專利名稱：光纖位移傳感器及其構成的強度調制型傳感器系統以及系統的應用方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖位移傳感器，具體地說，是涉及一種光纖位移傳感器及基于該光纖位移傳感器的強度調制型傳感器系統以及系統的應用方法。
背景技術：
強度調制型光纖位移傳感器是目前應用最廣泛的一種光纖位移傳感器，其工作原理是，利用被測量的擾動改變光纖中光信號的強度，通過測量輸出光強的變化規律實現對被測量的測量，由于環境參數變化擾動與光強損耗存在較好的線性關系，強度調制型光纖位移傳感器的性能比較穩定，靈敏度和測量精確度都比較高。根據光信號的不同傳輸方式,強度調制型光纖位移傳感器可分為透射式、反射式和光纖彎曲式等，但是，由于強度調制型光纖位移傳感器的理論模型還不夠系統化，且傳感器的測量結果取決于射入光強的變化特性、傳感光纖的耦合損耗、傳輸損耗、光電器件的耦合損耗等綜合因素，外加傳統強度調制型光纖位移傳感器是通過兩個被測量的差值得出測量結果的，因此測量精確度有限且分辨率很難達到0. Inm量級。光纖位移傳感器是強度調制型光纖位移傳感器的典型代表，對于多模透射式光纖位移傳感器，其耦合系數與軸間距的關系為
其中，N是光纖纖芯折射率與包層折射率的比值，r是光纖纖芯半徑，X是軸間距。根據公式(I)計算，多模透射式光纖位移傳感器的耦合系數與軸間距具有較好的線性關系，如圖5所示。通過計算可以得知，在射入光強度為OdBm、多模纖芯半徑r = I X 10_4m的情況下， 當耦合系數達到-SOdB量級時，即位移X與纖芯半徑r之比接近I. 9999時，輸出光強已達到PW量級的變化量，我們稱x/r大于I. 9999并小于2的取值區間為傳統強度調制型光纖位移傳感器的不敏感區域或傳感極限值區域。由于傳感器的結構、工作方式和檢測方法的局限性，在該傳感極限值區域內，傳統的光纖位移傳感器已不敏感或接近傳感的極限值，因此，在該不敏感區域或傳感極限值區域內，傳統的強度調制型光纖位移傳感器基本無法使用或者處于量程之外。
發明內容
本發明的目的在于提供一種光纖位移傳感器及其構成的強度調制型傳感器系統以及系統的應用方法，解決現有技術中存在的傳統強度調制型光纖位移傳感器在不敏感區域內基本無法使用的問題。為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下光纖位移傳感器，包括固定光纖，與固定光纖相對應的移動光纖，且該固定光纖和移動光纖均由包層和嵌于包層內部的纖芯組成，所述固定光纖和移動光纖之間設有隔光板，該隔光板上設置有用于使光源從固定光纖的纖芯透射入移動光纖的纖芯的透光孔。具體地說，所述隔光板為兩塊，且分別設置于固定光纖和移動光纖相鄰的兩個橫截面上。進一步地，所述固定光纖和移動光纖相鄰的兩個橫截面上分別設置有透鏡，而兩塊隔光板則分別設置于兩塊透鏡上相鄰的兩個橫截面上。以上述光纖位移傳感器為基礎，本發明提供了以下一種強度調制型傳感器系統
方案一
由光纖位移傳感器構成的強度調制型傳感器系統，包括光源、系統控制和信息處理模塊，還包括與光源相對應的光纖位移傳感器，位于該光纖位移傳感器與光源之間的隔離器， 以及與該光纖位移傳感器相連的光子計數器或PW功率計，該光子計數器或PW功率計的輸出端與所述系統控制和信息處理模塊相連。方案二
由光纖位移傳感器構成的強度調制型傳感器系統，包括光源、系統控制和信息處理模塊，還包括與光源相對應的光纖位移傳感器，位于該光纖位移傳感器與光源之間的隔離器， 以及設置于該光纖位移傳感器的輸出端用于將輸出光源分為兩束的分束器，該分束器的輸出端分別通過PW功率計和光子計數器與系統控制和信息處理模塊相連。以上述硬件系統為基礎，本發明提供了一種由光纖位移傳感器構成的強度調制型傳感器系統的應用方法，包括以下步驟
(1)設置固定光纖及與其對應的移動光纖；
(2)在固定光纖與移動光纖之間設置使二者無光源傳輸通道的帶有透光孔的隔光板；
(3)移動移動光纖,使固定光纖的纖芯、移動光纖的纖芯和隔光板上的透光孔形成光源傳輸的極限區域；
(4)光源通過隔離器后，從所述光源傳輸的極限區域穿過，輸出光信號；
(5)使用高精度測量儀器對該光信號的大小進行直接測量，之后由系統控制和信息處理模塊對測量結果進行處理，得出移動光纖的位移量。在上述應用方法中，所述步驟(2)中隔光板為兩塊，且分別設置于固定光纖和移動光纖相鄰的兩個橫截面上，固定光纖和移動光纖相鄰的兩個橫截面上分別設置有透鏡，而兩塊隔光板則分別設置于兩塊透鏡上相鄰的兩個橫截面上。在上述應用方法中，所述步驟(4)中輸入光信號與輸出光信號的光強差大于 65dB，且輸出光信號為光強小于IOOpW,而步驟(5)中高精度測量儀器為分辨率不低于IpW 的功率計或/和單光子計數器。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果
I.本發明通過在傳感器上設置帶透光孔的隔光板，有效地減小環境干擾，實現了強光射入傳感器、弱光輸出傳感器的變換，同時結合極高精度測量儀器，如光子計數器、Pff功率計等設備有效地實現了對極微弱光的極高精確測量，即在傳統強度調制型光纖位移傳感器的不敏感區域或傳感極限值區域內實現了極高精度測量，該方法的優點在于，在沒有位移發生時就沒有光通過傳感器，而只要發生任意小的位移都將導致一定的光通過移動光纖并被高分辨率的測量系統測量出來，從而以一種新穎的方式極大地提高了傳感器的靈敏度和測量精度。2.本發明利用極微小位移變化與進入傳感光纖的極弱光強度的線性關系，通過直接測量感應光的光功率或單光子數量水平實現對極微小位移的極高精確測量，即可以達到lX10_4nm lX10_7nm的測量精度。本發明主要用于超高精度位移、壓力、溫度、振動、輻射等傳感測量，可以用于生物醫療、工業制造、航空航天、核輻射監測和海洋探測等需要極高測量精度的傳感領域。本發明突破了傳統光纖位移傳感器的測量精度極限值并可以到達 I X 10-7nm的測量精度，是光纖位移傳感器設計與應用的一個重大革新，具有非常重要的標志意義并將對微納米技術、精密測量技術等產生重要影響。3.本發明中基于同一個原理提供了多種基于光纖位移傳感器的系統方案,傳感光源、隔離器、光纖位移傳感器、光子計數器、PW功率計、系統控制和信息處理模塊通過不同的組合方式，實現了不同精度的弱光測量；同時，隔離器的設置有效地防止了被隔光板反射的光返回到光源處，以至于對光源產生不利影響，從而保證了整個系統的正常工作。4.與傳統的強度調制型光纖位移傳感器通過計算被測量的變化量得出測量結果相比，本發明可以通過高精度測量儀器，如光子計數器，PW功率計等，直接測量出被測量的測量值，該測量方式使得本發明能夠有效避免被測量的相對變化量太小難以測量的問題， 達到準確測出極小位移變化下的位移量的目的，進而使測量方式更為簡潔、測量結果更為精確。5.本發明配合傳統的強度調制型光纖位移傳感器可以實現光源的全方位高精度測量，從而為實際應用提供更佳的應用基礎，具有非常廣泛的應用前景和很高的實用價值。6.本發明從根本上改變了傳統光纖位移傳感器的測量方式,從而解決了傳統光纖位移傳感器無法解決的難題，即傳統強度調制型光纖位移傳感器在不敏感區域或傳感極限值區域難以進行測量，因此，本發明具有突出的實質性特點和顯著的進步，并且具有很高的實用價值。
圖I為本發明-實施例中光纖位移傳感器的原理圖一。圖2為本發明-實施例中光纖位移傳感器的原理圖二。圖3為本發明-實施例中由光纖位移傳感器構成的系統方案一。圖4為本發明-實施例中由光纖位移傳感器構成的系統方案二。圖5為傳統的強度調制型光纖位移傳感器測量時位移與耦合系數的關系圖。圖6為本發明-實施例中極限值區域內位移與耦合系數的關系圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，本發明的實施方式包括但不限于下列實施例。實施例I
如圖I所示，透射式強度調制型光纖位移傳感器，包括固定光纖，與固定光纖相對應的移動光纖，且該固定光纖和移動光纖均由包層和嵌于包層內部的纖芯組成，所述固定光纖和移動光纖之間設有隔光板，該隔光板上設置有用于使光源從固定光纖的纖芯透射入移動光纖的纖芯的透光孔，所述隔光板為兩塊，且分別設置于固定光纖和移動光纖相鄰的兩個橫截面上。以圖I所示的透射式強度調制型光纖位移傳感器，來構成如圖3所示的基于透射式強度調制型光纖位移傳感器的傳感器系統，其系統構架包括光源、系統控制和信息處理模塊，與光源相對應的光纖位移傳感器，位于光纖位移傳感器與光源之間的隔離器，以及與該光纖位移傳感器相連的光子計數器或PW功率計，該光子計數器或PW功率計的輸出端與系統控制和信息處理模塊相連。實施例2
如圖I所示，透射式強度調制型光纖位移傳感器，包括固定光纖，與固定光纖相對應的移動光纖，且該固定光纖和移動光纖均由包層和嵌于包層內部的纖芯組成，所述固定光纖和移動光纖之間設有隔光板，該隔光板上設置有用于使光源從固定光纖的纖芯透射入移動光纖的纖芯的透光孔，所述隔光板為兩塊，且分別設置于固定光纖和移動光纖相鄰的兩個橫截面上。以圖I所示的透射式強度調制型光纖位移傳感器，來構成如圖4所示的基于透射式強度調制型光纖位移傳感器的傳感器系統，其系統構架包括光源、系統控制和信息處理模塊，與光源相對應的光纖位移傳感器，位于光纖位移傳感器與光源之間的隔離器，以及設置在該光纖位移傳感器的輸出端用于將輸出光源分為兩束的分束器，該分束器的輸出端分別通過PW功率計和光子計數器與系統控制和信息處理模塊相連。實施例3
如圖2所示，與軸向垂直移動式光纖位移傳感器，包括固定光纖，與固定光纖相對應的移動光纖，且該固定光纖和移動光纖均由包層和嵌于包層內部的纖芯組成，所述固定光纖和移動光纖之間設有隔光板，該隔光板上設置有用于使光源從固定光纖的纖芯透射入移動光纖的纖芯的透光孔，所述固定光纖和移動光纖相鄰的兩個橫截面上分別設置有透鏡，此時兩塊隔光板則分別設置于兩塊透鏡上相鄰的兩個橫截面上。以圖2所示的與軸向垂直移動式光纖位移傳感器，來構成如圖3所示的基于與軸向垂直移動式光纖位移傳感器的傳感器系統，其系統構架包括光源、系統控制和信息處理模塊，與光源相對應的光纖位移傳感器，位于光纖位移傳感器與光源之間的隔離器，以及與該光纖位移傳感器相連的光子計數器或PW功率計，該光子計數器或PW功率計的輸出端與系統控制和信息處理模塊相連。實施例4
如圖2所示，與軸向垂直移動式光纖位移傳感器，包括固定光纖，與固定光纖相對應的移動光纖，且該固定光纖和移動光纖均由包層和嵌于包層內部的纖芯組成，所述固定光纖和移動光纖之間設有隔光板，該隔光板上設置有用于使光源從固定光纖的纖芯透射入移動光纖的纖芯的透光孔，所述固定光纖和移動光纖相鄰的兩個橫截面上分別設置有透鏡，此時兩塊隔光板則分別設置于兩塊透鏡上相鄰的兩個橫截面上。以圖2所示的與軸向垂直移動式光纖位移傳感器，來構成如圖4所示的基于與軸向垂直移動式光纖位移傳感器的傳感器系統，其系統構架包括光源、系統控制和信息處理模塊，與光源相對應的光纖位移傳感器，位于光纖位移傳感器與光源之間的隔離器，以及設置在該光纖位移傳感器的輸出端用于將輸出光源分為兩束的分束器，該分束器的輸出端分別通過PW功率計和光子計數器與系統控制和信息處理模塊相連。上述各種由光纖位移傳感器構成的傳感器系統的應用方法，包括以下步驟(I) 設置固定光纖及與其對應的移動光纖；(2)在固定光纖與移動光纖之間設置使二者無光源傳輸通道的帶有透光孔的隔光板；(3)移動移動光纖，使固定光纖的纖芯、移動光纖的纖芯和隔光板上的透光孔形成光源傳輸的極限區域；(4)光源通過隔離器后，從所述光源傳輸的極限區域穿過，輸出光信號；(5)使用高精度測量儀器對該光信號的大小進行直接測量， 之后由系統控制和信息處理模塊對測量結果進行處理，得出移動光纖的位移量。在上述應用方法中，所述步驟(2)中隔光板為兩塊，且分別設置于固定光纖和移動光纖相鄰的兩個橫截面上，固定光纖和移動光纖相鄰的兩個橫截面上分別設置有透鏡，而兩塊隔光板則分別設置于兩塊透鏡上相鄰的兩個橫截面上。在上述應用方法中，所述步驟(4)中輸入光信號與輸出光信號的光強差大于 65dB，且輸出光信號為光強小于IOOpW ;而所述步驟(5)中高精度測量儀器為分辨率不低于 IpW的功率計或/和單光子計數器。該高精度測量儀器通過直接測量得出輸出光信號的光功率或單光子數量水平，然后利用系統信息和處理模塊對該測量結果進行處理即可獲取移動光纖的位移量。本發明中，除光纖位移傳感器之外的其他各電子元件或硬件模塊均為現有技術， 本發明并未對其進行改進，因此，對相應的現有技術在此不再贅述。如圖5、6所不,公式(I)中，在x/r大于I. 9999并小于2的取值區間內的光信號， 對高精度測量儀器，如PW量級分辨率的功率計及具有更高分辨率的光子計數器來說依然是一個較強的光信號，能夠被它們準確地測量出來，且，通過計算表明，這個區域具有更高的自由度，可以用來提高傳感器的分辨率和測量精度。該計算過程如下
根據公式(I)計算，當比值x/r從O. I增加到I時，輸出光強損耗小于O. 4dB ;當比值x/ r從O. 001增加至Ij O. 01時，光強損耗小于O. 025dB,自由度比較小。而當比值x/r從I. 9999 增加到I. 99999999時，光強損耗約為60dB，相當于位移在l(T4r到l(T8r之間，每一個數量級上有15dB的自由度，因此在傳統強度調制型光纖位移傳感器的不敏感區域，對于具有pW 量級分辨率的功率計或光子計數器來說反而具有更高的自由度，從而可以得到更高的分辨率和精確度。從圖6可以看出，當x/r從I. 99999增加到I. 999999時，耦合系數相差約15 個dB，位移與耦合系數具有更好的線性關系，可以通過直接測量微弱傳感光信號的光功率或光子數量水平對微弱環境干擾如位移、溫度、壓力、輻射等進行直接測量。從上述計算結果可以得知，在該傳統光纖位移傳感器的不敏感區域內，對本發明的光纖位移傳感器來說是進行高精度測量的理想區域，在這個區域進行測量具有更高的靈敏度和分辨率，可以得到極高的精確度。如圖I所示的高精度的透射式光纖位移傳感器的工作原理是當耦合系數為-140dB時，位移量為10_9r ;當耦合系數為_125dB時，位移量為10_8r ;當耦合系數為-IlOdB時，位移量為10_7r ;當耦合系數為-95dB時，位移量為10_6r ;當耦合系數為-80dB時，位移量為10_5r ;當耦合系數為-65dB時，位移量為10_4r。例如對于r =
IX 10_4m的多模光纖位移傳感器，當傳感光纖位移從O. OOlnm變化到O. Olnm時，即軸間距從I. 99999999r移動到I. 9999999r，其耦合系數相差約15dB，即一個數量級的位移具有大約15dB的自由度，因此靈敏度更高，由于此時的耦合系數小于-IlOdB,它對于傳統的傳感器和檢測器來說是一個不可分辨的光強波動，而對于具有I pW至O. 0001 pW量級分辨率的 PW功率計或光子計數器來說依然是一個較強的光信號，并且只要有任何一點位移，就會導致光子射入傳感光纖，進而被光子計數器測量出來，可以根據光子數的多少判別這種微小位移量的大小。為了提高傳感器的智能化水平，對于大于10_6r的位移量可以利用高分辨率pW功率計進行直接測量，對于小于10_6r的位移量可以采用光子計數器進行直接測量。以上具體數值是理論計算值，沒有考慮實際傳感器的硬件系統參數影響，與實際系統的實測值有一定的誤差。以上設計方案只工作在傳統強度調制型光纖位移傳感器的不敏感區域。按照上述實施例，便可很好地實現本發明。
權利要求
1.光纖位移傳感器，包括固定光纖，與固定光纖相對應的移動光纖，且該固定光纖和移動光纖均由包層和嵌于包層內部的纖芯組成，其特征在于，所述固定光纖和移動光纖之間設有隔光板，該隔光板上設置有用于使光源從固定光纖的纖芯透射入移動光纖的纖芯的透光孔。
2.根據權利要求I所述的光纖位移傳感器，其特征在于，所述隔光板為兩塊，且分別設置于固定光纖和移動光纖相鄰的兩個橫截面上。
3.根據權利要求2所述的光纖位移傳感器，其特征在于，所述固定光纖和移動光纖相鄰的兩個橫截面上分別設置有透鏡，而兩塊隔光板則分別設置于兩塊透鏡上相鄰的兩個橫截面上。
4.由光纖位移傳感器構成的強度調制型傳感器系統，包括光源、系統控制和信息處理模塊，其特征在于，還包括與光源相對應的光纖位移傳感器，位于該光纖位移傳感器與光源之間的隔離器，以及與該光纖位移傳感器相連的光子計數器或PW功率計，該光子計數器或 PW功率計的輸出端與所述系統控制和信息處理模塊相連。
5.由光纖位移傳感器構成的強度調制型傳感器系統，包括光源、系統控制和信息處理模塊，其特征在于，還包括與光源相對應的光纖位移傳感器，位于該光纖位移傳感器與光源之間的隔離器，以及設置于該光纖位移傳感器的輸出端用于將輸出光源分為兩束的分束器，該分束器的輸出端分別通過PW功率計和光子計數器與系統控制和信息處理模塊相連。
6.由光纖位移傳感器構成的強度調制型傳感器系統的應用方法，其特征在于，包括以下步驟(1)設置固定光纖及與其對應的移動光纖；(2)在固定光纖與移動光纖之間設置使二者無光源傳輸通道的帶有透光孔的隔光板；(3)移動移動光纖,使固定光纖的纖芯、移動光纖的纖芯和隔光板上的透光孔形成光源傳輸的極限區域；(4)光源通過隔離器后，從所述光源傳輸的極限區域穿過，輸出光信號；(5)使用高精度測量儀器對該光信號的大小進行直接測量，之后由系統控制和信息處理模塊對測量結果進行處理，得出移動光纖的位移量。
7.根據權利要求6所述的由光纖位移傳感器構成的強度調制型傳感器系統的應用方法，其特征在于，所述步驟(2)中隔光板為兩塊，且分別設置于固定光纖和移動光纖相鄰的兩個橫截面上。
8.根據權利要求7所述的由光纖位移傳感器構成的強度調制型傳感器系統的應用方法，其特征在于，所述步驟(2)中固定光纖和移動光纖相鄰的兩個橫截面上分別設置有透鏡，而兩塊隔光板則分別設置于兩塊透鏡上相鄰的兩個橫截面上。
9.根據權利要求8所述的由光纖位移傳感器構成的強度調制型傳感器系統的應用方法，其特征在于，所述步驟(4)中輸入光信號與輸出光信號的光強差大于65dB,且輸出光信號為光強小于100pW。
10.根據權利要求9所述的由光纖位移傳感器構成的強度調制型傳感器系統的應用方法，其特征在于，所述步驟(5)中高精度測量儀器為分辨率不低于IpW的功率計或/和單光子計數器。
全文摘要
本發明公開了一種光纖位移傳感器，包括固定光纖，與固定光纖相對應的移動光纖，且該固定光纖和移動光纖均由包層和嵌于包層內部的纖芯組成，所述固定光纖和移動光纖之間設有隔光板，該隔光板上設置有用于使光源從固定光纖的纖芯透射入移動光纖的纖芯的透光孔；及由光纖位移傳感器構成的強度調制型光纖位移傳感器系統及系統的應用方法。本發明解決了現有技術中存在的強度調制型光纖位移傳感器的測量精確度、靈敏度低的問題。
文檔編號G01B11/02GK102607432SQ20121009914
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月6日 優先權日2012年4月6日
發明者熊英, 蔣久清 申請人:成都零光量子科技有限公司