CN209400111U - 多芯光纤压力传感器及多芯光纤压力传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于光纤传感技术领域，提供了一种多芯光纤压力传感器及多芯光纤压力传感系统，多芯光纤压力传感器包括多芯光纤包层、多芯光纤纤芯组、微腔组和薄膜材料；每个多芯光纤纤芯的输出端面与每个微腔的第一端面连接，多芯光纤纤芯的输出端面构成第一并行反射面组；多芯光纤纤芯组设置于多芯光纤包层中，多芯光纤包层端面、每个微腔的第二端面涂覆有薄膜材料，每个微腔的第二端面和薄膜材料构成第二反射端面。通过本实用新型可以解决现有的光纤压力传感器无法进行多点并行采集、难以实现高空间分辨率，从而使其不能应用在精细结构上的问题。

Description

多芯光纤压力传感器及多芯光纤压力传感系统

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种多芯光纤压力传感器及多芯光纤压力传感系统。

背景技术

光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号的新型传感技术。当这种外界信号为压力时，即构成光纤压力传感器。光纤压力传感器作为一种新型的传感器，与传统的压力传感器相比体积小、重量轻，具有电绝缘性、不受电磁干扰、可应用于易燃易爆的环境中等优点。

然而，这种光纤压力传感器单次测量只能获得整个光纤端面处的平均压力值，并不能对光纤端面的不同位置处的压力进行测量和表征，而高空间分辨率的压力传感器在精细结构的表征、光声成像等领域具有重要作用。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种多芯光纤压力传感器及多芯光纤压力传感系统，以解决现有的光纤压力传感器无法进行多点并行采集、难以实现高空间分辨率，从而使其不能应用在精细结构上的问题。

为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供了一种多芯光纤压力传感器，所述多芯光纤压力传感器包括多芯光纤包层、多芯光纤纤芯组、微腔组和薄膜材料；

每个所述多芯光纤纤芯的输出端面与每个所述微腔的第一端面连接，所述多芯光纤纤芯的输出端面构成第一并行反射面组；

所述多芯光纤纤芯组设置于所述多芯光纤包层中，所述多芯光纤包层端面、每个所述微腔的第二端面涂覆有所述薄膜材料，所述每个所述微腔的第二端面和所述薄膜材料构成第二反射端面；

所述多芯光纤纤芯和所述微腔传输光信号；

所述第一并行反射面组和所述第二反射端面反射所述光信号，所述第二反射端面还接收压力信号。

可选地，所述微腔的第一端面与所述多芯光纤纤芯的输出端面重合；

所述微腔的第二端面面积大于所述微腔的第一端面。

可选地，所述微腔表面与所述多芯光纤纤芯的材质相同。

可选地，所述薄膜材料包括石英、高分子聚合物、金属、石墨烯、黑磷。

发明实施例第二方面提供了一种多芯光纤压力传感系统，所述多芯光纤压力传感系统包括光源、光纤耦合器、多芯光纤复用器、如本发明实施例第一方面所述的多芯光纤压力传感器、压力发生装置和光解调装置；

所述光源、光纤耦合器、多芯光纤复用器、多芯光纤传感器、压力发生装置装依次连接，所述光纤耦合器还与所述光解调装置连接；

所述光源提供光信号；

所述压力发生装置产生压力，并作用于所述多芯光纤传感器；

所述多芯光纤传感器接收压力信号，且反射所述光信号；

所述光纤耦合器接收所述光信号和所述多芯光纤传感器的反射光信号，并将所述光信号发送至所述多芯光纤复用器，将所述反射光信号发送至所述光解调装置；

所述多芯光纤复用器分离所述光信号，耦合所述反射光信号；

所述光解调装置接收所述反射光信号，并分析所述多芯光纤传感器中不同位置的压力信号。

可选地，所述光源包括宽带光源和光纤光源。

可选地，所述压力发生装置包括液压发生器、气压控制器、微位移压力控制器。

可选地，所述光解调装置包括衍射光栅光谱仪、棱镜光谱仪、干涉光谱仪、微型光谱仪。

本发明实施例提出了一种多芯光纤压力传感器，包括由多芯光纤纤芯的输出端面构成的第一并行反射端面组，和微腔第二端面及薄膜材料构成的第二反射端面，光信号在多芯光纤纤芯中传输，而第一并行反射端面组和第二反射端面反射光信号，第二反射端面还接收压力信号，由于第一并行反射端面组和第二反射端面之间存在微腔，因此第一反射端面组反射的光信号和第二反射端面反射的光信号存在光程差，当第二反射端面接收压力信号时，第一并行反射端面组和第二反射端面之间的距离变化，其反射光信号的光程差也发生变化，由此可以计算第二端反射面上不同位置所接收的压力信号大小，从而实现光纤压力传感器的高空间分辨率，用以表征精细结构。

附图说明

图1为本发明实施例一所提供的多芯光纤压力传感器结构示意图；

图2为本发明实施例二所提供的多芯光纤压力传感系统的结构示意图；

图3为本发明实施例三所提供的多芯光纤压力传感器的制备方法的实现流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

在本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，"模块" 与"部件"可以混合地使用。

在后续的描述中，发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种多芯光纤压力传感器10，能够计算其接收压力信号时，传感器不同位置上的压力信号大小，提高光纤压力传感器的空间分辨率。多芯光纤压力传感器10包括多芯光纤包层11、多芯光纤纤芯组12、微腔组13和薄膜材料14。

在本发明实施例中，多芯光纤压力传感器各部位的连接关系如下：

每个多芯光纤纤芯121的输出端面与每个微腔131的第一端面连接，多芯光纤纤芯121的输出端面构成第一并行反射面组15；

多芯光纤纤芯组12设置于多芯光纤包层11中，多芯光纤包层11端面、每个微腔131的第二端面涂覆有薄膜材料14，每个微腔131的第二端面和薄膜材料14构成第二反射端面16。

在本发明实施例中，多芯光纤纤芯组12包括多个多芯光纤纤芯121，微腔组13包括多个微腔131。

在本发明实施例中，多芯光纤包层11用于保护多芯光纤纤芯组12，并给薄膜材料14提供物理支撑；多芯光纤纤芯121和微腔131用于传输光信号。

在具体应用中，每个多芯光纤纤芯的输入端面均接入光信号，光信号在每个多芯光纤纤芯中传输，而多芯光纤纤芯的输出端面连接微腔的第一端面，则光信号从多芯光纤纤芯中输出后，传输至微腔中。

在本发明实施例中，第一并行反射面组15和第二反射端面16用于反射光信号，第二反射端面16还用于接收压力信号。

在具体应用中，光信号传输至第一并行发射面组后，一部分反射回多芯光纤纤芯中反向传输，另一部分光信号在微腔中传输，到达第二发射端面后，由第二反射端面反射回微腔和多芯光纤纤芯中传输，第一并行反射端面与第二反射端面之间具有一个微腔，因此在第一并行反射端面组反射的光信号，与在第二反射端面反射的光信号具有光程差，此光程差等于微腔的长度。

在本发明实施例中，微腔组13包括多个微腔131，同样用于传输光信号。

在一个实施例中，微腔的第一端面与多芯光纤纤芯的输出端面重合；微腔的第二端面面积大于微腔的第一端面；微腔的第一端面即第一并行反射端面组中的反射端面，微腔的第二端面为第二反射端面的一部分，但第二端面作为接收压力信号的端面，其面积大于第一端面，能够提高接收压力信号时的传感灵敏度。

在一个实施例中，微腔表面与多芯光纤纤芯的材质相同。

在本发明实施例中，薄膜材料14可以为任意的能够形成薄膜涂覆在光纤材料端面，且能够反射光信号的材料，在本发明实施例中不对其做具体限定。

在一个实施例中，薄膜材料包括石英、高分子聚合物、金属、石墨烯、黑磷。

在本发明实施例中，多芯光纤压力传感器的工作原理如下：

光信号持续从多芯光纤压力传感器的输入端，即多芯光纤纤芯组的输入端面输入，此时光信号从每个多芯光纤纤芯的输入端面，光信号一部分传输至与每个多芯光纤纤芯输出端面连接的微腔中，当传输至微腔中的光信号传输至第一并行反射面组时，第一并行发射面组将此多束光信号反射至多芯光纤纤芯中，反向传输出去，另一部分光信号传输至微腔中，然后在第二反射端面反射，反向传输至微腔和多芯光纤纤芯中，当第二反射端面接收压力信号时，微腔发生形变，第一并行反射端面组和第二反射端面的距离发生改变，即从第一并行反射端面组反射的光信号和从第二反射端面反射的光信号的光程差改变，根据此光程差及光程差变化量，可以出计算作用于第一反射端面组的压力信号的大小，并分析压力信号作用在第二反射端面上的不同位置，从而推导出施力物体的结构特征，实现光纤压力传感器的高空间分辨率。

本发明实施例提供的多芯光纤压力传感器，包括由多芯光纤纤芯的输出端面构成的第一并行反射端面组，和多芯光纤包层端面及微腔第二端面构成的第二反射端面，光信号在多芯光纤纤芯中传输，而第一并行反射端面组和第二反射端面反射光信号，第二反射端面还接收压力信号，由于第一并行反射端面组和第二反射端面之间存在微腔，因此第一反射端面组反射的光信号和第二反射端面反射的光信号存在光程差，当第二反射端面接收压力信号时，第一并行反射端面组和第二反射端面之间的距离变化，其反射光信号的光程差也发生变化，由此可以计算第二端反射面上不同位置所接收的压力信号大小，从而实现光纤压力传感器的高空间分辨率，用以表征精细结构。

实施例二

如图2所示，本发明实施例提供了一种多芯光纤压力传感系统20，包括光源21、光纤耦合器22、多芯光纤复用器23、如上述实施例一中的多芯光纤压力传感器10、压力发生装置24和光解调装置25。

在本发明实施例中，多芯光纤压力传感系统20各部分的连接关系如下：

光源21、光纤耦合器22、多芯光纤复用器23、多芯光纤传感器10、压力发生装置24装依次连接，光纤耦合器22还与光解调装置25连接。

在本发明实施例中，光源21用于提供光信号。

在具体应用中，光源包括宽带光源和光纤光源，宽带光源和光纤光源能够提供宽频段、低偏振度的高功率稳定光源，其在光纤中传播时，由于光纤的自身特性和光的直线传播原理，光纤在理论上可以把光线传播到任何地方，满足了实际应用的多元性。

在本发明实施例中，压力发生装置24用于产生压力，并作用于多芯光纤传感器。

在具体应用中，压力发生装置包括液压发生器、气压控制器、微位移压力控制器，其具体作用于多芯光纤传感器的第二反射端面上。

在本发明实施例中，多芯光纤传感器10用于接收压力信号，且反射光信号。

在具体应用中，多芯光纤传感器的多芯光纤纤芯输入端面接收光信号，多芯光纤传感器的第二反射端面接收压力信号，并反射光信号。

在本发明实施例中，光纤耦合器22用于接收光信号和多芯光纤传感器的反射光信号，并将光信号发送至多芯光纤复用器，将反射光信号发送至光解调装置。

在具体应用中，光纤耦合器包括光信号输入端、光信号输出端、反射光信号输入端和反射光信号输出端。

在本发明实施例中，多芯光纤复用器23用于分离光信号，耦合反射光信号。

在具体应用中，多芯光纤复用器将光源输出的信号光分为多束，以使此多束信号光在多芯光纤传感器的多个多芯光纤纤芯中传输；同时，也将多芯光纤传感器反射的信号光一并传输至光纤耦合模块中。

在本发明实施例中，光解调装置25用于接收反射光信号，并分析多芯光纤传感器中不同位置的压力信号。

在具体应用中，光解调装置包括衍射光栅光谱仪、棱镜光谱仪、干涉光谱仪、微型光谱仪，其接收多芯光纤复用器输出的光纤传感器反射的信号光，对其进行分析，获得多芯光纤传感器模块传感端面不同位置的压力信号。

在本发明实施例中，多芯光纤压力传感系统的工作原理如下：

光源持续输出光信号，光纤耦合器接收光信号，并传输至多芯光纤复用器，多芯光纤复用器将光信号分为多束光信号，并传输至多芯光纤传感器，多束光信号在多芯光纤传感器中的多个多芯光纤传输，当光信号传输至多芯光纤传感器的第一并行反射端面组时，会产生反射，反向传输至多芯光纤复用器，并且，当光信号传输至多芯光纤传感器的第二反射端面时，也会产生反射，由于第一反射端面组和第二反射端面之间存在距离，因此两束反射光信号具有光程差，当多芯光纤传感器的第二反射端面接收到压力发生装置对其施加的压力信号时，第一反射端面组和第二反射端面的距离改变；多芯光纤复用器将所有的反射光信号传输至光纤耦合器，光纤耦合器将所有的反射光信号传输至光解调装置，光解调装置对反射光信号进行分析，即根据发射光信号的光程差变化进行计算，获得多芯光纤传感器模块传感端面不同位置的压力信号。

本发明实施例提供的多芯光纤压力传感系统，通过光源、光纤耦合器、多芯光纤复用器向多芯光纤传感器提供多束相同的光信号，接收并耦合多芯光纤传感器中反射的具有不同光程的反射光信号，并传输至光解调装置中进行分析，以获得压力发生装置作用于多芯光纤传感器上的压力信号，分析此压力信号作用在多芯光纤传感器上的位置及压力信号大小。

实施例三

如图3所示，本发明实施例提供了一种多芯光纤压力传感器的制备方法，用以制备实施例一中的光纤压力传感器，其步骤包括：

S101、将多芯光纤纤芯组置于多芯光纤包层中。

S102、将所述置于多芯光纤包层后的多芯光纤纤芯组的端面切平。

在本发明实施例中，将置于多芯光纤包层后的多芯光纤纤芯组的端面切平，可以包括：通过标准光纤切割刀，对所述置于多芯光纤包层后的多芯光纤纤芯组和所述多芯光纤包层同时切割，形成一个平整端面。

S103、对切平后的多芯光纤纤芯组进行加工，形成微腔。

在上述步骤S103中，微腔为中空结构。

在具体应用中，加工切平后的多芯光纤纤芯组形成微腔可以为任意的材料加工方法，在本发明实施例中，其包括：对所述多芯光纤纤芯组的输出端面使用腐蚀剂进行腐蚀，形成多个并行凹槽结构；调整所述多芯光纤纤芯组和所述多芯光纤包层的腐蚀速度，获得所述微腔。

在实际应用中，腐蚀剂能够对多芯光纤纤芯进行腐蚀而对包层无腐蚀作用或者对包层的腐蚀速率远远小于对纤芯的腐蚀速率，这种腐蚀剂可以是氢氟酸溶液或苛性碱溶液等，通过控制腐蚀剂的浓度和腐蚀时间，能够精确控制纤芯腐蚀的深度。

在一个实施例中，对切平后的多芯光纤纤芯组进行加工，形成微腔可以包括：对所述切平后的多芯光纤纤芯组的输出端面，使用腐蚀剂进行腐蚀，并调整所述多芯光纤纤芯组和所述多芯光纤包层的腐蚀速度，形成多个并行凹槽结构；

或

调整所述切平后的多芯光纤纤芯组的飞秒激光加工半径和深度，形成多个并行凹槽结构。

S104、清洁干燥所述加工过后的多芯光纤纤芯组。

在具体应用中，清洁干燥加工过后的多芯光纤纤芯组可以为任意的清洁干燥方式，在本发明实施例中，其包括：使用易挥发溶液或超声清洁装置对所述加工过后的多芯光纤纤芯组进行清洁干燥。

S105、将清洁干燥后的多芯光纤纤芯组的端面涂覆一层薄膜材料，形成多芯光纤压力传感器。

在上述步骤S105中，多芯光纤纤芯组外部有多芯光纤包层，多芯光纤包层作为支撑薄膜材料的结构，多芯光纤纤芯组端面涂覆薄膜材料后，多芯光纤纤芯组和多芯光纤包层的端面均具有一层薄膜材料。

在具体应用中，将清洁干燥后的多芯光纤纤芯组的端面涂覆一层薄膜材料，形成多芯光纤压力传感器可以包括：

所述薄膜材料为金属材料时，使用化学沉积转移法涂覆所述清洁干燥后的多芯光纤纤芯组的端面；

所述薄膜材料为高分子聚合物时，使用旋涂法涂覆所述清洁干燥后的多芯光纤纤芯组的端面。

本发明提供的多芯光纤压力传感器的制备方法，设计了一种光线压力传感器，包括由多芯光纤纤芯的输出端面构成的第一并行反射端面组，和多芯光纤包层端面及微腔第二端面构成的第二反射端面，光信号在多芯光纤纤芯中传输，而第一并行反射端面组和第二反射端面反射光信号，第二反射端面还接收压力信号，由于第一并行反射端面组和第二反射端面之间存在微腔，因此第一反射端面组反射的光信号和第二反射端面反射的光信号存在光程差，当第二反射端面接收压力信号时，第一并行反射端面组和第二反射端面之间的距离变化，其反射光信号的光程差也发生变化，由此可以计算第二端反射面上不同位置所接收的压力信号大小，从而实现光纤压力传感器的高空间分辨率，用以表征精细结构。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多芯光纤压力传感器，其特征在于，所述多芯光纤压力传感器包括多芯光纤包层、多芯光纤纤芯组、微腔组和薄膜材料；

每个所述多芯光纤纤芯的输出端面与每个所述微腔的第一端面连接，所述多芯光纤纤芯的输出端面构成第一并行反射面组；

所述多芯光纤纤芯组设置于所述多芯光纤包层中，所述多芯光纤包层端面、每个所述微腔的第二端面涂覆有所述薄膜材料，所述每个所述微腔的第二端面和所述薄膜材料构成第二反射端面；

所述多芯光纤纤芯和所述微腔传输光信号；

所述第一并行反射面组和所述第二反射端面反射所述光信号，所述第二反射端面还接收压力信号。

2.如权利要求1所述的多芯光纤压力传感器，其特征在于，所述微腔的第一端面与所述多芯光纤纤芯的输出端面重合；

所述微腔的第二端面面积大于所述微腔的第一端面。

3.如权利要求2所述的多芯光纤压力传感器，其特征在于，所述微腔表面与所述多芯光纤纤芯的材质相同。

4.如权利要求1所述的多芯光纤压力传感器，其特征在于，所述薄膜材料包括石英、高分子聚合物、金属、石墨烯、黑磷。

5.一种多芯光纤压力传感系统，其特征在于，所述多芯光纤压力传感系统包括光源、光纤耦合器、多芯光纤复用器、如权利要求1至4任一项所述的多芯光纤压力传感器、压力发生装置和光解调装置；

所述光源、光纤耦合器、多芯光纤复用器、多芯光纤传感器、压力发生装置装依次连接，所述光纤耦合器还与所述光解调装置连接；

所述光源提供光信号；

所述压力发生装置产生压力，并作用于所述多芯光纤传感器；

所述多芯光纤传感器接收压力信号，且反射所述光信号；

所述光纤耦合器接收所述光信号和所述多芯光纤传感器的反射光信号，并将所述光信号发送至所述多芯光纤复用器，将所述反射光信号发送至所述光解调装置；

所述多芯光纤复用器分离所述光信号，耦合所述反射光信号；

所述光解调装置接收所述反射光信号，并分析所述多芯光纤传感器中不同位置的压力信号。

6.如权利要求5所述的多芯光纤压力传感系统，其特征在于，所述光源包括宽带光源和光纤光源。

7.如权利要求5所述的多芯光纤压力传感系统，其特征在于，所述压力发生装置包括液压发生器、气压控制器、微位移压力控制器。

8.如权利要求5所述的多芯光纤压力传感系统，其特征在于，所述光解调装置包括衍射光栅光谱仪、棱镜光谱仪、干涉光谱仪、微型光谱仪。