CN2539171Y - 用于光纤过程层析成像系统的具有空间光路的传感器单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于过程层析成像技术领域。用于光纤过程层析成像系统的具有空间光路的传感器单元，由多个光源、传输光纤及多个探测器阵列组成，其特征在于，还包括一具有中空结构的传感臂及一直角棱镜反射体，所说的传输光纤置于该传感臂之中，所说的多个光源、多个探测器阵列设置在该传感臂的一端，所说的直角棱镜反射体设置在该传感臂的另一端，该棱镜的直角底面与被测平面平行，其斜面为反射面，斜面与底面夹角为θ₀，该传感臂的轴线与棱镜斜面法线的夹角为(π/2－θ₀)。本实用新型具有设计简单、机械结构紧凑、体积小、成本低以及容易实用化等优点。

Description

用于光纤过程层析成像系统的具有空间光路的传感器单元

技术领域

本实用新型属于层析成像技术领域，特别涉及光纤过程层析成像技术中的传感器单元设计。

背景技术

层析成像技术所研究的对象是物体在某一截面上的信息，与传统的传感技术不同，它利用发射源与探测器组成的传感器阵列，对该截面上的相关参量进行测量，测量数据经过一定算法处理后，信息就可以被提取出来，并以图像的形式显示在显示屏上。

目前，层析成像技术已经广泛地应用于医疗与工业上，不同种类的层析成像技术一般是由不同种类的传感器构成的。其种类主要包括X-射线、γ-射线、中子、离子、正电子、微波、超声波、电容、电阻、电磁感应以及光学等层析成像技术。

光纤层析成像(OFT)技术是以光纤传感器(OFS)为核心探测元件的新型层析成像技术，光纤传感探头通过传输光纤与分布在远方的光源及光探测器等分立光学元件相连，光源阵列发出的光通过被测物体或流体后，被分布于测量截面中的OFS阵列接收，携带被测信息的光信号经过光电转换和信号处理后成为原始的投影数据，进一步经过图像重建算法处理后，被测参量就可以重建图像的形式表现出来。

OFS的使用使光纤层析成像技术具有以下独特的优点：

其一、体积小，可以应用于较小的或不规则的空间中。

其二、由于光对媒质的分布以及衰减特性非常敏感，即使在浓度很低的情况下都能保持较高的灵敏度，可以用于浓度较低的二相流或多相流的测量中。

其三、由于光纤或光缆的使用，携带相关信息的光信号可通过光纤传输到远离现场的传感器中，信号处理也可以在远端进行，这使得光纤层析成像技术可以将应用环境中不利的影响(如高温，高压以及腐蚀性的环境)降低到很小。

其六、现场测量不带电，比较安全。

其七、由于光纤传感器具有高的响应速度和宽的动态范围，利用分布在不同地点的光纤层析成像系统可以建立光纤测量网络。

光纤层析成像技术主要包括光纤相干层析成像技术和光纤过程层析成像技术。光纤相干层析成像技术是一门将光纤干涉技术和共焦扫描显微技术相结合的技术，在医疗诊断以及生物组织的研究中受到了广泛的重视。光纤过程层析成像技术主要应用于工业过程监测与控制领域，如对二相流或多相流中各组分的含量，分布及流速进行测量等。

目前，光纤过程层析成像技术还在实验室的研究阶段，已有的光纤过程层析成像技术的实验系统中，光源以及探测器的阵列组成的传感单元一般分布于被研究截面的周围，光线只能在该截面中传输，但在实际的工程应用中，往往需要测量特殊空间中的媒质的情况，已有的传感单元不再适用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种用于光纤过程层析成像系统中具有空间光路的传感单元，在该传感单元中设有一棱镜反射体，可以将被测截面中的平面光线转换为传感臂中的空间光线，该传感单元具有设计简单、机械结构紧凑、体积小、成本低以及容易实用化等优点。

本实用新型提出一种用于光纤过程层析成像系统中具有空间光路的传感单元，由多个光源、传输光纤及多个探测器组成，其特征在于，还包括一具有中空结构的传感臂及一直角棱镜反射体，所说的传输光纤置于该传感臂之中，所说的光源、探测器阵列设置在该传感臂的一端，所说的直角棱镜反射体设置在该传感臂的另一端，该棱镜的直角底面与被测平面平行，其斜面为反射面，斜面与底面所成的锐角为θ0，该传感臂的轴线与棱镜斜面法线的夹角为(π/2-θ₀)。

所说的传感单元还包括与所说的传感臂的另一端相连的棱镜封装体，该封装体由相互连通，其纵向剖面形成(3π/2-2θ₀)夹角的上、下两矩形壳体构成，该上壳体的顶面固定所说的传输光纤端口，该下壳体的底面放置所说的直角棱镜。

本实用新型的工作原理为：传感单元的光源发出的光束经耦合从传输光纤的一端口进入，经传感臂引导从固定在棱镜封装体上壳体的传输光纤的另一端口射向棱镜，经棱镜反射进入被测平面由其它传感单元的探测器接收；同理，该传感单元的探测器通过棱镜也接收其它传感单元发出的光束。传感单元形成的空间光路如图1所示，图中，传感单元的直角棱镜底面11与反射斜面12夹角为θ₀，底面11与被测平面X平行，法线13与X的夹角β为(π/2-θ₀)。被测平面X内的光线14经斜面12反射后沿空间反射平面X′行进，X′与法线13夹角也为β，即与X的夹角为2β。

本实用新型具有如下特点：

(1)本实用新型的传感单元由于棱镜的反射作用，具有空间光路结构，使传感单元的主要部件不需设置在被测平面内。

(2)由于光纤器件及探头很小，因此即使需要反射数条光线，被测截面处的传感单元体积也可以做到很小，体积大的光学器件，如激光器、光探测器等以及光电转换及信号处理电路都可以在远端放置，中间通过传输光纤相连，由于光纤的传输带宽大，损耗低，还可以组成测量网络。

(3)设计简单、机械结构紧凑、体积小、成本低。

(4)适用范围广，易于实用化。

附图说明

图1为本实用新型的空间光路示意图。

图2为本实用新型实施例的传感单元结构示意图。

图3为利用本实施例构成的光纤过程层析成像应用系统结构示意图。

图4为图3中被测圆形截面的像素分配及平面光路结构示意图。

具体实施方式

本实用新型设计的一种用于光纤过程层析成像系统的具有空间光路的传感器单元实施例结合附图详细说明如下：

本实施例的传感单元结构如图2所示，包括，一具有中空结构的传感臂20，设置在传感臂中的6个传输光纤，该传输光纤组成光缆23与传感臂一端的激光器24、探测器阵列25相连，以及与传感臂另一端相连的棱镜封装体，该封装体由相互连通的上、下两矩形壳体201、202构成，上、下两矩形壳体纵向剖面形成150度的夹角。该上壳体的顶面固定传输光纤的端口230，该下壳体的底面放置直角棱镜200。在传感单元中，分布有6个传输光纤，组成光纤光缆23，其中3个末端带有光纤准直器211的发射光纤212发出的光21经过棱镜反射面12反射后，成为被测圆形截面X中的入射光线22，经过被测媒质后传输到对应的空间反射器中，该光线14被棱镜反射后的光线15由3个大数值孔径的接收光纤210接收，由于棱镜反射面只有一个法线13，因此，被测截面中的平面光线在平面X中，空间反射光线在平面X′中。如图1所示，本实施例反射棱镜的反射面12与被测截面X所成的锐角为60度，法线13与被测截面X的夹角为30度，空间反射光线15所在平面与被测截面的夹角为60度，即传感臂20与被测截面X夹角为60度，如图2所示。

利用本实施例的传感单元构成一个光纤过程层析成像系统，可应用于井下原油油、气、水多相流的测量。该系统的机械结构如图3所示，图中，8个上述的传感单元的传感臂20均匀分布在一中心支撑结构30：中心支撑结构是光纤层析成像系统的机械支撑体，其中心为管状结构，可以放置电机、控制电路、电线电缆以及光纤光缆等系统硬件31，其两端有标准的机械与电路接口，便于与其它传感器系统相连接。

传感臂20与中心支撑结构通过转动定位机构相连接，以便控制传感臂的移动和精确定位，保证其中的直角棱镜在所需测量的位置张开以及各个棱镜之间光路的准直。传输光缆封装在传感臂中，其作用是传输远端光源发出的入射光以及将携带媒质信息的出射光信号传输到远端的光电信号处理单元中。

被测圆形截面32中的像素分配及平面光路结构如图4所示：8个相对独立的空间反射器200均匀分布于圆形截面32的最外圆周。

每一个空间反射器都向顺时针方向依次相邻的三个空间反射器发光，并且接收来自于逆时针方向依次相邻的三个空间反射器发出的光。

为了便于图像的重建，根据光线所在位置的不同，可分为三类光线：外层光线47、中层光线48、内层光线49。圆形截面沿半径方向等分为4层，即：中心圆面410放置系统的支撑结构，44-46为测量区域，以中心圆面面积的1/4将被测区域划分为六十个像素单元40。

Claims (2)

1、一种用于光纤过程层析成像系统中具有空间光路的传感单元，由多个光源、传输光纤及多个探测器组成，其特征在于，还包括一具有中空结构的传感臂及一直角棱镜反射体，所说的传输光纤置于该传感臂之中，所说的光源、探测器阵列设置在该传感臂的一端，所说的直角棱镜反射体设置在该传感臂的另一端，该棱镜的直角底面与被测平面平行，其斜面为反射面，斜面与底面所成的锐角为θ₀，该传感臂的轴线与棱镜斜面法线的夹角为(π/2-θ₀)。

2、如权利要求1所述的用于光纤过程层析成像系统中具有空间光路的传感单元，其特征在于所说的传感单元还包括与所说的传感臂的另一端相连的棱镜封装体，该封装体由相互连通，其纵向剖面形成(3π/2-2θ₀)夹角的上、下两矩形壳体构成，该上壳体的顶面固定所说的传输光纤端口，该下壳体的底面放置所说的直角棱镜。

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