CN112612065A - 同轴光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感器技术领域，具体涉及同轴光纤传感器。本发明的同轴光纤传感器，包括具有内腔的外壳、激光器、接收器、透镜组，外壳上形成有均与内腔连通的激光器接口、检测接口和接收器接口，激光器发生的检测激光在激光器接口、检测接口之间形成发射光路，发射光路顺次经过透镜、分光棱镜以及组合透镜；检测接口返回的检测激光与接收器接口之间形成检测光路，检测光路顺次经过组合透镜以及分光棱镜。本发明将光纤放大器的发射光路和检测光路做成光路同轴结构，提高了生产效率与检测精度；并且其在发射器的光路上采用透镜与组合透镜相结合的透镜组进行聚焦，提高了发射器光线与光纤的耦合效率。

Description

同轴光纤传感器

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及同轴光纤传感器。

背景技术

光纤传感器是工业自动化常用的一种传感器，应用十分广泛。光纤传感器通常包含两个部分：一是光纤感测头，用于传输光信号；二是光纤放大器，用于对光纤感测头传输的光信号进行调制解调。

光纤放大器内部含有光发射器和光接收器，光发射器产生的调制光通过光纤感测头投射到探测物体上，探测物表面会产生反射光，反射光通过另一根光纤感测头传输到光接收器上，在这个过程中，调制光发射和接收的路径是分开的，即通过两根光纤感测头分别进行传输，结构复杂，占用空间大，不利于一些高精度的测量，且双光纤感测头生产工艺复杂，效率低，。

发明内容

本发明提供的同轴光纤传感器，克服了上述现有技术的不足，其将光纤放大器的发射光路和检测光路做成光路同轴结构，确保使用一根光纤就可以完成检测，提高了生产效率与检测精度；其在发射器的光路上采用透镜与组合透镜相结合的透镜组聚焦，提高了发射器光线与光纤的耦合效率。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：本发明提供的同轴光纤传感器，包括具有内腔的外壳、激光器、接收器、透镜组，上述透镜组包括透镜、分光棱镜以及组合透镜，上述外壳上还形成有均与内腔连通的激光器接口、检测接口和接收器接口，上述激光器安装在激光器接口，上述接收器安装在接收器接口，上述透镜、分光棱镜以及组合透镜依次设置在激光器接口与检测接口之间，上述接收器接口设置在外壳侧部；

上述激光器发生的检测激光在激光器接口、检测接口之间形成有发射光路，上述发射光路顺次经过透镜、分光棱镜以及组合透镜；

由上述检测接口返回的检测激光与接收器接口之间形成检测光路，上述检测光路顺次经过组合透镜以及分光棱镜。

本发明公开的同轴光纤传感器的一种改进，上述激光器接口、检测接口相对地设置在外壳上；

上述激光器发生的检测激光在激光器接口、检测接口之间形成有发射光路并由检测接口出射，上述发射光路顺次经过透镜、分光棱镜以及组合透镜，其中透镜、组合透镜的光轴重合且分光棱镜朝向激光器的镜面垂直于透镜或组合透镜的光轴；

由上述检测接口返回的检测激光与接收器接口之间形成检测光路，上述检测光路经过组合透镜后由分光棱镜的分光面反射至接收器接口，上述分光棱镜的分光面与透镜或组合透镜的光轴的夹角小于90度。优选的，分光棱镜的分光面与透镜或组合透镜的光轴的夹角为45度。分光棱镜的分光面为棱镜的斜面，下同。

本发明公开的同轴光纤传感器的一种改进，上述接收器接口、检测接口相对地设置在外壳上；

上述激光器发生的检测激光在激光器接口、检测接口之间形成有发射光路并由检测接口出射，上述发射光路顺次经过透镜、分光棱镜以及组合透镜，其中透镜、组合透镜的光轴垂直且分光棱镜的分光面与透镜或组合透镜的光轴的夹角小于90度；优选的，分光棱镜的分光面与透镜或组合透镜的光轴的夹角为45度。

由上述检测接口返回的检测激光与接收器接口之间形成检测光路，上述检测光路经过组合透镜后由分光棱镜的斜面透射并经过直角面后至接收器接口，上述分光棱镜的分光面与透镜或组合透镜的光轴的夹角小于90度。

优选的，分光棱镜由一对直角棱镜胶合组成一个几何长方体(包括几何意义上的正六面体即正方体、顶面和底面均为正方形的长方体)，其中一块直角棱镜的斜面上镀有分光膜。

本发明公开的同轴光纤传感器的一种改进，上述同轴光纤传感器还包括光纤组件，上述光纤组件至少包括光纤，上述光纤连接到检测接口，上述光纤的中心线与上述检测光路或发射光路重合以满足光线由光纤出射或者返回。

本发明公开的同轴光纤传感器的一种改进，上述光纤组件还包括光纤支架，光纤支架包括与光纤配合的光纤接口，光纤安装于该光纤接口内，光纤支架连接到检测接口。

本发明公开的同轴光纤传感器的一种改进，上述组合透镜包括透镜面Ⅰ和透镜面Ⅱ，透镜面Ⅰ包括第一镜面和第二镜面，第一镜面与第二镜面同轴设置且第一镜面设置在第二镜面外周，透镜面Ⅱ包括第三镜面。

本发明公开的同轴光纤传感器的一种改进，上述第二镜面与第三镜面的球面方向相同，第一镜面与第二镜面的球面方向相反。

本发明公开的同轴光纤传感器的一种改进，上述第一镜面与第二镜面的球面是向组合透镜外侧凸出的。

本发明公开的同轴光纤传感器的一种改进，同轴光纤传感器还包括接收器固定支架，接收器固定支架连接到接收器接口，并且接收器固定支架具有内表面为抛物线曲面形态的反射腔，反射腔与接收器接口配合并连通外壳的内腔，接收器设置在反射腔内。该反射腔的内表面形成了反射面，可以在内表面形成额外的反射层，如反射镀层等，从而满足部分光线有效反射至接收器而被接收。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：在外壳上形成激光器接口、检测接口和接收器接口，激光器发生的检测激光在激光器接口、检测接口之间形成发射光路，检测接口返回的检测激光与接收器接口之间形成检测光路，发射光路和检测光路同轴设计，确保使用一根光纤就可以完成检测，提高了生产效率，提升了检测精度；发射光路上采用透镜与组合透镜相结合的透镜聚焦方式，保证聚焦后的光线发散角极小，较小的发散角提高了发射器光线与光纤的耦合效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请第一实施方式的工作状态示意图；

图2是图1实施方式的发射状态的示意图；

图3是图1实施方式的接收状态的示意图；

图4是组合透镜的一种结构示意图；

图5是本申请第二实施方式的工作状态示意图；

图6是本申请第三实施方式的工作状态示意图；

图7是本申请的透镜的等效示意图，其中a为实际透镜方案，b为等效方案；

图8是本申请检测光路拆分示意图，其中a是第一部分光的光路示意图，b是第二部分光的光路示意图；

图9是典型的激光器远场发光强度分布图。

1.激光器；2.透镜；3.分光棱镜；4.组合透镜；5.光纤支架；6.光纤；7.外壳；8.接收器固定支架；9.接收器

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如下图所示的实施例中，分光棱镜采一对直角棱镜胶合而成正方体的棱镜。

如附图1、2、3、5、6所示，本发明提供的同轴光纤传感器，包括具有内腔的外壳7、激光器1、接收器9、透镜组，上述透镜组包括透镜2、分光棱镜3以及组合透镜4。外壳7用于固定相关光路组件，需要指出的是，在附图所示外壳7的顶端设置有齿状消光结构，齿状消光结构和接收器是对应设置的，目的是为了降低该发明同轴光纤传感器的光发射器通过分光棱镜3时产生的反射分量对接收器造成的影响。透镜2为凸透镜，透镜2的两个表面为非球面曲面，非球面设计利于激光器的光线聚焦。

如附图1所示展示了本申请第一实施方式的工作状态，上述外壳7上还形成有均与内腔连通的激光器接口、检测接口和接收器接口，激光器接口、检测接口相对地设置在外壳7上；上述激光器1安装在激光器接口，上述接收器9安装在接收器接口，上述透镜2、分光棱镜3以及组合透镜4依次设置在激光器接口与检测接口之间，上述接收器接口设置在外壳1侧部。

如附图2所示展示了图1实施方式的发射状态，上述激光器1发生的检测激光在激光器接口、检测接口之间形成发射光路，上述发射光路顺次经过透镜2、分光棱镜3以及组合透镜4并由检测接口出射，其中透镜2、组合透镜4的光轴重合且分光棱镜3朝向激光器1的镜面垂直于透镜2或组合透镜4的光轴。激光器1利用半导体激光器作为光发射器，相对于传统光纤放大器上用的LED光发射器，半导体激光器的发散角很小，利于后面的透镜2进行聚焦。

如附图3所示展示了图1实施方式的接收状态，由上述检测接口返回的检测激光与接收器接口之间形成检测光路，上述检测光路顺次经过组合透镜4以及分光棱镜3。上述检测光路经过组合透镜4后由分光棱镜3的斜面形成的镜面反射至接收器接口，光接收器9将光信号转变成电信号。

如附图1、2、3、5所示，该发明同轴光纤传感器还包括光纤组件，上述光纤组件至少包括光纤6，上述光纤6连接到检测接口，光纤6用来传输光信号，其中心线与上述检测光路或发射光路重合，以满足光线由光纤6出射或者返回。上述光纤组件还包括光纤支架5，光纤支架5包括与光纤6配合的光纤接口，光纤6安装于该光纤接口内，光纤支架5连接到检测接口光纤支架5用于固定光纤6，光纤支架5与外壳7对应的有限位结构，可以将光纤6端面限定在光线的焦点处。

如附图4所示展示了实施方式中组合透镜的一种结构，上述组合透镜4包括透镜面Ⅰ和透镜面Ⅱ。该组合透镜4共有3个镜面，透镜面Ⅰ包括第一镜面和第二镜面，第一镜面与第二镜面同轴设置且第一镜面401设置在第二镜面402外周，透镜面Ⅱ包括第三镜面403；上述第二镜面402与第三镜面403的球面方向相同，功能上第二镜面与第三镜面组成了一个凹透镜，用于对透镜2聚焦后的发射器光线进行二次聚焦；上述第一镜面401与第三镜面403的球面方向相反，功能上第一镜面401与第三镜面403组成了一个凸透镜，将光纤感测头传输回来的光线聚焦到光接收器9上。激光器1发出的光线依次通过透镜2、分光棱镜3、组合透镜4聚焦到光纤6的端面，经过光纤6端面的光线会耦合进光纤并传输到光纤6的另一端，当光纤6的另一端有检测物时，传输过去的光线会在物体表面产生漫反射，部分漫反射的光会通过光纤6传输回组合透镜4的表面，这部分光依次通过组合透镜4、分光棱镜3、接收器固定支架8后汇聚到光接收器9上，光接收器9将光信号转换成电信号，通过判断电信号的大小即可判断检测物的有无。

附图5是本申请第二实施方式的工作状态，本实施方式中仅是对光发射器和光接收器9的位置进行了对调，上述接收器接口、检测接口相对地设置在外壳7上；上述激光器1发生的检测激光在激光器接口、检测接口之间形成有发射光路并由检测接口出射，上述发射光路顺次经过透镜2、分光棱镜3以及组合透镜4，其中透镜2、组合透镜4的光轴垂直。由上述检测接口返回的检测激光与接收器接口之间形成检测光路，上述检测光路经过组合透镜4后由分光棱镜3的斜面透射并经过直角面后至接收器接口。对于这种更改相关组件组合方式的发明也应属于该发明申请的保护范围之内。

附图6是是本申请第三实施方式的工作状态，在光电传感器上没有利用光纤6进行光信号传输，而是通过透镜2直接聚焦的方式传输光信号，而这类传感器也是有发射和接收光路的，并且两个光路也是分开的。利用本申请的技术方案，只需要将组合透镜4的曲面参数加以修改，就可以实现该类传感器发射光路与接收光路的同轴设计。

本发明的工作原理如下：

激光器发射的激光经透镜2聚焦后经过分光棱镜，再经过组合透镜再次聚焦，而由光纤或者直接由检测接口射出，在照射到样品后经反射返回；光纤感测头接收到的光线经过组合透镜4时可以被分成两部分，一部分是通过第一镜面与第三镜面的球面方向光线，这部分光线会被聚焦，最终通过分光棱镜3再次汇聚到光接收器9上；另一部分则是通过第二镜面与第三镜面的球面方向的光线，这部分光线是发散的，当这部分光线通过分光棱镜3的反射后会到达接收器固定支架8的内壁，内壁的反光层可对这部分光线进行反射，将这些反射光聚焦到光接收器9上，两部分的结合主要是为了充分利用返回的光线，从而获取较好检测强度和检测精度。

如图7所示的，发射光路组件包含透镜2，分光棱镜3，组合透镜4；附图9是典型的激光器远场发光强度分布图，可见激光器的发散角是很大的，不能直接和光纤进行耦合，所以需要利用透镜将激光器的光束进行聚焦。本发明采用双透镜方式进行聚焦，聚焦效果较单透镜来说发散角更小，有利用光线与光纤的耦合。

激光器1发出的光线首先会经过透镜2，透镜2是一个凸透镜，他会将激光器1发出的光线进行收缩，以保证激光器1发出的光线穿过分光棱镜3后可以全部落在组合透镜4的第二镜面402内；经过透镜2的光线在穿过分光棱镜3的过程中光线会被分成2部分，一部分会沿原光轴继续传输，另一部分会沿着与原光轴垂直90度的方向传输并到达外壳内腔表面，外壳内腔表面设置有锯齿状消光结构，以降低这部分光对光接收器的影响；穿过分光棱镜3并沿着原光轴继续传输的光线会到达组合透镜4的第二镜面402，组合透镜4的第二镜面402与第三镜面403构成了一个凹透镜，此时组合透镜4的第一镜面401未起任何作用，所以对于发射光路可以如图7所示进行等效，图7a和图7b分别为等效前后的示意图；经过组合透镜4的光线最终会聚焦成一点，将光纤端面固定在此点即可有效的将光线耦合进光纤内。

如图8所示的，接收光路组件包含组合透镜4，分光棱镜3，接收器固定支架8；在设置有光纤的情形下，检测物体表面产生的漫反射光可以通过光纤传输到外壳内腔，这部分光通过组合透镜4时会分成两部分；如图8a所示的，第一部分是同时通过第三镜面403和第一镜面401的光线，这部分光穿过组合透镜4的第一镜面401后会被分光棱镜进行反射，反射后的光轴与反射前的光轴夹角为90度；在组合透镜4和反光棱镜3的作用下，第一部分光会被聚焦到光接收器9上。

如图8b所示的，第二部分光是同时通过第三镜面403和第二镜面402的光线，这部分光线穿过组合棱镜4的第二镜面402后发散角会加大，在分光棱镜3的作用下发散角加大的光的光轴会偏转90度，偏转后的光线有小部分是直接到达光接收器9上的，而大部分会到达接收器固定支架8的内表面，接收器固定支架8的表面为抛物线曲面并镀有反光层，抛物线反射曲面将光线反射聚焦到光接收器9的表面。此处需要说明一下，穿过组合透镜4的光在经过分光棱镜3时除了光轴被偏转90度的光线外还有部分光线会沿着原光轴穿过分光棱镜3，只是这部分光线不会对检测产生影响，所以不重点说明。

本发明申请是将传统光纤放大器的发射和检测光路合并到一起，做成了光路同轴结构，这样使用一根光纤就可以完成检测，相对于双光纤感测头在尺寸上单光纤感测头可以做的更小，可以胜任更小更高精度的检测；同时在工艺上单光纤感测头更容易生产。在发射器的光路设计上采用透镜与组合透镜两片透镜结合聚焦的方式，聚焦后的光线发散角极小，较小的发散角可以提高发射器光线与光纤的耦合效率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.同轴光纤传感器，包括具有内腔的外壳、激光器、接收器、透镜组，所述透镜组包括透镜、分光棱镜以及组合透镜，其特征在于，所述外壳上还形成有均与内腔连通的激光器接口、检测接口和接收器接口，所述激光器安装在激光器接口，所述接收器安装在接收器接口，所述透镜、分光棱镜以及组合透镜依次设置在激光器接口与检测接口之间，所述接收器接口设置在外壳侧部；

所述激光器发生的检测激光在激光器接口、检测接口之间形成有发射光路，所述发射光路顺次经过透镜、分光棱镜以及组合透镜；

由所述检测接口返回的检测激光与接收器接口之间形成检测光路，所述检测光路顺次经过组合透镜以及分光棱镜。

2.根据权利要求1所述的同轴光纤传感器，其特征在于，所述激光器接口、检测接口相对地设置在外壳上；

所述激光器发生的检测激光在激光器接口、检测接口之间形成有发射光路并由检测接口出射，所述发射光路顺次经过透镜、分光棱镜以及组合透镜，其中透镜、组合透镜的光轴重合且分光棱镜朝向激光器的镜面垂直于透镜或组合透镜的光轴；

由所述检测接口返回的检测激光与接收器接口之间形成检测光路，所述检测光路经过组合透镜后由分光棱镜的分光面反射至接收器接口，所述分光棱镜的分光面与透镜或组合透镜的光轴的夹角小于90度。

3.根据权利要求1所述的同轴光纤传感器，其特征在于，所述接收器接口、检测接口相对地设置在外壳上；

所述激光器发生的检测激光在激光器接口、检测接口之间形成有发射光路并由检测接口出射，所述发射光路顺次经过透镜、分光棱镜以及组合透镜，其中透镜、组合透镜的光轴垂直且分光棱镜的分光面与透镜或组合透镜的光轴的夹角小于90度；

由所述检测接口返回的检测激光与接收器接口之间形成检测光路，所述检测光路经过组合透镜后由分光棱镜的分光面反射至接收器接口，所述分光棱镜的分光面与透镜或组合透镜的光轴的夹角小于90度。

4.根据权利要求1-3任一所述的同轴光纤传感器，其特征在于，所述同轴光纤传感器还包括光纤组件，所述光纤组件至少包括光纤，所述光纤连接到检测接口，所述光纤的中心线与所述检测光路或发射光路重合以满足光线由光纤出射或者返回。

5.根据权利要求4所述的同轴光纤传感器，其特征在于，所述光纤组件还包括光纤支架，所述光纤支架包括与光纤配合的光纤接口，所述光纤安装于该光纤接口内，所述光纤支架连接到检测接口。

6.根据权利要求1-3任一所述的同轴光纤传感器，其特征在于，所述组合透镜包括透镜面Ⅰ和透镜面Ⅱ，所述透镜面Ⅰ包括第一镜面和第二镜面，所述第一镜面与第二镜面同轴设置且第一镜面设置在第二镜面外周，所述透镜面Ⅱ包括第三镜面。

7.根据权利要求6所述的同轴光纤传感器，其特征在于，所述第二镜面与第三镜面的球面方向相同，所述第一镜面与第二镜面的球面方向相反。

8.根据权利要求7所述的同轴光纤传感器，其特征在于，所述第一镜面与第二镜面的球面是向组合透镜外侧凸出的。

9.根据权利要求1-3任一所述的同轴光纤传感器，其特征在于，所述分光棱镜由一对直角棱镜胶合组成一个几何长方体，其中一块直角棱镜的斜面上有分光膜。

10.根据权利要求1所述的同轴光纤传感器，其特征在于，所述同轴光纤传感器还包括接收器固定支架，所述接收器固定支架连接到接收器接口，并且所述接收器固定支架具有内表面为抛物线曲面形态的反射腔，所述反射腔与接收器接口配合并连通外壳的内腔，所述接收器设置在反射腔内。

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