CN111141432B - 光纤压力传感器及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种光纤压力传感器，所述光纤压力传感器包括光源发射器、光纤组、承压装置及接收装置，所述光纤组包括依次连接的第一单模光纤、双芯光纤及第二单模光纤，所述第一单模光纤一端与所述光源发射器连接，所述第二单模光纤一端与所述接收装置连接，所述双芯光纤包括第一纤芯和第二纤芯，所述第一纤芯和所述第二纤芯非对称设置，所述第一纤芯和第二纤芯的一端与所述第一单模光纤熔融拉锥连接，所述第一纤芯和第二纤芯的另一端与第二单模光纤熔融拉锥连接，所述双芯光纤上设有应力敏感区，所述应力敏感区上设有所述承压装置。上述光纤压力传感器及测试方法利用双芯光纤作为压力传感器，提高的灵敏度，增加检测结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及压力检测技术领域，尤其涉及一种光纤压力传感器及其测试方法。
背景技术
压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成，压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器通常都是将压力信号转化为电信号，因此容易受到电磁辐射或电气干扰的影响，磁场可能会感应电压并作用在传感器导线上，使控制系统可能将其误认为是实际的输出信号，导致感测结果不精确。影响电信号最终结果的因素还包括电压尖峰，短时存在的电压瞬变现象，虽然这种高能量浪涌电压持续时间仅数毫秒，但仍然会对传感器造成损坏。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种光纤压力传感器，其能够提升检测结果的准确性。
一种光纤压力传感器，包括光源发射器、光纤组、承压装置及接收装置，所述光纤组包括依次连接的第一单模光纤、双芯光纤及第二单模光纤，所述第一单模光纤一端与所述光源发射器连接，所述第二单模光纤一端与所述接收装置连接，所述接收装置用于将光信号图像化，所述双芯光纤包括第一纤芯和第二纤芯，所述第一纤芯靠近所述双芯光纤的轴心设置，所述第二纤芯远离所述双芯光纤的轴心设置，所述第一纤芯和第二纤芯的一端与所述第一单模光纤熔融拉锥连接，所述第一纤芯和第二纤芯的另一端与第二单模光纤熔融拉锥连接，所述双芯光纤上设有应力敏感区，所述应力敏感区上设有所述承压装置。
进一步的，所述应力敏感区环绕所述双芯光纤的圆周设置，所述应力敏感区内的所述第二纤芯暴露于外部环境中。
进一步的，所述承压装置包括壳体，所述壳体包覆于所述双芯光纤设有所述应力敏感区的圆周周测。
进一步的，所述壳体上开设贯穿所述壳体的凹槽，所述凹槽内设有固定件，所述固定件两侧卡持于所述凹槽中。
进一步的，所述承压装置还包括压敏填充物，所述压敏填充物的一端设置于所述固定件上，另一端凸出所述壳体的凹槽设置。
进一步的，所述承压装置还包括弹性件，所述弹性件的一端靠近所述第二纤芯设置，另一端固定于所述压敏填充物靠近所述固定件的一端。
进一步的，所述应力敏感区上设有一层保护薄膜。
进一步的，所述光源发射器用于发出激光束，所述激光束的直径小于所述第一单模光纤的纤芯直径，所述激光束的发散角小于所述第一单模光纤的孔径角。
进一步的，所述应力敏感区为所述双芯光纤经氢氟酸对所述双芯光纤进行化学处理去除外包层形成。
一种上述光纤压力传感器的测试方法，包括以下步骤:
在无外界应力情况下，打开光源发射器使激光通过光纤组后将光信号输入接收装置，形成明暗相间的条纹，保存图案并记录亮条纹宽度a1，暗条纹宽度b1以及相邻明暗条纹宽度c1的参数值；
执行测试步骤，对承压装置施加应力，接收装置将此时接收的第二单模光纤输出的光信号转换成明暗相间的条纹，保存图案并记录此时亮条纹宽度a2，暗条纹宽度b2以及相邻明暗条纹宽度c2的参数值；
改变应力值，重复测试步骤，记录多组a，b，c参数值以及对应的应力值；
利用测试步骤中得到的多组a，b，c参数值以及对应的应力值参数，得出应力值与a，b，c参数值之间的关系公式；
利用关系公式，根据a，b，c的数值得出外界施加的应力值。
上述光纤压力传感器及测试方法中,利用非对称双芯光纤作为压力传感器，提高的灵敏度同时也增加了检测结果的准确性，上述光纤压力传感器的测试方法，利用光信号转化的图像作为参数，检测的精准度高。
附图说明
图1为本发明一实施方式中的光纤压力传感器的结构示意图。
图2为本发明一实施方式中的光纤压力传感器的承压装置的结构示意图。
图3为本发明一实施方式中的条纹的结构示意图。
主要元件符号说明
| 光纤压力传感器 | 100 |
| 光源发射器 | 10 |
| 光纤组 | 20 |
| 第一单模光纤 | 21 |
| 第一拉锥区 | 221 |
| 第二拉锥区 | 222 |
| 第一纤芯 | 223 |
| 第二纤芯 | 224 |
| 应力敏感区 | 225 |
| 双芯光纤 | 22 |
| 第二单模光纤 | 23 |
| 承压装置 | 30 |
| 壳体 | 31 |
| 固定件 | 311 |
| 压敏填充物 | 32 |
| 弹性件 | 33 |
| 接收装置 | 40 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请一并参阅图1和图2，图1所示光纤压力传感器100用于感测压力，所述光纤压力传感器100包括光源发射器10、光纤组20、承压装置30及接收装置40。所述光源发射器10与所述光纤组20的一端连接，所述接收装置40与所述光纤组20的另一端连接，所述光源发射器10、所述光纤组20及所述接收装置40大致位于同一直线上，所述承压装置30设置于所述光纤组20上。
所述光源发射器10用于发出激光束，所述激光束的直径小于所述光纤组20的纤芯直径，所述激光束的发散角小于所述光纤组20的孔径角，用于激光与光纤耦合时，得到较高的耦合效率，把激光完全耦合进光纤。在一实施方式中，所述光源发射器10与所述光纤组20通过透镜耦合。
所述光纤组20包括依次连接的第一单模光纤21、双芯光纤22及第二单模光纤23，所述第一单模光纤21远离所述双芯光纤22的一端与所述光源发射器10通过透镜耦合连接，所述第二单模光纤23远离所述双芯光纤22的一端与所述接收装置40连接。
所述双芯光纤22的两端分别与所述第一单模光纤21和第二单模光纤23熔融连接，并分别在所述双芯光纤22的两端形成第一拉锥区221和第二拉锥区222，所述第一拉锥区221作为分束器使用，所述第二拉锥区222作为耦合器使用。具体的，光信号进入所述第一单模光纤21后经所述第一拉锥区221后分成两束光，两束光分别经过所述双芯光纤22的两个纤芯后经所述第二拉锥区222耦合后进入所述第二单模光纤23。
所述双芯光纤22内设有第一纤芯223和第二纤芯224，所述第一纤芯223和第二纤芯224在所述双芯光纤22的包层内为非对称设置。所述双芯光纤22上设有应力敏感区225，所述应力敏感区225环绕所述双芯光纤22的圆周设置。所述应力敏感区225上设有所述承压装置30。所述应力敏感区225为所述双芯光纤22经氢氟酸对所述双芯光纤22某一处进行化学处理去除外包层形成，同时需要保证纤芯不受损害，具体的，最终形成的所述应力敏感区225为离所述双芯光纤22轴心较近的第一纤芯223处在包层包裹中，而离所述双芯光纤22轴心较远的第二纤芯224一侧暴露在空气中。所述应力敏感区225上还设有一层薄膜，用于保护裸露在外的所述第二纤芯224不受损害。
所述承压装置30包括壳体31、压敏填充物32及弹性件33，所述压敏填充物32及弹性件33设置于所述壳体31内。
所述壳体31包覆于所述双芯光纤22设有所述应力敏感区225的圆周周测，所述壳体31大致为一长方体中空结构。所述壳体31上开设贯穿所述壳体31的凹槽(未标号)，所述凹槽内设有凸起，所述凹槽内靠近所述双芯光纤22的一端设有固定件311，所述固定件311一端卡持于所述双芯光纤22的包层中，所述固定件311的两侧卡持于所述凹槽中的凸起，所述固定件311上开设第二凹槽(未标号)以容置所述弹性件33，所述弹性件33的一端靠近所述第二纤芯224设置，另一端固定于所述压敏填充物32上。所述压敏填充物32的一端设置于所述固定件311上，另一端凸出所述壳体31的凹槽设置。在一实施方式中，所述压敏填充物32由聚氨酯制成，所述弹性件33为弹簧或橡胶件。通过在所述压敏填充物32上施加外力，通过所述弹性件33将外力传递至所述第二纤芯224上。
所述接收装置40连接于所述第二单模光纤23远离所述双芯光纤22的一端，所述接收装置40用于接收所述第二单模光纤23传递的光信号并将信号图像化。在一实施方式中，所述接收装置40为CCD相机。在一实施方式中，所述接收装置40上还连接由处理单元，所述处理单元用于获取图像的参数值。
干涉是两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加从而形成新的波形的现象。例如采用分束器将一束单色光束分成两束后，再让它们在空间中的某个区域内重叠，将会发现在重叠区域内的光强并不是均匀分布的：其明暗程度随其在空间中位置的不同而变化，最亮的地方超过了原先两束光的光强之和，而最暗的地方光强有可能为零，在光学中，两列光频率相同，振动方向相同，相位差恒定的相干光发生干涉现象时，会产生明暗相间的等距条纹。假设有两列相干光，假设这两列光的光强分别为：I1＝I0(ωt+δ1),I2＝I0(ωt+δ2),则对于某一点，两列相干光强度之和可表示为：I＝I1+I2＝I0+cos(δ2-δ1)＝I0(1+cosδ),从上式可以看出，对于某一固定点，其相位差δ恒定，则此点光强恒定。
请参阅图3，干涉形成的明暗相间的条纹有三个参数，分别为亮条纹宽度a，暗条纹宽度b以及相邻明暗条纹宽度c，这三个参数之间满足c＝a+b，a，b，c这三个参数会随着相位等参数的变化而变化，可以通过对这三个参数的变化，反推出外界应力值。
一种上述光纤压力传感器100的测试方法，具体包括以下步骤：
S1，在无外界应力情况下，打开光源发射器使激光通过光纤组后将光信号输入接收装置，形成明暗相间的条纹，保存图案并记录a1，b1，c1的参数值；具体为在承压装置不受外力的情况下，打开光源发射器，激光依次通过第一单模光纤、双芯光纤及第二单模光纤，接收装置接收第二单模光纤输出的光信号并转换成明暗相间的条纹，保存图案并记录此时亮条纹宽度a，暗条纹宽度b以及相邻明暗条纹宽度c的参数值。
S2，对承压装置施加应力，接收装置将此时接收的第二单模光纤输出的光信号转换成明暗相间的条纹，保存图案并记录此时亮条纹宽度a2，暗条纹宽度b2以及相邻明暗条纹宽度c2的参数值；具体为在压敏填充物上施加外力，通过弹性件将外力传递至第二纤芯上，第二纤芯上的光信号相位发生变化，此时产生的干涉条纹也会发生变化，保存图案并记录此时亮条纹宽度a1，暗条纹宽度b2、相邻明暗条纹宽度c2的参数值以及对应的应力值。
S3，改变应力值，重复步骤S2，记录多组abc参数值以及对应的应力值；
S4，利用步骤S2和S3中得到的abc参数值以及对应的应力值参数，得出应力值与abc参数值之间的关系公式；在一实施方式中,应力值与abc参数值输入处理器，处理器根据其变化规律得出两者的关系公式。
S5，利用关系公式，根据abc的数值得出外界施加的应力值。在一实施方式中，接收装置上连接信息传输装置，用于将条纹对应的参数值输入处理器中。
上述光纤压力传感器利用非对称双芯光纤作为压力传感器，并且以光信号监测代替电信号检测，提高的灵敏度同时也增加了检测结果的准确性，上述光纤压力传感器的测试方法，利用光信号转化的图像作为参数，代替常用的电信号，检测的精准度高。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种光纤压力传感器，其特征在于：所述光纤压力传感器包括光源发射器、光纤组、承压装置、接收装置及处理单元，所述光纤组包括依次连接的第一单模光纤、双芯光纤及第二单模光纤，所述第一单模光纤一端与所述光源发射器连接，所述第二单模光纤一端与所述接收装置连接，所述接收装置用于将光信号图像化，所述双芯光纤包括第一纤芯和第二纤芯，所述第一纤芯靠近所述双芯光纤的轴心设置，所述第二纤芯远离所述双芯光纤的轴心设置，所述第一纤芯和第二纤芯的一端与所述第一单模光纤熔融拉锥连接，所述第一纤芯和第二纤芯的另一端与第二单模光纤熔融拉锥连接，所述双芯光纤上设有应力敏感区，所述应力敏感区内离所述双芯光纤轴心较近的所述第一纤芯处在包层包裹中，离所述双芯光纤轴心较远的所述第二纤芯一侧暴露在空气中，所述应力敏感区上设有所述承压装置，所述承压装置包括弹性件，所述弹性件的一端靠近所述第二纤芯设置，通过所述弹性件将外力传递至所述第二纤芯上，所述处理单元连接所述接收装置，用于获取图像的参数值，所述处理单元设有应力值与参数值之间的关系公式，根据获取图像的参数值，得到对应的应力值。
2.如权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征在于：所述应力敏感区环绕所述双芯光纤的圆周设置。
3.如权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征在于：所述承压装置包括壳体，所述壳体包覆于所述双芯光纤设有所述应力敏感区的圆周周测。
4.如权利要求3所述的光纤压力传感器，其特征在于：所述壳体上开设贯穿所述壳体的凹槽，所述凹槽内设有固定件，所述固定件两侧卡持于所述凹槽中。
5.如权利要求4所述的光纤压力传感器，其特征在于：所述承压装置还包括压敏填充物，所述压敏填充物的一端设置于所述固定件上，另一端凸出所述壳体的凹槽设置。
6.如权利要求5所述的光纤压力传感器，其特征在于：所述弹性件还固定于所述压敏填充物靠近所述固定件的一端。
7.如权利要求6所述的光纤压力传感器，其特征在于：所述应力敏感区上设有一层保护薄膜。
8.如权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征在于：所述光源发射器用于发出激光束，所述激光束的直径小于所述第一单模光纤的纤芯直径，所述激光束的发散角小于所述第一单模光纤的孔径角。
9.如权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征在于：所述应力敏感区为所述双芯光纤经氢氟酸对所述双芯光纤进行化学处理去除外包层形成。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的光纤压力传感器的测试方法，其特征在于，包括以下步骤:
在无外界应力情况下，打开光源发射器使激光通过光纤组后将光信号输入接收装置，形成明暗相间的条纹，保存图案并记录亮条纹宽度a1，暗条纹宽度b1以及相邻明暗条纹宽度c1的参数值；
执行测试步骤，对承压装置施加应力，接收装置将此时接收的第二单模光纤输出的光信号转换成明暗相间的条纹，保存图案并记录此时亮条纹宽度a2，暗条纹宽度b2以及相邻明暗条纹宽度c2的参数值；
改变应力值，重复测试步骤，记录多组a，b，c参数值以及对应的应力值；
利用测试步骤中得到的多组a，b，c参数值以及对应的应力值参数，得出应力值与a，b，c参数值之间的关系公式；
利用关系公式，根据a，b，c的数值得出外界施加的应力值。
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