所施加的运动变化具有特征敏感度，特征敏感度由可变形管状构件762几何和材料特性以及惯性构件756的质量决定。通过改变可变形管状构件762的几何和材料特性以具有更低的弹簧常数，光学传感器700变得更加敏感，反之亦然。通过降低惯性构件756的质量，光学传感器700变得较不敏感，反之亦然。
如所述的光学传感器700具有可变形管状构件762和惯性构件756的特征固有共振频率。当运动(例如，振动)的振荡变化施加到变化频率的壳体738时，可以达到固有共振频率，这将由此改变光学传感器700的特征敏感度。因此，优选地，光学传感器700的特征固有共振频率是已知的，并且具体地指定为适合光学传感器700的操作条件。这一固有共振频率与光学传感器700的敏感度成反比例，由此，光学传感器700对运动变化越敏感，则光学传感器700的固有共振频率越低。因此，光学传感器700利用感测光纤706和相关的光学感测系统的高敏感度来施加变形，以便选择适合于宽范围的操作条件的敏感度和固有共振频率。
在该具体的实施例中，可变形构件704还具有隔膜746，隔膜746具有安装到圆柱形壁742的内表面742a的周界。进一步地，隔膜746具有安装到惯性构件756的第一面746a和安装到可变形管状构件762的第二末端762b的第二面746b。因此，在本示例中隔膜746的存在可以限制可变形管状构件762的变形幅度。
图8示出了根据另一实施例的光学传感器800的另一示例。如将理解的，光学传感器800可以有利地用于压力感测应用。当用在光学感测系统中时，光学传感器800可用于连续地确定和/或记录作用于光学传感器800的流体(液体和/或气体)的压力的方向、大小和持续时间。光学传感器800与光学传感器700类似，除了惯性构件756被省略并且基座740具有通孔。因此，相似的元件将具有相似的附图标记，但是在800系列中代替在700系列中。
在该具体的示例中，可变形构件804包括可变形管状构件862和隔膜846。更具体地说，可变形管状构件862在空腔844内部沿着感测取向836延伸，并且具有安装到盖854的内面854a的第一末端862a和安装到隔膜846的第二末端862b。如所示出的，隔膜846具有安装到圆柱形壁842的内表面842a的周界。因而隔膜846将空腔844分成两个子空腔844a和844b(例如，“干侧”和“湿侧”)。如可以看到的，隔膜846具有暴露于子空腔844b的第一面846a和安装到惯性构件856的第二面846b。
如将理解的，隔膜846的第一面846a经由凹陷在基座840中的通孔864暴露于环境中。基座840和通孔864可以共同地被称为光学传感器800的压力口。因此，可以经由可变形管状构件862的变形感测环境的压力，该变形由施加在隔膜846上的环境压力产生。
可变形管状构件862和隔膜846的材料、它们的弹性模量、它们的抗屈强度和它们的热膨胀系数、它们的几何特性(例如它们的厚度和直径)是已知的，以便可变形管状构件862和隔膜846的特定变形可用于确定和/或记录光学传感器800的压力的方向、大小和持续时间。可用于可变形管状构件862的材料的示例包括不锈钢、镍铬铁合金、碳化硅等。隔膜846可以具有范围在0.1mm到5mm之间的厚度，并且具有范围在15mm到50mm之间的直径。
图9示出了根据另一实施例的光学传感器900的另一示例。如将理解的，光学传感器900可以有利地用于压力感测应用。光学传感器900与光学传感器600类似，除了一些不同。相似的元件将具有相似的附图标记，但是在900系列中代替在600系列中。
如所示出的，壳体938具有安装到圆柱形壁942的内表面942a的第一隔膜946和第二隔膜966。在本示例中，第一隔膜946和第二隔膜966互相平行并且沿着感测取向936互相间隔开。第一隔膜946和第二隔膜966将空腔分成三个子空腔：第一子空腔944a、第二子空腔944b和第三子空腔944c。
如所描绘的，感测光纤906位于第一子空腔944a中并且附接到第一隔膜946。机械耦合器970位于第二子空腔944b中并且机械地耦合到第一隔膜946和第二隔膜966两者。第三子空腔944c经由凹陷在壳体938的基座940中的一个通孔964暴露于环境中。如将理解的，第二隔膜966经由通孔964暴露于环境中。因此，可以经由第二隔膜966的变形感测环境的压力，该变形经由机械耦合器970被传输并放大到第一隔膜964和感测光纤906。
如可以理解的，以上描述和图示的示例仅意味着示例性的。例如，本文中所描述的可变形构件的配置仅为示例性的。可变形构件的其他配置可以维持光学传感器的功能性以成功地将所施加的力转化为在感测光纤处的变形，并且因此传输和记录所施加的力。在替代实施例中，感测光纤可以具有多个π相移光纤布拉格光栅。利用在不同波长(或频率)下操作的光源，可以在同一个感测光纤上监测多个布拉格波长偏移。可以基于激光波长解复用这些π相移光纤布拉格光栅的反射，并且可以将这些π相移光纤布拉格光栅的反射发送回信号调节器以调制适当的激光。范围由所附的权利要求指示。

Claims (20)

1.光学传感器，包括框架和感测光纤，所述框架具有安装到所述框架的可变形构件，所述感测光纤固定地附接到所述可变形构件的一部分，所述感测光纤具有刻在所述感测光纤上的至少一个π相移光纤布拉格光栅，所述至少一个π相移光纤布拉格光栅是无双折射的且具有呈现单个谐振峰的滤波器函数，当所述框架受到力时，所述感测光纤的所述至少一个π相移光纤布拉格光栅与所述可变形构件一起变形。
2.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述框架以限定了空腔的壳体的形式提供，并且具有基座和光纤开口，所述基座垂直于感测取向，所述可变形构件安装到所述壳体，所述感测光纤经由所述壳体的所述光纤开口位于所述空腔内部。
3.根据权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，所述可变形构件包括隔膜，所述隔膜安装在所述壳体内部并且在与所述感测取向垂直的平面中延伸。
4.根据权利要求3所述的光学传感器，其特征在于，还包括机械地耦合到所述隔膜的惯性构件，所述空腔的尺寸和形状被设定为允许所述惯性构件在所述壳体受到所述力时自由地移动。
5.根据权利要求4所述的光学传感器，其特征在于，所述感测光纤缠绕成光纤卷，所述光纤卷附接到所述隔膜的面并且与所述惯性构件同中心地定位。
6.根据权利要求4所述的光学传感器，其特征在于，所述隔膜为第一隔膜，所述可变形构件包括第二隔膜，所述第二隔膜安装在所述壳体内部并且在与所述第一隔膜的平面平行且分隔开的平面中延伸，所述第一隔膜和所述第二隔膜将所述空腔分成至少两个子空腔，所述壳体还包括至少一个通孔，所述至少一个通孔使所述至少两个子空腔中的一个暴露，所述感测光纤位于所述至少两个子空腔中的另一个中。
7.根据权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，所述可变形构件包括可变形管状构件，所述可变形管状构件安装在所述壳体内部并且在所述可变形管状构件的两个末端之间沿着所述感测取向延伸，所述感测光纤附接到所述可变形管状构件的内表面。
8.根据权利要求7所述的光学传感器，其特征在于，还包括机械地耦合到所述可变形管状构件的第一末端的惯性构件，所述空腔的尺寸和形状被设定为允许所述惯性构件在所述壳体受到所述力时自由地移动。
9.根据权利要求8所述的光学传感器，其特征在于，所述可变形构件还包括隔膜，所述隔膜安装在所述壳体内部并且安装到所述可变形管状构件的第二末端，所述隔膜将所述空腔分成至少两个子空腔，所述感测光纤位于所述至少两个子空腔中的一个中，所述壳体在所述至少两个子空腔中的另一个中具有至少一个通孔。
10.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述可变形构件与所述框架被制成一体。
11.光学感测系统，包括：
光学传感器
框架，所述框架具有安装到所述框架的可变形构件，以及
感测光纤，所述感测光纤固定地附接到所述可变形构件的一部分，所述感测光纤具有刻在所述感测光纤上的至少一个π相移光纤布拉格光栅，所述至少一个π相移光纤布拉格光栅是无双折射的且具有呈现单个谐振峰的滤波器函数，当所述框架受到力时，所述感测光纤的所述至少一个π相移光纤布拉格光栅与所述可变形构件一起变形；以及
信号调节器，所述信号调节器光耦合到所述感测光纤，所述信号调节器适合并且配置为测量所述π相移光纤布拉格光栅的布拉格波长偏移ΔλB，并且生成表示所述布拉格波长偏移ΔλB的信号；以及
计算机，所述计算机通信耦合到所述信号调节器并且配置为基于所述布拉格波长偏移ΔλB和所述光学传感器的已知特性来感测感兴趣的被测物理量。
12.根据权利要求11所述的光学感测系统，其特征在于，所述框架以限定了空腔的壳体的形式提供，并且具有基座和光纤开口，所述基座垂直于感测取向，所述可变形构件安装到所述壳体，所述感测光纤经由所述壳体的所述光纤开口位于所述空腔内部。
13.根据权利要求12所述的光学感测系统，其特征在于，所述可变形构件包括隔膜，所述隔膜安装在所述壳体内部并且在与所述感测取向垂直的平面中延伸。
14.根据权利要求13所述的光学感测系统，其特征在于，还包括机械地耦合到所述隔膜的惯性构件，所述空腔的尺寸和形状被设定为允许所述惯性构件在所述壳体受到所述力时自由地移动。
15.根据权利要求14所述的光学感测系统，其特征在于，所述感测光纤缠绕成光纤卷，所述光纤卷附接到所述隔膜的面并且与所述惯性构件同中心地定位。
16.根据权利要求14所述的光学感测系统，其特征在于，所述隔膜为第一隔膜，所述可变形构件包括第二隔膜，所述第二隔膜安装在所述壳体内部并且在与所述第一隔膜的平面平行且分隔开的平面中延伸，所述第一隔膜和所述第二隔膜将所述空腔分成至少两个子空腔，所述壳体还包括至少一个通孔，所述至少一个通孔使所述至少两个子空腔中的一个暴露，所述感测光纤位于所述至少两个子空腔中的另一个中。
17.根据权利要求12所述的光学感测系统，其特征在于，所述可变形构件包括可变形管状构件，所述可变形管状构件安装在所述壳体内部并且在所述可变形管状构件的两个末端之间沿着所述感测取向延伸，所述感测光纤附接到所述可变形管状构件的内表面。
18.根据权利要求17所述的光学感测系统，其特征在于，还包括机械地耦合到所述可变形管状构件的第一末端的惯性构件，所述空腔的尺寸和形状被设定为允许所述惯性构件在所述壳体受到所述力时自由地移动。
19.根据权利要求18所述的光学感测系统，其特征在于，所述可变形构件还包括隔膜，所述隔膜安装在所述壳体内部并且安装到所述可变形管状构件的第二末端，所述隔膜将所述空腔分成至少两个子空腔，所述感测光纤位于所述至少两个子空腔中的一个中，所述壳体在所述至少两个子空腔中的另一个中具有至少一个通孔。
20.根据权利要求11所述的光学感测系统，其特征在于，所述可变形构件与所述框架被制成一体。
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