CN113624372A - 一种基于光纤的压力探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力探测领域，具体涉及一种基于光纤的压力探测装置，本发明提供了一种基于光纤的压力探测装置。本发明包括光纤纤芯、光纤包层、受力部、光弹性材料部、衬底部。应用时，受力部压缩光弹性材料部，改变光弹性材料部的折射率，即改变了激光在光纤纤芯内的传播路径改变，从而改变出射激光的强度，结合入射光强，得到激光在光纤内传播的反射率，根据反射率确定待测压力。因为光弹性材料部的折射率严格依赖于其所受压力，所以本发明具有压力探测灵敏度高的优势。同时，本发明是基于光纤的，光纤具有体积小、抗电磁干扰、价格便宜、使用年限长的特点，所以本发明提出的压力探测装置具有尺寸小、抗电磁干扰能力强、成本低、寿命长的优点。

Description

一种基于光纤的压力探测装置

技术领域

本发明涉及压力探测领域，具体涉及一种基于光纤的压力探测装置。

背景技术

光纤是光导纤维的缩写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，利用光的 全反射原理，可作为光传导工具。光纤由光纤纤芯、光纤包层、涂覆层构 成，光纤纤芯外面包围着一层折射率比光纤纤芯低的纤芯包层，激光在光 纤纤芯和光纤包层的界面上发生全反射，使得激光保持在光纤纤芯内，再 外面为一层薄的涂覆层，用来保护光纤。因为激光在光纤中的传输损耗比 电在电线中传输的损耗低得多，所以光纤常被用作长距离的信息传递。根据传输光的模式的数量，光纤可以分为单模光纤和多模光纤。光纤具有体 积小、抗电磁干扰、价格便宜、使用年限长的特点。

生活生产的方方面面均涉及压力探测，压力探测无处不在。目前，压 力探测的原理主要是利用弹性元件形变带动指针摆动来指示压力或利用压 阻式传感器的压阻效应改变传感部位的电阻值，从而改变外接电路中的电 流、电压等物理量来读取压力。前者体积大，且压力探测的灵敏度和装置 的寿命完全取决于弹性元件的性能，灵敏度低且寿命短；后者在强电磁干 扰环境下难以正常工作。这些传统的压力传感器不能同时满足体积小、灵敏度高、寿命长、抗电磁干扰的探测需要。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种基于光纤的压力探测装置，包括 光纤纤芯、光纤包层、受力部、光弹性材料部、衬底部。光纤包层的长度 小于光纤纤芯的长度，光纤包层包裹于光纤纤芯的一端，光弹性材料部包 裹于光纤纤芯裸露的另一端的侧周，光纤包层与光弹性材料部之间紧密接 触，光纤包层和弹光材料部的长度之和等于光纤纤芯的长度，衬底部置于 光纤纤芯和光弹性材料部整体的下方，衬底部的长度不小于光弹性材料部 的长度，衬底部和光弹性材料部可拆卸固定连接，受力部的长度等于光弹 性材料部的长度，受力部置于光纤纤芯和光弹性材料部整体的上方，受力 部与光弹性材料部固定连接。

进一步地，光纤纤芯靠近所述光弹性材料部一端的端面包覆有贵金属 薄膜。

更进一步地，贵金属薄膜材料为金或银，薄膜厚度为50nm～1000nm。

更进一步地，衬底部为扁平柱状，扁平柱状的底面即衬底部的上表面 或下表面为三角形、齿轮形、矩形，衬底部为不透光的刚性材料。

更进一步地，受力部的上表面为一面积大于衬底部下表面的平面，受 力部的下表面为与光弹性材料部吻合的圆弧面，受力部为不透光的刚性材 料。

更进一步地，受力部的下表面上设有凹槽，凹槽贯穿光弹性材料部， 凹槽的形状可以为楔形、矩形。

更进一步地，光弹性材料部外表面还设有贵金属薄膜，贵金属薄膜的 材料为金或银，贵金属薄膜的厚度为500nm～1500nm。

更进一步地，光纤纤芯靠近光弹性材料部的端部为凸起状，凸起状为 尖锥、半球、球缺。

更进一步地，光弹性材料部的内部设有材料块。

更进一步地，光弹性材料部材料为石英玻璃、环氧树脂、明胶。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于光纤的压力探测装置。本 发明包括激光器、光探测器、光纤纤芯、光纤包层、受力部、光弹性材料 部、衬底部。应用时，在待测压力的作用下，受力部压缩光弹性材料部， 光弹性材料部的折射率发生改变，即改变了光纤纤芯与光弹性材料部之间 界面处的反射特性，激光在光纤纤芯内的传播路径发生改变，从而光探测 器探测到的出射激光的强度发生变化，结合激光器的入射强度，能够得到 激光在光纤内传播的反射率，即通过激光的反射率能够确定待测压力的大 小。因为光弹性材料部的折射率严格依赖于其所受压力，所以本发明具有 压力探测灵敏度高的优势。同时，本发明是基于光纤的，光纤具有体积小、 抗电磁干扰、价格便宜、使用年限长的特点，所以本发明提出的压力探测 装置具有尺寸小、抗电磁干扰能力强、成本低、寿命长的优点。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是一种基于光纤的压力探测装置的正向剖面示意图。

图2是一种基于光纤的压力探测装置的压力传感部位的侧向剖面示意 图。

图3又是一种基于光纤的压力探测装置的压力传感部位的侧向剖面示 意图。

图4再是一种基于光纤的压力探测装置的压力传感部位的侧向剖面示 意图。

图5再是一种基于光纤的压力探测装置的压力传感部位的侧向剖面示 意图。

图6再是一种基于光纤的压力探测装置的压力传感部位的侧向剖面示 意图。

图7是图6所述压力探测装置的正向剖面示意图。

图8再是一种基于光纤的压力探测装置的正向剖面示意图。

图9再是一种基于光纤的压力探测装置的正向剖面示意图。

图10再是一种基于光纤的压力探测装置的正向剖面示意图。

图中：1、激光器；2、光探测器；3、光纤纤芯；4、光纤包层；5、受 力部；6、光弹性材料部；7、第一贵金属薄膜；8、衬底部；9、缓冲材料 部；10、第二贵金属薄膜；11、材料块。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结 合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明 如下。

实施例1

本发明提供了一种基于光纤的压力探测装置，如图1所示，包括光纤 纤芯3、光纤包层4、受力部5、光弹性材料部6、衬底部8。光纤包层4的 长度小于光纤纤芯3的长度，裸露出一段光纤纤芯3，激光在光纤纤芯3中 的传播路径严格依赖于光纤纤芯3与相邻材料形成的界面，裸露出的光纤 纤芯3以便进行压力探测；光纤包层4包裹于光纤纤芯3的一端，这样光 纤纤芯3的端部在压力探测部位，方便对光纤纤芯3的端部进行改变，从 而提高压力探测的灵敏度；光弹性材料部6包裹于裸露的光纤纤芯3侧周， 这样在裸露的光纤纤芯3与光弹性材料部6之间形成一个界面，界面的形 状为圆柱曲面，光纤纤芯3内的激光在该圆柱曲面上发生全反射；光纤包 层4与光弹性材料部6之间紧密接触，没有狭隙，光纤包层4和弹光材料 部6的长度之和等于光纤纤芯3的长度，这样光纤纤芯3的侧周均被光纤 包层4和光弹性材料部6包裹，使得激光在光纤纤芯3内传输；衬底部8 置于光纤纤芯3和光弹性材料部6整体的正下方，衬底部8的长度不小于 光弹性材料部6的长度，这样衬底部8能够有效地支撑光弹性材料部6，起 到保护光弹性材料部6的作用，同时也有利于更好地将衬底层8固定在待 测受力物上；衬底部8和光弹性材料部6可拆卸固定连接，这样衬底部8 能够固定在光弹性材料部6外侧面上的不同位置，以便在施力物所施力的 方向与待测受力物表面不垂直的情况下进行压力探测；受力部5置于光纤 纤芯3和光弹性材料部6整体的正上方，受力部5的长度等于光弹性材料 部6的长度，受力部5与光弹性材料部6固定连接，这增加受力部5受力 时的稳定性；受力部5和衬底部8的材料为不透光的刚性材料，受力部5 和衬底部8的材料可以相同也可以不同，优选地，受力部5和衬底部8的 材料相同，这样受力部5和衬底部8的材料具有相同的弹性模量，在受力 物和施力物间作用力和反作用用力作用下的形变量基本相当，不易引起探 测误差。光弹性材料部6的材料为光弹性材料，具体地，光弹性材料部6 的材料为石英玻璃、环氧树脂、明胶。

制作时，本发明中使用的光纤可以为石英光纤也可以为塑料光纤，优 选地，使用石英光纤；本发明中使用的光纤可以为单模光纤也可以为多模 光纤。首先，在光纤一端去掉一段涂覆层，露出光纤的包层，再使用光纤 抛磨机去掉光纤纤芯3端部周围的一段包层，裸露出一段光纤纤芯3；最后， 在裸露光纤纤芯3的周侧包覆光弹性材料，在光弹性材料上下分别固定受 力部5和衬底部8。

应用时，根据待测压力方向和受力物表面的关系，将衬底部8固定在 光弹性材料部6外侧面上合适的位置，把衬底部8固定在受力物表面。待 测压力作用在受力部5上，受力部5压缩光弹性材料部6，光弹性材料部6 的折射率发生改变，即改变了光纤纤芯3与光弹性材料部6之间界面处的 反射特性；激光器1发出的激光从光纤纤芯3靠近光纤包层4一端的端面 入射，在光纤纤芯3和光纤包层4的界面上发生全反射，接着在光纤纤芯3 和光弹性材料部6的界面上发生全反射，因为待测压力改变了光纤纤芯3 与光弹性材料部6之间界面处的反射特性，即不同探测压力下，激光在包 覆有光弹性材料的光纤纤芯3内的传播路径和能量损耗不同，激光在光纤 纤芯3靠近光弹性材料部6一端的端面上被反射再次进入包覆有光弹性材 料的光纤纤芯3内进行传播，最后从光纤纤芯3靠近光纤包层4一端的端 面射出，由光探测器2探测反射光的强度，结合激光器1的入射光强，得 到不同探测压力下的反射率，通过改变入射波长或者待测压力还可得到反 射光谱。因为光弹性材料部的折射率严格依赖于其所受压力，所以本发明 具有压力探测灵敏度高的优势。同时，本发明是基于光纤的，光纤具有体 积小、抗电磁干扰、价格便宜、使用年限长的特点，所以本发明提出的压力探测装置具有尺寸小、抗电磁干扰能力强、成本低、寿命长的优点。

实施例2

在实施例1的基础上，如图2所示，第一贵金属薄膜7包覆在光纤纤 芯3靠近光弹性材料部6一端的端面上，第一贵金属薄膜7的材料为贵金 属材料，优选地，第一贵金属薄膜7的材料为金或银，第一贵金属薄膜7 的厚度为50nm～1000nm，贵金属材料对光具有很好的反射性能，使得光纤 纤芯3靠近光弹性材料部6一端的端面反射更多的激光，反射激光再次进 入光纤纤芯3，这增强了改变激光传播路径的效果，更多地改变出射激光的 强度，提高压力探测的灵敏度。

实施例3

在实施例2的基础上，光弹性材料部6的形状可以为中间有贯穿圆柱 状的空心球体、长方体、圆柱体等，中间空心圆柱的大小与光纤纤芯3相 吻合，优选地，光弹性材料部6的形状为中间有贯穿圆柱状的空心圆柱体。 该空心圆柱体的底面为一同心圆环，同心圆环的内径为光纤纤芯3的端面 直径，外径大于等于光纤包层4的外径。同心圆环为对称形状，这样衬底 部8能够固定在光弹性材料部6外侧面上与待测压力方向成任意角度的位 置，从而能够测量待测压力与受力物表面不垂直时的待测压力。同时，因 为同心圆环为对称形状，沿不同方向受力时，光弹性材料部6折射率的改 变是完全相同的，可以消除上述不同角度下测量待测压力时引起的微小误 差，提高探测装置的精确度。

实施例4

在实施例3的基础上，如图3所示，衬底部8为扁平柱状，扁平柱状 的底面可以为三角形、齿轮形、矩形；受力部5可以为扁平柱状也可以不 为扁平柱状，扁平柱状的底面也可以为三角形、齿轮形、矩形。衬底部8 和受力部5扁平柱状底面的形状可以相同，也可以不同。衬底部8或受力 部5扁平柱状的底面为三角形，三角形为等腰三角形，衬底部8与光弹性材料部6的接触面为等腰三角形的对称轴，这样有利于在里窄外宽的特殊 位置固定衬底部8或受力部5；衬底部8或受力部5扁平柱状的底面为齿轮 形，齿轮形外围有多个突出部，方便将衬底部8固定在待测施力物上或将 受力部5固定在受力物上；衬底部8或受力部5扁平柱状的底面为矩形， 矩形有四个直角和两个长边，固定方式灵活，方便将衬底部8固定在待测 施力物上或将受力部5固定在受力物上。通过更换不同形状的衬底部8或 受力部5，提升了探测装置的适用性。

实施例5

在实施例4的基础上，如图4所示，衬底部8与光弹性材料部6的接 触面为一曲面，衬底部8的上表面有一与光弹性材料部6吻合的圆弧形凹 槽，这样能够更容易地将光弹性材料部6固定在衬底部8上；受力部5的 上表面为一面积大于衬底部8下表面的平面，下表面为与光弹性材料部6 吻合的圆弧面，这样能够更容易地将光弹性材料部6固定在受力部5上， 同时，较大的上表面增大了受力部5与施力物的接触面积，从而受力部5 向光弹性材料部6传递更强的作用力，提高了探测装置的响应强度。

实施例6

在实施例5的基础上，如图5所示，受力部5的下表面处设有凹槽， 凹槽贯穿光弹性材料部6，凹槽的形状可以为楔形、矩形等任意形状，凹槽 的数量可以为奇数也可以为偶数，有凹槽处的圆弧长度不超过受力部5与 光弹性材料部6接触弧面弧长的二分之一，这有利于保证装置的稳定性， 凹槽的存在减小了受力部5与光弹性材料部6的接触面积，增大了受力部5 对光弹性材料部6的压强，这会增加光弹性材料部6的受力点个数，使得 局部光弹性材料部6的折射率改变更大，光弹性材料部6的折射率改变不 均匀，光纤纤芯3和光弹性材料部6界面上各处的反射特性也不完全相同， 这增加了激光在光纤纤芯3和光弹性材料部6界面上传播时的复杂性，使 得出射激光的光强改变更大，提高了探测装置的灵敏度。

实施例7

在实施例6的基础上，如图6所示，在受力部5的凹槽内固定设置缓 冲材料部9，缓冲材料部9为弹性材料，缓冲材料部9为长条状，长度为光 弹性材料部6的长度，截面形状与凹槽形状基本一致，区别在于，缓冲材 料部9没有完全填充凹槽，在凹槽的最里处留有高度约为2-3μm的空气狭 隙。这样当受力部5所受外力过大时，受力部5向下发生形变，缓冲材料部9会与受力部5接触，并且发生形变，抵消过大外力带来的影响，保护 了光弹性材料部6，这提高了探测装置的安全性。

实施例8

在实施例7的基础上，如图7和图8所示，光弹性材料部6的外表面 还设有第二贵金属薄膜10，第二贵金属薄膜10的材料为贵金属材料，优选 地，第二贵金属薄膜10的材料为金或银，第二贵金属薄膜10的厚度为 500nm～1500nm。贵金属材料对光具有很好的反射性能，这样进入光弹性材 料部6的光经过反射会再次进入光弹性材料部6，穿过光弹性材料部6和光 纤纤芯3的界面，进入到光纤纤芯3，这样光探测器2会探测到更多与探测 压力有关的光的强度，增强探测转置的灵敏度。

实施例9

在实施例8的基础上，光纤纤芯3靠近光弹性材料部6的端部为凸起 状，具体地，光纤纤芯3靠近光弹性材料部6的端部的形状为尖锥、半球、 球缺。光纤纤芯3靠近光弹性材料部6的端部对反射光的影响很大，通过 改变该端部的形状，使得经过端面外侧第一贵金属薄膜7的反射激光在光 纤纤芯3和光弹性材料部6的界面上反射时，传播路径改变的更多，这样 出射激光的光强改变更大，提高了探测装置的灵敏度。光纤纤芯3靠近光 弹性材料部6的端部的形状为尖锥，尖锥锥面外侧的第一贵金属薄膜7会 反射进入尖锥的激光，使得其反射激光的方向分散开，另外，尖锥形状的 端部容易制备；光纤纤芯3靠近光弹性材料部6的端部的形状为半球，半 球球面外侧的第一贵金属薄膜7会反射进入半球的激光，半球的焦点在其 圆心上，半球内的所有反射光均会通过其圆心，这相当于在其圆心处有一 点光源，增加了反射激光的分散性，使得其反射激光的方向更加分散；光 纤纤芯3靠近光弹性材料部6的端部的形状为球缺，球缺外侧的第一贵金 属薄膜7会反射进入球缺的激光，球缺的曲率半径大于对应半球的曲率半 径，球缺的焦点位于光纤纤芯3内部轴线上，相当于在光纤纤芯3内部轴 线上放置一点光源，使得光纤纤芯3和光弹性材料部6界面上的反射光的方向更加多样化，进一步增加了反射激光的分散性。这有效提高了本发明 探测装置的灵敏度。

实施例10

在实施例9的基础上，如图9所示，在光弹性材料部6内设置材料块 11，材料块11可以为球体、长方体、四面体等任意形状，材料块11的形状、 尺寸及间距可以相同也可以不同，材料块11的形状、尺寸及间距相同，无 论待测压力的方向与受力物表面的关系如何，由材料块11引起的光弹性材 料部6的折射率变化一致，压力探测的可比性和可重复性较高；材料块11 的形状、尺寸及间距不同时，在受力部5的压缩下，光弹性材料部6内部 表面上的应力大小和方向更多样，使得光弹性材料部6整体的折射率改变 更多，更多地改变激光在光纤纤芯3内传播的路径，出射激光的光强度改 变更多，提高压力探测灵敏度。材料块11的材料可以为二氧化硅、贵金属、 弹性材料，材料块11的材料可以相同也可以不相同。材料块11的材料为 贵金属时，在光场作用下，贵金属表面发生局域等离激元极化，贵金属附 近的光场能量集中在贵金属表面，这会改变贵金属附近光弹性材料的折射 率，进而改变激光在光纤纤芯3内传播的路径，出射激光的光强度改变更 多，提高压力探测灵敏度；另外，距离较近的两块贵金属之间会发生相互 耦合，会更多地改变周围光弹性材料的折射率，这进一步提高了本发明的 探测灵敏度。在待测外力作用下，受力部5压缩光弹性材料部6，光弹性材 料部6具有光弹性效应，在受力时其折射率会发生变化，嵌与其中的材料 块11使得光弹性材料部6内部的一些表面上会受到应力作用，增强了光弹 性材料部6的光弹性效应，从而光弹性材料部6的折射率改变更多，激光 在光纤纤芯3和光弹性材料部6界面上反射时的路径改变更大，这样出射 激光的光强改变更大，这提高了本发明监测装置的灵敏度。

实施例11

与实施例10不同的是，如图10所示，仅在光弹性材料部6内与光纤 线芯3的界面处设置材料块11。材料块11可以为球体、长方体、四面体等 任意形状，优选地，材料块11为球体，球体的一个切面即为光纤线芯3与 光弹性材料部6的界面，光是沿直线传播的，这样容易将光纤纤芯3中的 激光引入材料块11中。材料块11的材料可以为贵金属、二氧化硅，材料块11的材料为贵金属，在光场作用下贵金属表面发生局域等离激元极化， 贵金属附近的光场能量集中在贵金属表面，这改变了贵金属附近光弹性材 料的折射率，从而改变激光在光纤纤芯3内传播的路径，出射激光的光强 度改变更多，提高压力探测灵敏度；材料块11的材料为二氧化硅，激光进 入二氧化硅后，在二氧化硅内部经过多次反射后穿过光纤线芯3与光弹性 材料部6的界面进入光纤纤芯3，二氧化硅改变了激光的传播路径，从而改 变出射激光的光强，提高装置的探测灵敏度。材料块11的尺寸可以相同也 可以不相同，材料块11的间距可以相同也可以不相同，优选地，材料块间 距不同，这样材料块11的间距有长有短，而材料块11间的耦合作用强度 与间距有关，这样光纤纤芯3与光弹性材料部6的界面上各处的折射率不 同，该界面的反射光的方向各不相同，从而激光在光纤纤芯3中的传播路 径更加复杂，出射激光的光强改变更大，提高了压力探测装置的灵敏度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明， 不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简 单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光纤的压力探测装置，其特征在于，包括光纤纤芯、光纤包层、受力部、光弹性材料部、衬底部，所述光纤包层的长度小于所述光纤纤芯的长度，所述光纤包层包裹于所述光纤纤芯的一端，所述光弹性材料部包裹于所述光纤纤芯裸露的另一端的侧周，所述光纤包层与所述光弹性材料部之间紧密接触，所述光纤包层和所述弹光材料部的长度之和等于所述光纤纤芯的长度，所述衬底部置于所述光纤纤芯和所述光弹性材料部整体的下方，所述衬底部的长度不小于所述光弹性材料部的长度，所述衬底部和所述光弹性材料部可拆卸固定连接，所述受力部的长度等于所述光弹性材料部的长度，所述受力部置于所述光纤纤芯和所述光弹性材料部整体的上方，所述受力部与所述光弹性材料部固定连接。

2.如权利要求1所述的一种基于光纤的压力探测装置，其特征在于：所述光纤纤芯靠近所述光弹性材料部一端的端面包覆有贵金属薄膜。

3.如权利要求2所述的一种基于光纤的压力探测装置，其特征在于：所述衬底部为扁平柱状，所述扁平柱状的底面即所述衬底部的上表面或下表面为三角形、齿轮形、矩形，所述衬底部为不透光的刚性材料。

4.如权利要求3所述的一种基于光纤的压力探测装置，其特征在于：所述受力部的上表面为一面积大于所述衬底部下表面的平面，所述受力部的下表面为与所述光弹性材料部吻合的圆弧面，所述受力部为不透光的刚性材料。

5.如权利要求4所述的一种基于光纤的压力探测装置，其特征在于：所述受力部的下表面上设有凹槽，所述凹槽贯穿所述光弹性材料部，所述凹槽的形状可以为楔形、矩形。

6.如权利要求5所述的一种基于光纤的压力探测装置，其特征在于：所述光弹性材料部外表面还设有贵金属薄膜，所述贵金属薄膜的材料为金或银，所述贵金属薄膜的厚度为500nm～1500nm。

7.如权利要求6所述的一种基于光纤的压力探测装置，其特征在于：所述光纤纤芯靠近所述光弹性材料部的端部为凸起状，所述凸起状为尖锥、半球、球缺。

8.如权利要求7所述的一种基于光纤的压力探测装置，其特征在于：所述光弹性材料部的内部设有材料块。

9.如权利要求1所述的一种基于光纤的压力探测装置，其特征在于：所述光弹性材料部材料为石英玻璃、环氧树脂、明胶。

10.如权利要求2所述的一种基于光纤的压力探测装置，其特征在于：所述贵金属薄膜材料为金或银，所述薄膜厚度为50nm～1000nm。

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