專利名稱：基于功能材料的光纖傳感裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于光纖傳感領域，具體是涉及一種由具有功能材料特性的微彎結構構成的、基于光纖微彎損耗變化的光纖傳感裝置。
背景技術：
光纖微彎傳感器是一種光強度調制的傳感器，具有成本低、靈敏度高、具有一定的環境抗干擾能力的特點，其實現方案是基于光纖的彎曲或微彎損耗來實現的。通過改變光纖的彎曲程度，從而導致輸出光功率的變化。光纖微彎傳感器中光功率損耗的原理是當光纖受到彎曲擾動的時候，將會產生彎曲損耗，主要是微彎損耗和宏彎損耗，兩者損耗并沒有嚴格的區分。兩者彎曲損耗均是由于光纖彎曲時導致纖芯中的部分導模耦合至包層引起的，兩者損耗都可以根據Marcuse的理論公式計算彎曲損耗大小，其公式如下Pout = Pin exp (- γ S)其中，Pot和Pin分別為輸出和輸入光功率，Y是彎曲損耗系數，S為彎曲弧長。可以看出光纖的彎曲損耗系數Y越大，即光纖彎曲半徑越小，則損耗越大，但彎曲半徑過小會導致光纖壽命大幅度減少，影響傳感器的使用壽命，所以實際應用中光纖的彎曲半徑是受限制的；另一方面，在相同的彎曲損耗系數Y下，若增加彎曲弧長S，則可增大衰減，可以通過大幅度增加彎曲弧長S，達到大幅度提高光纖傳感器的動態范圍和精度的目的。現有的微彎光纖傳感裝置是鋸齒板周期微彎損耗式裝置，典型結構是兩塊經嚴格加工的鋸齒板平行安置，并在兩平行鋸齒板間夾持有光纖，該裝置中光纖的變形量很小，只有數百微米導致檢測范圍小，很難對光纖的最小彎曲曲率進行有效的控制，另外光纖有效彎曲長度也不易大幅度的延長，限制了該類光纖傳感裝置的使用壽命和使用范圍。
發明內容
為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種基于功能材料的光纖傳感裝置， 采用的是多圈光纖微彎結構，延長了光纖有效彎曲長度，使該光纖傳感裝置具有使用壽命長、精度高的特點。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是一種基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于有一個包含信號光纖的多圈微彎元件，所述的多圈微彎元件中至少一部分由功能性材料構成，信號光纖通過延長光纖與測試單元連接。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的多圈微彎元件中的變形齒或變形齒的一部分由功能性材料構成。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的多圈微彎元件中用于固定變形齒的區域或其中的部分區域由功能性材料構成。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的多圈微彎元件是由一個曲線型的內部包含有相互交錯對應的兩列變形齒的微彎元件構成，兩列變形齒間夾有信號光纖。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的多圈微彎元件是由一個彈簧型的相鄰兩圈彈簧絲上有相互交錯對應變形齒的微彎元件構成，兩列變形齒間夾有信號光纖。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的多圈微彎元件是由一波紋管構成，在波紋管管壁的下凹處的相對兩個面上分別布設有相互交錯對應的變形齒， 在變形齒間夾持有信號光纖。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的多圈微彎元件是由兩層或兩層以上的平板鋸齒型微彎元件構成。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的多圈微彎元件是由單層的平板鋸齒型微彎元件構成，所述的信號光纖以螺旋盤繞的方式形成多圈結構并夾持于平板鋸齒型微彎元件中。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是在所述的多圈微彎元件外是兩層殼體，內層殼體是由沒有互相連接的兩塊殼體構成，內外兩層殼體分別在外殼體的兩端固定在一起，內層殼體的未與外殼體固定的端分別與多圈微彎元件的兩端連接。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是兩層殼體的膨脹系數不同， 通過選擇合適的膨脹系數，使多圈微彎元件消減了溫度的影響。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是將兩個或兩個以上的包含信號光纖的多圈微彎元件通過傳輸光纖連接起來，構成準分布式的光纖傳感裝置。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的功能材料是隨待測物理量變化而出現變化的材料，如探測氫氣濃度時，可選用的功能材料是金屬鈀；探測甲烷氣體，可使用的功能材料是金屬鉬；探測濕度，可選用的功能材料是聚亞酰胺(PI)或尼龍；探測磁場參數，可使用的功能材料是磁致伸縮材料；探測電場參數，可選用電致伸縮材料。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的信號光纖的一端安置有光反射裝置，如反射鏡或光纖光柵。本發明的光纖傳感器解決進一步技術問題的方案是所述的信號光纖的另一端的通過延長光纖接1X2光分路器的1端，1X2光分路器的2端分別接光源和光功率計。所述信號光纖為外部包有多層光纖保護層的光纖，如緊套光纖、碳涂覆光纖、聚酰亞胺涂覆光纖等；所述信號光纖也可以是塑料光纖、多芯光纖、細徑光纖或光子晶體光纖。本發明與現有技術相比具有以下優點1、基于功能材料的光纖傳感裝置，該傳感器結構簡單、設計合理、操作方法方便且使用方式靈活、靈敏度高；2、基于功能材料的光纖傳感裝置，因由多圈微彎元件構成，大大增加了信號光纖的有效彎曲長度，一方面增加了檢測的精度和靈敏度，并可以減少信號光纖的彎曲曲率，從而延長了信號光纖的使用壽命，使該光纖檢測裝置具有使用壽命長的特點；3、基于功能材料的光纖傳感裝置，可以采用了雙層殼體的橋式溫度補償裝置，從而可以使本裝置消減環境溫度的影響，提高了測試精度；4、基于功能材料的光纖傳感裝置，可以根據待測物理量的需要，選擇不同的功能材料，如探測氫氣濃度時，選用的功能材料可以是金屬鈀，可以將金屬鈀涂覆或鍍在變形齒表面，金屬鈀吸收氫氣后體積會變大，從而使變形齒增高，導致夾持在變形齒間的信號光纖彎曲曲率變化，通過檢測儀器探測到信號光纖中傳輸光信號功率的變化推算出氫氣濃度的大小，其他物理量也可以通過類似的方法檢測。綜上所述，可以看出本發明的光纖傳感裝置具有測試精度高、整體結構簡單、抗干擾能力強、適用范圍廣等諸多優點。所具有的多層微彎元件結構可以大幅度減少信號光纖彎曲曲率，并大幅度延長了信號光纖的有效長度，使本發明的裝置具有更好的精度和更長的使用壽命。下面通過附圖和實施例，對發明的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為本發明第一具體實施方式
的部分剖面結構示意圖。圖2為本發明第一具體實施方式
的主要部位的剖面結構示意圖。圖3為本發明第二具體實施方式
的部分剖面結構示意圖。圖4為本發明第二具體實施方式
主要部位的剖面結構示意圖。圖5為本發明第三具體實施方式
的結構示意圖。圖6為本發明第三具體實施方式
主要部位的剖面結構示意圖。圖7為本發明第四具體實施方式
的結構示意圖。圖8為本發明第四具體實施方式
主要部位的剖面結構示意圖。圖9為本發明第五具體實施方式
的部分剖面結構示意圖。附圖標記說明
權利要求
1.基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于有一個包含信號光纖的多圈微彎元件，所述的多圈微彎元件中至少一部分由功能性材料構成，信號光纖通過延長光纖與測試單元連接。
2.按照權利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的多圈微彎元件中的變形齒或變形齒的一部分由功能性材料構成。
3.按照權利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的多圈微彎元件中用于固定變形齒的區域或其中的部分區域由功能性材料構成。
4.按照權利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的多圈微彎元件是由一個曲線型殼體及內部包含有相互交錯對應的兩列變形齒的微彎元件構成，兩列變形齒間夾有信號光纖。
5.按照權利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的多圈微彎元件是由一個彈簧型的相鄰兩圈彈簧絲上有相互交錯對應變形齒的微彎元件構成，兩列變形齒間夾有信號光纖。
6.按照權利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的多圈微彎元件是由一波紋管構成，在波紋管管壁的下凹處的相對兩個面上分別布設有相互交錯對應的變形齒，在變形齒間夾持有信號光纖。
7.按照權利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的多圈微彎元件是由兩層或兩層以上的平板鋸齒型微彎元件構成。
8.按照權利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的多圈微彎元件是由單層的平板鋸齒型微彎元件構成，且所述的信號光纖以螺旋盤繞的方式形成多圈結構并夾持于平板鋸齒型微彎元件中。
9.按照權利要求1至8所述的任意一項基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于 在所述的多圈微彎元件外是兩層殼體，內層殼體是由沒有互相連接的兩塊殼體構成，內外兩層殼體分別在外殼體的兩端固定在一起，內層殼體的未與外殼體固定的端分別與多圈微彎元件的兩端連接。
10.按照權利要求9所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于兩層殼體的膨脹系數不同。
11.按照權利要求1至8所述的任意一項基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于 將兩個或兩個以上的多圈微彎元件中的信號光纖通過傳輸光纖連接起來，構成準分布式的光纖傳感裝置。
12.按照權利要求1至8所述的任意一項基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于 所述的功能材料是隨待測物理量變化而出現變化的材料。
13.按照權利要求1所述的基于功能材料的光纖傳感裝置，其特征在于所述的信號光纖的一端安置有光反射裝置，所述的信號光纖的另一端的通過延長光纖接1X2光分路器的 1端，1X2光分路器的2端分別接構成測試單元的光源和光功率計。
全文摘要
本發明公開了一種基于功能材料的光纖傳感裝置，包括夾持信號光纖的多圈微彎元件，多圈微彎元件中至少一部分由功能性材料構成，即其中的變形齒的全部或部分、或固定變形齒的區域的全部或部分由功能材料構成，所述的功能材料是隨待測物理量變化而出現變化的材料，當待測物理量變化時導致多圈微彎元件中變形齒間的距離改變，從而使夾持在變形齒間的信號光纖的彎曲曲率變化，從而使傳輸于信號光纖內的光信號功率有顯著的變化，并通過測試單元的檢測獲知，達到了測定待測物理量的變化大小目的。由于采用了多圈微彎元件，延長了信號光纖的有效長度，并減少了信號光纖的彎曲曲率，從而提高精度、并延長了使用壽命，使本裝置具有廣闊的應用前景。
文檔編號G01D5/26GK102374872SQ20101026443
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月17日 優先權日2010年8月17日
發明者杜兵 申請人:西安金和光學科技有限公司