CN112816094A - 传感光纤、传感组件、传感器及其解耦方法 - Google Patents

传感光纤、传感组件、传感器及其解耦方法 Download PDF

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刘腾
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Abstract

本发明公开了一种传感光纤、传感组件、传感器及其解耦方法，包括纤体，所述纤体沿其轴向设置有纤芯、第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和第二通孔位于所述纤芯的两侧，所述纤芯上设置有栅区，所述栅区刻写有光栅；其中，所述第一通孔的端部通过胶体密封，所述第二通孔的端部浸没在待测液体中以使得栅区低于待测液体的液面，当所述液体的温度和/或压力发生变化时，所述栅区的光栅的反射特性发生变化以检测物理信号。其结构紧凑，体积小，灵敏度高，适用于狭小空间的液体的压力和温度的检测。

Description

传感光纤、传感组件、传感器及其解耦方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种传感光纤、传感组件、传感器及其解耦方法。
背景技术
传感器(英文名称：transducer/sensor)是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
在医疗领域，以人体腔道内温度与压力监测需求为例，在直径3mm的人体自然腔道，基本不能容纳目前常用的传感器，若使用常用内窥软镜的工作
通道，甚至与现有内窥软镜集成，现有的传感器件更加不能满足。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种传感光纤、传感组件、传感器及其解耦方法，其
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种传感光纤，包括纤体，所述纤体沿其轴向设置有纤芯、第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和第二通孔位于所述纤芯的两侧，所述纤芯上设置有栅区，所述栅区刻写有光栅；
其中，所述第一通孔的端部通过胶体密封，所述第二通孔的端部浸没在待测液体中以使得栅区低于待测液体的液面，当所述液体的温度和/或压力发生变化时，所述栅区的光栅的反射特性发生变化以检测物理信号。
作为优选的，所述胶体为紫外固化胶。
作为优选的，还包括吸气组件，所述吸气组件与所述传感光纤连接以使得液体进入第二通孔的端部。
作为优选的，所述第一通孔和第二通孔相对于所述纤芯对称设置。
本发明公开了一种传感组件，包括两根上述的传感光纤，两根所述传感光纤平行设置且两根所述传感光纤的传感端齐平。
作为优选的，还包括套筒，两根所述传感光纤固定设置在所述套筒内。
作为优选的，还包括接头，两根所述传感光纤的信号反射端皆与接头连接。
本发明公开了一种传感器，基于上述的传感组件，所述传感器包括：
发光组件，所述发光组件包括光源和分束器，所述分束器将光源分束成两束入射光线；
传感组件，其与发光组件连接，两束入射光线分别进入所述传感组件内的传感光纤，当传感光纤的传感端温度和/或压力变化时，所述栅区引起反射光的光谱变化；
接收组件，其与传感组件连接，所述接收组件包括两个光探测器，两个所述光探测器分别检测两束反射光的光学参数变化。
作为优选的，所述光源为3ASE宽带光源。
本发明公开了一种传感器的解耦方法，基于上述的传感器，包括以下步骤：
获取两个光探测器的检测信号ΔλA和ΔλB；
构建二元一次方程组
Figure BDA0002879604930000031
其中，T为测试点的温度，P为测试点的压力，gA和kA是其中一传感光纤的响应曲线，kB和gB为另一传感光纤的响应曲线；
求解上述方程组，获得测试点的温度T和测试点的压力P。
本发明的传感光纤的有益效果：
1、当第二通孔内部液体温度和压力发生变化时，由于栅区受到液体与气体的压力差，会产生形变，同时温度变化会使栅区栅格发生变化，即可改变光栅的反射特性。在传感光纤的信号反馈端处耦合注入宽谱光，并探测回光，根据栅区透过谱的偏移即可获得温度和压力的综合数据，即可获取液体的温度和压力的相关信息。
2、本发明结构紧凑，体积小，灵敏度高，适用于狭小空间的液体的压力和温度的检测。
本发明的传感器的有益效果：
通过分束器将光源发出的光分成两束相同的入射光，同时射入至传感光纤，通过传感光纤检测液体的压强和温度变化，当传感光纤的传感端温度和/或压力变化时，栅区引起反射光的光谱变化，而两个光探测器分别检测两束反射光的光学参数变化，从而实现定位检测，结构紧凑，检测精度高。
本发明的传感器的解耦方法的有益效果：
通过同时获取两组数据，列方程组，从而分别获取温度和压力的信息，实现解耦，方法简单便捷。
附图说明
图1为本发明的传感光纤的结构示意图一；
图2为传感光纤的截面示意图，其中，(a)(b)(c)为通孔是不同形状的传感光纤；
图3为传感光纤的截面示意图一；
图4为传感光纤的截面示意图二，其中，第二通孔内充斥液体；
图5为传感组件的结构示意图；
图6为光纤耦合镜组的结构示意图；
图7为传感器的组成示意图。
图中标号说明：10、传感光纤；11、传感端；12、信号反馈端；20、纤体；21、纤芯；22、第一通孔；23、第二通孔；24、栅区；30、套管；31、接头；40、光纤耦合器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1-图4所示，本发明的公开了一种传感光纤10，包括纤体20，纤体20沿其轴向设置有纤芯21、第一通孔22和第二通孔23，第一通孔22和第二通孔23位于纤芯21的两侧，纤芯21上设置有栅区24，栅区24刻写有光栅。其中，第一通孔22的端部通过胶体密封，第二通孔23的端部浸没在待测液体中以使得栅区24低于待测液体的液面，当液体的温度和/或压力发生变化时，栅区24的光栅的反射特性发生变化以检测物理信号。
本发明中，传感光纤10的工作原理是：当第二通孔23内部液体温度和压力发生变化时，由于栅区24受到液体与气体的压力差，会产生形变，同时温度变化会使栅区24栅格发生变化，即可改变光栅的反射特性。
在传感光纤10的信号反馈端12处耦合注入宽谱光，并探测回光，根据栅区24透过谱的偏移即可获得温度和压力的综合数据，在实际中可以使用两个温度和压力响应有别的传感器，并对采集数据进行解耦处理，获得探测位置的独立温度和压力数值。
传感光纤10可在实心光纤上进行制造，通过敏化、紫外刻写或其他方式在光纤纤芯21形成周期性折射率分布。
本发明中，胶体为紫外固化胶。通过胶体将第一通孔22端部封住，从而防止液体进入第一通孔22内。
如图2所示，第一通孔22和第二通孔23相对于纤芯21对称设置。对于第一通孔22和第二通孔23的形状和大小，可根据光栅的测试范围与灵敏度需求进行设计与调整，包括但不限于圆形、椭圆形、圆角矩形等。
传感光纤10的纤体20长度根据传感器需求长度确定。而传感光纤10的一端为传感端11，另一端为信号反馈端12。传感器端的结构为，在距离纤体20顶端一定距离d的纤芯21上刻写栅区24。距离d和栅区24长度l根据使用要求设计和确定。
本发明还包括吸气组件，吸气组件与传感光纤连接以使得液体进入第二通孔23的端部。在使用中，传感器端将置于人体腔道或其他类型液体容器中内部，部分液体将进入第二通孔23，达到并覆盖全部栅区24。当第二通孔23尺寸过小等原因无法达到或覆盖栅区24的情况下，可在信号反馈端12处，使用负压(吸气方式)进行预处理，使得第二通孔产生负压，保证液体对栅区24的覆盖。
参照图5所示，本发明公开了一种传感组件，包括两根上述传感光纤10，两根传感光纤10平行设置且两根传感光纤10的传感端11齐平。本发明还包括套筒和接头31，两根传感光纤10固定设置在套筒内。两根传感光纤10的信号反射端皆与接头31连接。套管30可为塑料套管30。
其中，两根传感光纤10起到温度与压力测试作用，塑料套管30将两根传感光纤10固定成缆，可采用胶合或热塑方式相互固定；接头31固定于套管30上，采用胶合或机械固定方式；在接头31的内部置有E2000型光纤插头法兰，并于两根传感光纤10的信号反馈端12采用胶合研磨方式达到相互位置固定与精度保证。
参照图6-图7，本发明公开了一种传感器，基于上述的传感组件，传感器包括发光组件、传感组件和接收组件。
发光组件包括光源和分束器，分束器将光源分束成两束入射光线。两束入射光纤功率相同。
传感组件与发光组件连接，两束入射光线分别进入传感组件内的传感光纤10，当传感光纤10的传感端11温度和/或压力变化时，栅区24引起反射光的光谱变化。
接收组件与传感组件连接，接收组件包括两个光探测器，两个光探测器分别检测两束反射光的光学参数变化。
其中，光源可为ASE宽带光源。光探测器可为光谱仪。
在另一实施例中，本发明由5个主要部件组成，分别为传感组件、光纤耦合器组、3ASE宽带光源、光谱仪和数据分析与显示设备。
光纤耦合器组完成光源输入及功率分配、反馈光功率分配功能。其由3个分光比50：50的单模光纤耦合器40构成，按图6方式完成光纤熔接，并形成3类共5个端口，分别为光源连接端、传感器连接端、光谱仪连接端，其中光源连接端、光谱仪连接端采用与光源和光谱仪匹配的光纤端子，如FC头，传感器连接端采用E2000光纤接头31。为达到使用便利的目的，可对2光纤耦合器组整体封装于统一外壳并留接口。
ASE宽谱光源提供基本光源，跨度选择可为400nm-1600nm，根据光栅的反射谱选型。选择适配FC头的类型或FC头光纤耦合输出类型，当光源输出为FC头光纤端子时，需要使用适配法兰。
光谱仪选用适配FC头的类型，其探测波长需要覆盖光栅反射峰移动的范围，通常可以选择包含3ASE宽谱光源光谱的谱段即可。由于需要测试两个传感器的反馈数据，需要两台光谱仪。
数据分析与显示设备连接光谱仪的数据输出端，并通过软件实现以下基本功能：能够获取光栅反射峰的波长值，能够解耦并最终获得传感器端头的温度与压力参数。系统内，传感组件和光纤耦合器组通过两只E2000光纤接头31与法兰连接。光纤耦合器组和3ASE宽带光源通过FC光纤接头31连接。光纤耦合器组和光谱仪之间通过FC光纤接头31连接。谱仪和数据分析与显示设备通过光谱仪数据线连接。
本发明还公开了一种传感器的解耦方法，基于上述的传感器，包括以下步骤：
步骤一、获取两个光探测器的检测信号ΔλA和ΔλB。
步骤二、构建二元一次方程组
Figure BDA0002879604930000071
其中，T为测试点的温度，P为测试点的压力，gA和kA是其中一传感光纤的响应曲线，kB和gB为另一传感光纤的响应曲线；对于响应曲线，与温度或压力相关的简单函数，或通过标定，以数据表形式给出。响应曲线可通过多次测量已知温度和压力的液体，获取多组数据以计算获得。
步骤三、求解上述方程组，获得测试点的温度T和测试点的压力P。
具体的，可以使用以下规格的传感光纤。光纤规格为纤芯直径6um，包层直径125um，纤芯两侧对称分布两个椭圆形通孔，椭圆形短轴长40um，长轴长80um，椭圆形离纤芯的边边距离为10um。
第一通孔采用紫外固化胶封孔，栅区距离光纤顶端5mm，栅区长度10mm，栅区对1064nm波段具有高反射率，当受到温度压力影响时，反射波段会偏移。
采用900nm-1600nm ASE光源作为探测光源，总功率不超过100mW。
光谱仪采用海洋光学900nm-1600nm光谱仪，两台，分别探测A端与B端的反馈光谱信号，直接将数据传输至驱动电脑，并完成参数的取样。获取强度最高的波长点进行计算，并结合公式或内置表格，完成解耦待测环境的温度和压力。
光纤传感器应用于人体尿道内的温度与压力监测。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种传感光纤，其特征在于，包括纤体，所述纤体沿其轴向设置有纤芯、第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和第二通孔位于所述纤芯的两侧，所述纤芯上设置有栅区，所述栅区刻写有光栅；
其中，所述第一通孔的端部通过胶体密封，所述第二通孔的端部浸没在待测液体中以使得栅区低于待测液体的液面，当所述液体的温度和/或压力发生变化时，所述栅区的光栅的反射特性发生变化以检测物理信号。
2.如权利要求1所述的传感光纤，其特征在于，所述胶体为紫外固化胶。
3.如权利要求1所述的传感光纤，其特征在于，还包括吸气组件，所述吸气组件与所述传感光纤连接以使得液体进入第二通孔的端部。
4.如权利要求1所述的传感光纤，其特征在于，所述第一通孔和第二通孔相对于所述纤芯对称设置。
5.一种传感组件，其特征在于，包括两根权利要求1-4任一项所述的传感光纤，两根所述传感光纤平行设置且两根所述传感光纤的传感端齐平。
6.如权利要求5所述的传感组件，其特征在于，还包括套筒，两根所述传感光纤固定设置在所述套筒内。
7.如权利要求5所述的传感组件，其特征在于，还包括接头，两根所述传感光纤的信号反射端皆与接头连接。
8.一种传感器，基于权利要求5-7任一项所述的传感组件，其特征在于，所述传感器包括：
发光组件，所述发光组件包括光源和分束器，所述分束器将光源分束成两束入射光线；
传感组件，其与发光组件连接，两束入射光线分别进入所述传感组件内的传感光纤，当传感光纤的传感端温度和/或压力变化时，所述栅区引起反射光的光谱变化；
接收组件，其与传感组件连接，所述接收组件包括两个光探测器，两个所述光探测器分别检测两束反射光的光学参数变化。
9.如权利8所述的传感器，其特征在于，所述光源为3ASE宽带光源。
10.一种传感器的解耦方法，基于权利要求8-9任一项所述的传感器，其特征在于，包括以下步骤：
获取两个光探测器的检测信号ΔλA和ΔλB；
构建二元一次方程组
Figure FDA0002879604920000021
其中，T为测试点的温度，P为测试点的压力，gA和kA是其中一传感光纤的响应曲线，kB和gB为另一传感光纤的响应曲线；
求解上述方程组，获得测试点的温度T和测试点的压力P。
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