CN202485696U - 一种圆柱形微弯调制器及包括该调制器的光纤微弯传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤传感技术领域，公开了一种圆柱形微弯调制器及包括该调制器的光纤微弯传感器，包括：圆柱形内壳、外壳、锁紧装置；在圆柱形内壳的侧面上，垂直于圆柱形内壳的底面开设有齿槽；外壳为侧面带锯齿的柱体；圆柱形内壳上的齿槽与外壳上的锯齿相互匹配；锁紧装置将圆柱形内壳与外壳连接固定，且外壳上的锯齿正好压入圆柱形内壳上的齿槽中。本实用新型不仅增加了微弯光纤的长度，而且通过锯齿与齿槽的耦合，提高了传感的灵敏度。灵敏度可以根据要求通过改变锯齿的个数进行调整。本实用新型结构简单，效果明显，实用性强。

Description

一种圆柱形微弯调制器及包括该调制器的光纤微弯传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，主要适用于一种圆柱形微弯调制器及包括该调制器的光纤微弯传感器。

背景技术

光纤微弯传感器是根据光纤的微弯损耗现象而设计的，其原理是根据光纤受被测参量调制而发生弯曲产生微弯损耗，通过探测光纤中传输光功率的损耗而检测被测参量。当外界被测参量发生变化时，使得光纤发生周期性的微弯，并且弯曲程度发生变化，这时光纤中通过的光信号损耗就会发生变化，由此可检测被测参量的变化。光纤微弯传感器是由光源、微弯调制器、光纤、光功率计等部分组成。由于该光纤传感器结构简单、易于实用化，受到广泛关注，该原理已被研究开发用于位移、压力、加速度、应变、声波等参量的检测中。

目前已被采用的微弯调制器结构有锯齿形、波纹形、螺旋形、弹性圆柱或圆筒形、框架式、交架式等多种形式。最常见的齿条式微弯传感结构，该结构的灵敏度很大程度上决定于微弯光纤的长度和两个齿子之间的距离，当齿距达到最佳步长时，能使模式之间达到最大的耦合效果，使纤芯中的导模最大程度的转变为包层中的泄漏模，此时的弯曲损耗最大，传感器具有最佳灵敏度，但是齿形板不可能做得非常的长，这种结构的灵敏度还是不够高。在实际应用中，当位移较小时，采用螺旋管式的微弯传感器结构更优越，此时测量板的位移量与光纤传输的光功率变化量基本成线性关系，这给信息的提取和处理带来很大方便，螺旋式微弯传感器虽然增加了微弯的长度，但是由于每个微弯之间的距离远远超过了模式之间的最佳耦合周期，因而也不能达到最佳的耦合效果，其灵敏度就达不到更好的效果。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种圆柱形微弯调制器及包括该调制器的光纤微弯传感器，它不仅增加了微弯光纤的长度，而且通过锯齿与齿槽的耦合，提高了传感的灵敏度。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种圆柱形微弯调制器，包括：圆柱形内壳、外壳、锁紧装置；在所述圆柱形内壳的侧面上，垂直于圆柱形内壳的底面开设有齿槽；所述外壳为侧面带锯齿的柱体；圆柱形内壳上的齿槽与外壳上的锯齿相互匹配；所述锁紧装置将圆柱形内壳与外壳连接固定，且外壳上的锯齿正好压入圆柱形内壳上的齿槽中。

上述方案中，所述锁紧装置包括：螺钉；在所述圆柱形内壳的侧面上还开设有螺纹限位孔，在所述外壳侧面上开设有螺钉安装孔；所述螺钉穿过所述螺钉安装孔与所述螺纹限位孔安装。

上述方案中，所述锁紧装置还包括：弹簧；在所述圆柱形内壳的侧面上的螺纹限位孔的周围开设有弹簧放置内槽，在所述外壳带锯齿的侧面上的螺钉安装孔的周围开设有弹簧放置外槽，所述弹簧放置内槽与所述弹簧放置外槽相互匹配；所述弹簧套在所述螺钉脚上，且设置在弹簧放置内槽与弹簧放置外槽之间。

上述方案中，所述螺钉安装孔的孔壁为光滑的。

上述方案中，所述外壳上的锯齿为三棱柱。

上述方案中，在所述圆柱形内壳上开设有至少一螺纹安装孔。

本实用新型还提供了一种光纤微弯传感器，包括：上述方案中的圆柱形微弯调制器、光纤、光源、光功率计；所述光纤缠绕在所述圆柱形微弯调制器的圆柱形内壳的侧面上，光纤的两端各自分别连接所述光源和所述光功率计。

上述方案中，所述圆柱形微弯调制器的外壳侧面上两相邻锯齿之间距离为最佳齿距；计算公式如下：

${\mathrm{\Δ\β}}_m={\mathrm{\β}}_{m+1}-{\mathrm{\β}}_m={\left(\frac{g}{g+2}\right)}^{\frac{1}{2}}\frac{2\sqrt{\mathrm{\Δ}}}{a}{\left(\frac{m}{M}\right)}^{(2-g)/(2+g)}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_C}$

式中，g为所述光纤的折射率分布参数，a为纤芯半径，M为总模式数，m为导模序数，Δ为纤芯与包层的相对折射率差，Δβ_m为两传播常数β_m、β_m+1之差，Λ_C为锯齿的最佳齿距。

上述方案中，所述光源为宽谱光源。

上述方案中，所述圆柱形微弯调制器的圆柱形内壳的底面半径与所述光纤纤芯半径的比值大于100。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型不仅增加了微弯光纤的长度，而且通过锯齿与齿槽的耦合，提高了传感的灵敏度。灵敏度可以根据要求通过改变锯齿的个数进行调整。本实用新型结构简单，效果明显，实用性强。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的圆柱形微弯调制器中圆柱形内壳的结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的圆柱形微弯调制器中外壳的结构示意图。

图3为本实用新型实施例提供的圆柱形微弯调制器的结构示意图。

其中，1-螺纹限位孔，2-弹簧放置内槽，3-齿槽，4-螺纹安装孔，5-螺钉安装孔，6-弹簧放置外槽，7-锯齿，8-弹簧。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的一种圆柱形微弯调制器及包括该调制器的光纤微弯传感器的具体实施方式及工作原理进行详细说明。

本实用新型提供的圆柱形微弯调制器，包括：圆柱形内壳、外壳、锁紧装置；在圆柱形内壳的侧面上，垂直于圆柱形内壳的底面开设有齿槽3；外壳为侧面带锯齿7的柱体。圆柱形内壳上的齿槽3与外壳上的锯齿7相互匹配；锁紧装置将圆柱形内壳与外壳连接固定，且外壳上的锯齿7正好压入圆柱形内壳上的齿槽3中。在本实施例中，锁紧装置包括：弹簧8、螺钉。由图1可知圆柱形内壳的结构，在圆柱形内壳的侧面上还开设有螺纹限位孔1，在螺纹限位孔1的周围开设有弹簧放置内槽2；在圆柱形内壳的底面开设四个螺纹安装孔4。由图2可知外壳的结构，在外壳的侧面上开设有螺钉安装孔5，在外壳带锯齿7的侧面上的螺钉安装孔5的周围开设有弹簧放置外槽6。优选的，螺钉安装孔5的孔壁为光滑的。优选的，在本实施例中，外壳上的锯齿7为三棱柱。由图3可知，外壳上的锯齿7与圆柱形内壳的齿槽3相互匹配，即外壳上的锯齿7可以正好压入圆柱形内壳的齿槽3中。圆柱形内壳侧面上的螺纹限位孔1与外壳侧面上的螺钉安装孔5相互匹配，即螺钉正好穿过螺钉安装孔5与螺纹限位孔1安装。弹簧8套在螺钉脚上。圆柱形内壳侧面上的弹簧放置内槽2与外壳侧面上的弹簧放置外槽6相互匹配，即弹簧8正好设置在弹簧放置内槽2与弹簧放置外槽6之间。

本实用新型提供的光纤微弯传感器，包括：上述的圆柱形微弯调制器、光纤、光源、光功率计；光纤缠绕在圆柱形微弯调制器的圆柱形内壳的侧面上，光纤的两端各自分别连接光源和光功率计。优选的，光源为宽谱光源。

本实用新型在使用时，首先将光纤缠绕在圆柱形内壳的侧面上，再将螺钉穿过外壳侧面上的螺钉安装孔5，接着将弹簧8套在螺钉脚上，然后将套有弹簧8的螺钉与圆柱形内壳侧面上的螺纹限位孔1安装固定。此时弹簧8正好设置在弹簧放置内槽2与弹簧放置外槽6之间，外壳上的锯齿7正好不压到光纤但是紧挨着光纤。用螺钉穿过螺纹安装孔4，并与一固定面连接固定。将宽谱光源输入到光纤中，光纤的另一端与光功率计连接，最后将外壳与检测面紧贴并固定好。当外界作用力作用于外壳上时，使得外壳产生相应的位移，光纤会发生相应微弯产生微弯损耗，通过检测光强损耗的大小可以计算出外界的位移以及应力的大小。当外界作用力消失时，通过弹簧8的弹力作用，外壳回到原来的位置。

这里需要说明的是，为了保证得到的结论的准确性，光纤缠绕在内壳侧面上时的微弯损耗应忽略不计，在本实施例中，圆柱形内壳的底面半径和光纤的纤芯半径的比值大于100。

还需要说明的是，可以根据选择的光纤类型来设定外壳侧面上两相邻锯齿之间的最佳齿距，即圆柱形内壳侧面上两相邻齿槽中心之间的最佳距离。计算公式如下：

${\mathrm{\Δ\β}}_m={\mathrm{\β}}_{m+1}-{\mathrm{\β}}_m={\left(\frac{g}{g+2}\right)}^{\frac{1}{2}}\frac{2\sqrt{\mathrm{\Δ}}}{a}{\left(\frac{m}{M}\right)}^{(2-g)/(2+g)}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_C}$

式中，g为光纤的折射率分布参数，a为纤芯半径，M为总模式数，m为导模序数，Δ为纤芯与包层的相对折射率差，Δβ_m为两传播常数β_m、β_m+1之差，Λ_C为锯齿的最佳齿距；

对于阶跃折射率光纤，即g＝∞，则有

式中NA表示光纤的数值孔径，n₁为纤芯折射率；

对于渐变折射率光纤，即g＝2，则有

式中NA表示光纤的数值孔径，n₁为纤芯折射率。

本实用新型不仅增加了微弯光纤的长度，而且通过设计两相邻锯齿之间的距离为最佳齿距，当光纤发生周期性微弯时，传输模式能最大程度的转化为损耗模式，从而提高了传感的灵敏度。灵敏度可以根据要求通过改变锯齿的个数进行调整。本实用新型结构简单，效果明显，实用性强。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种圆柱形微弯调制器，其特征在于，包括：圆柱形内壳、外壳、锁紧装置；在所述圆柱形内壳的侧面上，垂直于圆柱形内壳的底面开设有齿槽；所述外壳为侧面带锯齿的柱体；圆柱形内壳上的齿槽与外壳上的锯齿相互匹配；所述锁紧装置将圆柱形内壳与外壳连接固定，且外壳上的锯齿正好压入圆柱形内壳上的齿槽中。

2.如权利要求1所述的圆柱形微弯调制器，其特征在于，所述锁紧装置包括：螺钉；在所述圆柱形内壳的侧面上还开设有螺纹限位孔，在所述外壳侧面上开设有螺钉安装孔；所述螺钉穿过所述螺钉安装孔与所述螺纹限位孔安装。

3.如权利要求2所述的圆柱形微弯调制器，其特征在于，所述锁紧装置还包括：弹簧；在所述圆柱形内壳的侧面上的螺纹限位孔的周围开设有弹簧放置内槽，在所述外壳带锯齿的侧面上的螺钉安装孔的周围开设有弹簧放置外槽，所述弹簧放置内槽与所述弹簧放置外槽相互匹配；所述弹簧套在所述螺钉脚上，且设置在弹簧放置内槽与弹簧放置外槽之间。

4.如权利要求2或3所述的圆柱形微弯调制器，其特征在于，所述螺钉安装孔的孔壁为光滑的。

5.如权利要求1或3所述的圆柱形微弯调制器，其特征在于，所述外壳上的锯齿为三棱柱。

6.如权利要求1、2、3中任意一项所述的圆柱形微弯调制器，其特征在于，在所述圆柱形内壳上开设有至少一螺纹安装孔。

7.一种光纤微弯传感器，其特征在于，包括：由权利要求1、2、3中任意一项所述的圆柱形微弯调制器、光纤、光源、光功率计；所述光纤缠绕在所述圆柱形微弯调制器的圆柱形内壳的侧面上，光纤的两端各自分别连接所述光源和所述光功率计。

8.如权利要求7所述的光纤微弯传感器，其特征在于，所述圆柱形微弯调制器的外壳侧面上两相邻锯齿之间距离为最佳齿距；计算公式如下：

${\mathrm{\Δ\β}}_m={\mathrm{\β}}_{m+1}-{\mathrm{\β}}_m={\left(\frac{g}{g+2}\right)}^{\frac{1}{2}}\frac{2\sqrt{\mathrm{\Δ}}}{a}{\left(\frac{m}{M}\right)}^{(2-g)/(2+g)}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_C}$

式中，g为所述光纤的折射率分布参数，a为纤芯半径，M为总模式数，m为导模序数，Δ为纤芯与包层的相对折射率差，Δβ_m为两传播常数β_m、β_m+1之差，Λ_C为锯齿的最佳齿距。

9.如权利要求7所述的光纤微弯传感器，其特征在于，所述光源为宽谱光源。

10.如权利要求7所述的光纤微弯传感器，其特征在于，所述圆柱形微弯调制器的圆柱形内壳的底面半径与所述光纤纤芯半径的比值大于100。

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