專利名稱：光纖壓力傳感器以及包括這種壓力傳感器的壓力傳感系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及光纖壓力傳感器。具體地說，本發明涉及分辨能力和動態范圍增強的光纖壓力傳感器。
光纖傳感器技術與光纖通信技術同時發展。使得光纖能夠作為光波導的物理特性受環境例如溫度、壓力和應變的影響。可能認為光纖的這些特性對于通信技術是不利的，但是對于光纖傳感器產業卻是十分有利的。
光纖不管是用于通信還是環境傳感器，通常包括圓柱芯、包圍所述芯的同心圓柱覆層、以及包圍所述覆層的同心圓柱保護套。所述芯由具有某一折射率的透明玻璃或者塑料制成。覆層也由透明玻璃或者塑料制成，但是具有不同的較小折射率。光纖作為可彎曲波導的能力主要是由芯和覆層的相對折射率決定的。
透明介質的折射率是真空中的光速與介質中光速的比值。當光束進入介質時，速率的變化導致光束改變方向。具體地說，當光束從一種介質傳播到另一種介質時，光束在兩介質的分界面上改變方向。除了在兩介質分界面上改變方向以外，一部分入射光在分界面上反射使得進入第二介質的光束能量減少(折射光束和反射光束的能量之和必須等于入射光束的能量)。如果已知兩介質的折射率，可以利用斯涅耳定律預測反射角和折射角。
通過改變兩種相鄰介質的折射率，可以改變傳播向兩介質分界面的光束的折射角和反射角，使得進入第二介質的光強接近于零，幾乎所有的光在分界面上反射。相反，對于任何兩種透明介質，在它們的分界面上存在一個臨界入射角，基本上所有以該入射角或比它小的入射角入射的光被反射。這一現象稱為全內反射，用于選擇光纖的芯和覆層的折射率，使得光在光纖的芯中傳播時能量損失最小。
許多其它影響光在光纖的芯中傳播的因素，包括芯和覆層的尺寸、光波長、光磁場矢量和光電場矢量。此外，許多用于確定光在波導(光纖)中理想傳播的物理定律假設“理想”的波導，即理想對稱、沒有缺陷的平直波導。例如，芯的直徑決定光纖是“單模”還是“多模”。術語單模和多模是指通過光纖傳播的光束的空間取向。單模光纖的芯直徑相對小(2-12微米)，而且只允許一種軸向傳播模式。多模光纖的芯直徑相對大(25-75微米)，而且允許非軸向光束或模式通過芯傳播。從有兩個不同的光偏振狀態可以通過芯傳播的意義上說，所謂的單模光纖實際上是二模光纖。在理想直線型、沒有缺陷的理想圓對稱光纖中，光傳播速率與偏振方向無關。
在具有橢圓芯的光纖中將具有兩個優選傳播方向(沿著長軸方向和短軸方向)。任何其它偏振方向的線偏振光入射到光纖中將以兩個傳播速率稍微不同的兩種分離模式傳播。這種類型的光纖稱為具有“模雙折射”。在實際的這種類型光纖中，由于芯-覆層分界面、折射率波動、以及其它機械性能不理想，即使理想偏振光也將耦合到其它模式中。可能沿著光纖的整個長度出現靜態或動態偏振變化。在給定長度上，兩個模式的相位將經過同相和異相的整個周期。該距離稱為“拍長”。長的拍長與輕微雙折射相關，而短拍長與嚴重雙折射相關。雙折射光纖也稱為“偏振維持光纖”或“偏振保持(PM)光纖”。通過使得芯具有橢圓形截面，或者使得圓形芯的覆層向芯施加應力，可以實現雙折射。例如，可以為覆層設置兩個平行應力元件，兩個應力元件的縱軸與芯的軸在同一平面內。
如上所述，光纖傳感器利用環境影響可以改變沿著光纖傳播的光的振幅、相位、頻率、光譜成分、或偏振方向的事實。光纖傳感器的主要優點包括它們的重量輕、尺寸小、無源、能量利用率高、結實、以及不受電磁干擾的影響。此外，光纖傳感器具有非常高的靈敏度、大動態范圍和寬波段潛力。而且，某些類型的光纖傳感器可以沿著光纖長度方向分布或者復用。它們也可以掩埋在材料中。
現有光纖傳感器的狀態可以分為“非本征”或“本征”。非本征傳感器依靠耦合到光纖上的一些其它裝置以便把環境影響變換為沿著光纖傳播的光的特性的變化。本征傳感器依靠光纖的性能以便測量周圍環境的影響。已知的光纖傳感器包括線性位置傳感器、轉動位置傳感器、液面傳感器、溫度傳感器、應變傳感器、光纖陀螺、以及壓力傳感器。
一種類型的光纖壓力傳感器利用如下事實，即環境壓力使得光纖的套變形，套使得覆層變形，從而使得芯變形，改變光纖的雙折射。授予Hicks，Jr.的美國專利4,659,923公開了一種能夠測量壓力的光纖干涉型傳感器。該裝置通常包括單模光纖、光源、第一偏振片、第二偏振片、以及光強探測器。第一偏振片用于使得光源在與光纖的兩個模式成45°的角度上偏振，然后光入射到光纖的一端。第二偏振片設置在光纖的另一端，使得從光纖出射的光在被光強探測器探測之前在與第一偏振片相同的角度上偏振。當在光纖的徑向方向上加力時，光纖的雙折射變化，該變化改變拍長，從而改變光強探測器探測的偏振光的強度。在另一實施例中，分光鏡放置在光源與第一偏振片之間，而第二偏振片用耦合在光纖的第二端的反射鏡代替。根據該另一實施例，探測器和光源可以位于光纖的同一端。沒有提供關于所給出的傳感器的靈敏度(分辨能力)和動態范圍的數據。然而，提出壓力對雙折射的作用可能太小以致于不能測量相對小的壓力。公開了各種安裝光纖的結構，使得各向同性的力變換為各向不同的力，以便產生雙折射和放大這種作用。專利‘923提出了一種用于這一目的的結構，而且Jansen和Dabkiewicz在名稱為“High Pressure FiberOptic Sensor with Side Hole Fiber”的論文中公開得更詳細，該論文發表在“SPIE學報，光纖傳感器II”，1987年第798卷，第56-60頁。側孔光纖是這樣一種光纖，即覆層具有兩個貫穿光纖長度并平行于芯的平行孔。孔和芯的軸在同一平面內。這一結構導致把外部的流體靜壓轉換為芯部的各向異性應力，從而產生雙折射。Jansen和Dabkiewicz證實傳感器在壓力范圍100-1,000巴(10-100MPa，1,450-14,500psi)內的精度為±0.5％，而且上限為2,000巴，并不損害光纖。然而100巴以下雙折射將變得難以探測或不存在。
雙折射光纖壓力傳感器的問題之一是溫度也影響芯的雙折射。因此在某些溫度和壓力都變化的應用中，必須采取措施補償溫度對雙折射的影響。授予Farhadiroushan的美國專利5,515,495公開了一種壓力傳感器，包括兩個端-端融接在一起的側孔光纖，使得每個光纖的縱軸彼此相對旋轉90°，即一個光纖的側孔和芯所在的平面與另一個光纖的側孔和芯所在的平面垂直。一個光纖中的側孔被密封，而另一個光纖中的側孔敞開。光纖側孔之一密封導致該光纖中的芯傳感的壓力與側孔敞開的光纖中的芯傳感的壓力不同。通過兩個接合光纖的光的組合相位延遲抵消掉溫度對兩個光纖的固有雙折射的影響，如同Dakin和Wade在名稱為“Compensated Polarimetric Sensor UsingPolarization Maintaining Fiber in a DifferentialConfiguration”論文中所教導的那樣，該論文發表在Electron.Lett.，vol 20，No.1，pp51-53(1984)。Farhadiroushan沒有公開關于所提出的光纖壓力傳感器的靈敏度或動態范圍的數據。
另一種類型的光纖傳感器利用芯內光纖光柵，如同授予Udd等的美國專利5,380,995中所公開的一樣，該專利的完整說明書包括在這里以便參考。通過光纖摻雜諸如氧化鍺(germania)材料然后把光纖的側面暴露于干涉圖樣中以便使得芯的折射率呈正弦變化，在光纖中形成芯內布拉格光柵。目前兩種已知的提供干涉圖樣的方法是通過全息照相和通過相位掩膜光柵。全息照相利用兩個短波激光光束(通常為240nm)，這兩個光束通過光纖芯的側面成象以便形成干涉圖樣。干涉圖樣的亮條紋使得芯的折射率被“調制”，從而形成光纖光柵。用短脈沖激光，利用相位掩膜一條線一條線地刻光纖光柵，可以獲得類似的結果。通過調整干涉圖樣的條紋間距，可以按希望改變周期性折射率。實際改變折射率的過程并不是很清楚，但是該過程關系到產生不同類型的光纖，這些光纖在光柵損壞之前能夠工作在高達500-800℃溫度范圍內。
環境溫度和應力的影響使得光纖伸長或縮短，這樣改變光柵的周期，因而改變光纖光柵透射光或反射光的光譜成分。特別是，對于溫度變化ΔT和應變ε，百分比布拉格波長漂移由下面的式1給出，其中α是光纖的熱膨脹系數，ξ表示摻雜二氧化硅的芯材料的熱光系數或(dn/dT)，而Pe是光彈性常數。Δλgλg=(α+ξ)ΔT+(1-Pe)ϵ---(1)]]>對于溫度，主要影響是折射率變化，大約是膨脹系數的影響的十五倍。如同W.W Morey在論文中所述一樣，光纖光柵的溫度響應隨著光纖類型而變化，但是發現直到500℃時響應是線性的。所述論文名稱“Distributed Fiber grating Sensors”，發表在Proceedingsof the Seventh Optical Fiber Sensors Conference，pp285-288，Sydney，Australia，December 1990。對于Andrew PM光纖在833nm典型溫度響應是0.0043nm/℃，對于Corning FlexCore Fiber在824nm是0.0074nm/℃。當光纖光柵變形時，布拉格波長變化光彈性地導致折射率變化。對于二氧化硅，光彈性常數是0.22。在測得應力為45千psi的拉伸狀態下，對于在820nm時變化率為每微應變5.2×10-4nm，那么布拉格波長變化是產生2.3nm的漂移。Morey還描述了怎樣可以把從沿著光纖長度上分布的多個光柵反射的光多路傳輸，以便在單個光路中提供多個空間分離的傳感器。
授予Udd等的美國專利5,380,995教導了使用遠距離光柵和本地光柵，設置所述遠距離光柵目的是傳感環境影響，例如應變或者溫度；設置所述本地光柵目的是不受環境影響。比較兩個光柵的光譜包絡，從而能夠分離出應變和溫度對遠距離光柵的影響。’995光柵還教導使用兩個重疊的波長不同的光柵，例如1.3和1.5微米，以便在同一點上測量兩個環境影響例如應變和溫度。
授予Udd的美國專利5,591,965還教導了另一種將應變和溫度影響分開的方法，該專利的整個說明書全部包括在這里以便參考。’965專利教導使用一對基本上刻在雙折射光纖的同一位置上的光柵。當雙折射光纖具有光柵時，產生兩個光譜峰值(每個對應于一個偏振軸)，而且溫度和縱向應變變化影響峰值之間的分離程度以及峰值的波長漂移。如同’965專利所教導的一樣，具有兩個光譜分離的光柵的雙折射光纖產生四個光譜輸出(峰值)。光譜探測器例如耦合到光纖上的Fabry-Perot標準器檢測出四個光譜輸出。分析光譜輸出并解四個方程以便確定溫度和應變二者對光纖的影響。
雖然’995專利和’965專利都沒有具體提及壓力傳感器，但是已經證實超高流體靜壓導致光纖物理長度相對變化，從而導致包括在光纖芯中的光柵的布拉格波長相對變化。例如，M.G.Xu等在“OpticalIn-Fibre Grating High Pressure Sensor，Electron.Lett.Vol.29，No.4，pp.398-399(1993)中說明，可以怎樣將光纖布拉格光柵傳感器用于測量非常高的壓力。特別是，Xu等說明了簡單的光纖內光柵傳感器，該傳感器的線性布拉格波長漂移為3.04×10-3mm/MPa。Xu等沒有直接公開該傳感器的動態范圍和靈敏度。作者特別指出他們的傳感器要更為有用，就需要更多補償溫度的影響，而且指出他們的傳感器的實際優點只是在超高壓力下明顯。
通過上面的描述，本領域的技術人員將發現光纖傳感器的靈敏度和動態范圍受許多參數影響。
因此，本發明的目的是提供一種光纖壓力傳感器和壓力傳感系統。
本發明的另一目的是提供一種光纖壓力傳感器，當用于壓力傳感系統時該傳感器具有高分辨率和寬動態范圍。
本發明的再一個目的是提供一種包括光柵光纖的光纖壓力傳感器。
本發明的再一個目的是提供一種光纖壓力傳感器，該傳感器包括具有高分辨率和寬動態范圍的光纖光柵。
本發明的再一個目的是提供一種具有固有溫度補償能力的光纖壓力傳感器。
本發明的另一個目的是提供一種對橫向應變響應增強的光纖壓力傳感器。
本發明的另一個目的是提供一種結實而且便宜的光纖壓力傳感器。
根據這些在下面將詳細描述的目的，本發明的光纖壓力傳感器包括上面刻有一個或多個光柵的光纖芯，用于增強芯的雙折射的結構，以及用于把各向同性的壓力變換為光纖芯上的各向異性壓力的結構。根據本發明的光纖壓力傳感器最好與光源(例如LED、激光器、或者激光二極管)和光譜解調系統一起使用，以便檢測光纖壓力傳感器周圍的壓力。
根據本發明的第一實施例，所述芯具有作為增強雙折射結構的第一橢圓形覆層，設置在第一覆層之上的第二圓形覆層。第二覆層具有一對縱向孔，所述縱向孔提供把各向同性壓力變換為光纖芯上的各向異性壓力的結構。所述孔設置成使得它們的縱軸與所述芯的縱軸位于同一平面內。橢圓形覆層可以設置成它的長軸或短軸與所述孔和所述芯的軸在同一平面內。
根據第二實施例，所述芯具有圓形覆層，該圓形覆層包括一對縱向孔以及一對雙折射發生棒。所述孔設置成使得它們的縱軸位于還包括芯的縱軸的第一平面內。所述棒設置成使得它們的縱軸位于還包括芯的縱軸的第二平面內。所述孔和棒最好設置成使得第二平面與第一平面彼此相交成直角。
根據第三實施例，覆層中的縱向孔形成為V形截面或C形截面。
根據第四實施例，PM(偏振保持)光纖具有非對稱側孔。
根據第五實施例，把傳統雙折射光柵光纖放置在具有一對密封縱向孔的毛細管中。
根據第六實施例，特大覆層設置在單模光纖上。覆層具有特大空氣孔和壓力元件。空氣孔被密封而且光纖被切成標準尺寸的單模光纖。
根據第七實施例，具有橢圓形芯覆層的非對稱側孔光纖掩埋在硬襯底材料，它的部分表面暴露，而且壓力隔板安裝在暴露表面上。
根據第八實施例，具有側孔的單模光纖掩埋在硬襯底材料中，它的部分表面暴露，而且壓力隔板安裝在暴露表面上。利用在光纖芯中產生雙折射的機械裝置使得硬襯底材料受壓。
根據第九實施例，側孔光纖卷入軟玻璃(低熔點)中，它的部分表面暴露在外面。
根據第十實施例，側孔光纖安裝在底座與杠桿臂之間。杠桿臂作為在光纖芯中產生雙折射的壓力放大器。
根據第十一實施例，側孔光纖放置在圓柱玻璃管中，然后壓平圓柱玻璃管成為橢圓形截面，使得芯變形并產生雙折射。
根據第十二實施例，一對封口毛細管粘合在單模光纖或PM光纖的側面。
根據第十三實施例，PM光纖的部分覆層被磨掉或刻蝕掉，并用壓力敏感材料代替。
根據本發明的光纖壓力傳感器可以切成光纖片使得壓力傳感器可以放置成遠離傳感系統的其他部件。此外，根據本發明的幾個壓力傳感器可以重疊或切成光纖片使得多個壓力傳感位置可以復用在單個光纖波導中。
根據本發明的光纖壓力傳感器可以用于地震或聲學應用中用于單點或多點傳感壓力，或者用于需要寬動態范圍和高分辨率的其他應用中。
本領域的技術人員還應該理解當適當膜層加在傳感器上時將提高對多點傳感的電場或磁場的光柵響應。
參考下面結合附圖的詳細描述，本發明的其他目的和優點對本領域的技術人員將變得更明顯。
圖1是根據本發明的光纖壓力傳感系統的示意圖；圖2是從非PM光纖中的單個布拉格光柵反射的光的光譜成分曲線；圖3是流體靜壓對從單個布拉格光柵反射的波長的影響的曲線圖；圖4是溫度對從單個布拉格光柵反射的波長的影響的曲線圖；圖5是從雙折射光纖中的單個布拉格光柵反射的光的光譜成分曲線；圖6是從側孔光纖中的單個布拉格光柵反射的光的光譜成分的平均波長和峰值之間分離的變化的曲線；圖7a-7d是不同流體靜壓下從側孔光纖中的單個布拉格光柵反射的光的光譜成分曲線；圖8是表示從三種不同類型光纖的單個布拉格光柵反射的光波長絕對變化的曲線圖；圖9是根據本發明的光纖壓力傳感器第一實施例的橫截面示意圖；圖10是根據本發明的光纖壓力傳感器的另一第一實施例的橫截面示意圖；圖11是根據本發明的光纖壓力傳感器第二實施例的橫截面示意圖；圖12是根據本發明的光纖壓力傳感器第三實施例的橫截面示意圖；圖13是根據本發明的光纖壓力傳感器的另一第三實施例的橫截面示意圖；圖14是根據本發明的光纖壓力傳感器第四實施例的橫截面示意圖；圖15是根據本發明的光纖壓力傳感器第五實施例的示意圖；圖16是根據本發明的光纖壓力傳感器第六實施例的示意圖；圖17是根據本發明的光纖壓力傳感器第七實施例的橫截面示意圖；圖18是根據本發明的光纖壓力傳感器第八實施例的橫截面示意圖19是根據本發明的光纖壓力傳感器第九實施例的橫截面示意圖；圖20是根據本發明的光纖壓力傳感器第十實施例的橫截面示意圖；圖21是根據本發明的光纖壓力傳感器第十一實施例的橫截面示意圖；圖22是根據本發明的光纖壓力傳感器的另一第十一實施例的橫截面示意圖；圖23是根據本發明的光纖壓力傳感器第十二實施例的示意圖；圖24是根據本發明的光纖壓力傳感器的另一第十三實施例的縱截面示意圖；以及圖25是根據本發明的光纖壓力傳感器的另一第十三實施例的橫截面示意圖。
現在參考圖1，根據本發明的示范性光纖壓力傳感系統10通常包括光源12、光譜分析儀14、光纖分光器16、低后反射終端20、以及一個或多個雙折射光纖壓力傳感器22(22′等)，每個傳感器具有一個或多個光柵24、26(24′、26′等)。光源12可以是例如LED、可調激光器、或激光二極管。最好使用相對寬譜段的光源，這樣將允許使用多個不同波長的光柵。光譜分析儀14可以是Fabry-Perot標準器或者其他已知類型的裝置。后反射終端20可以是授予Udd等的美國專利4,834,493中公開的類型。傳感器的數目和每個傳感器中光柵的數目并不是嚴格的，只要至少有一個傳感器，該傳感器具有一個光柵。
根據本發明，光纖壓力傳感器22還具有新型結構，如同下面將結合其他附圖詳細描述的一樣，該結構提高了的靈敏度和動態范圍。傳感系統10的元件排列基本上如圖1所示。光源12發射光束通過分光器16使得光進入光纖壓力傳感器22的一端。部分光譜被光柵24(26)后反射到分光器16，分光器16把反射光束傳播至光譜分析儀14。根據設置在光纖中的不同光柵24(26)的數目，光譜分析儀將檢測一對或多對光譜峰值。峰值波長以及它們的彼此相對漂移將根據施加在光纖壓力傳感器22上的壓力而變化。
本發明部分根據發明人對在經受流體靜壓的傳統光柵光纖中所觀察到的光譜漂移進行實驗所得的結果。用于實驗的典型光柵的FWHM線寬為0.2nm，而且大約為峰值反射率的50％。圖2示出當使用寬波段1.3微米的光源照明時這種光柵的反射光譜。根據上面給出的式1，希望峰值波長隨著高達500℃的溫度和45KPsi的壓力而線性漂移。圖3和4示出了被布拉格光柵反射的光峰值波長是怎樣隨著壓力和溫度變化的。
下一個實驗是關于刻在1.55微米波長區域的PM光纖上的光柵。如同所希望的一樣，PM光纖的雙折射使得光柵沿著兩個折射率不同的垂直軸向回反射光，以便在反射光的光譜中出現兩個不同的峰值。圖5示出從PM光纖的單個布拉格光柵反射的光譜成分。
對三種不同類型的PM光纖進一步進行實驗，發現在單個光柵PM光纖中流體靜壓的影響導致光譜峰值之間的距離增大，而且峰值平均波長移向較短波長。此外，發現兩個峰值平均波長的變化比峰值之間距離的變化大得多，達大約5倍。用于實驗中的PM光纖是基于應力棒的光纖，其中光纖覆層具有一對在芯中產生雙折射的縱向應力發生棒。還利用具有橢圓形芯和圓柱覆層的PM光纖進行實驗，產生相同結果。利用基于棒的PM光纖進行其他實驗，該光纖制成沒有棒，以便形成具有兩個注入空氣的側孔的光纖。對于這種類型的光纖發現峰值平均波長變化比峰值之間的距離變化小得多，大約4.5倍。對于改進的Corning SH4光纖的這些結果示于圖6中，其中陡峭曲線是峰值之間距離的變化，平坦曲線是峰值平均波長的變化。然而，還發現利用進行實驗時可以買到的解調裝置，側孔光纖在3,000psi以下不提供兩個可辨別的光譜峰值。
圖7a-7d分別描述了置于8psi、2900psi、5879psi、以及9876psi的流體靜壓下的側孔光纖中的單個布拉格光柵反射光的光譜。通過這些圖可以看到在小于或等于2900psi的壓力下，反射光的光譜成分不表現為兩個不同的峰值。利用Ando Optical Spectrum Analyzer和Queengate Fabry-Perot光纖標準解調器進行實驗。雖然較高分辨率的解調器可能能夠探測兩個不同的峰值，但是實驗和本發明的目的是尋找一種提高光纖壓力傳感器的分辨率和動態范圍的方法，同時利用容易使用的解調技術。盡管如此，注意到隨著壓力朝著導致可探測的雙折射的點增加，單個峰值的寬度增加。因此，在不存在兩個不同波長時通過測量單個峰值的寬度(加寬或變窄)，也可以提供精確的測量。
獲得在三種不同類型光纖中波長漂移的絕對值與壓力關系的比較結果，每種類型的光纖具有相同波長的單個布拉格光柵。圖8示出標準SMF-28光纖、PM類型光纖、以及非PM側孔光纖的實驗結果。從斜率(波長漂移nm/psi)增大可以看到，PM光纖比具有同種類型布拉格光柵的標準光纖的響應高(分辨率或靈敏度)。而且，側孔光纖的響應比具有同種類型布拉格光柵的PM光纖的響應高得多。從這些實驗結果得出如下結論，即在測量壓力方面側孔光纖的分辨率較高，而且具有光柵的標準單模光纖表現出的動態范圍比側孔光纖好(小至0psi)，但是因為必須使用單個光譜峰值進行測量，所以只能提供比較粗糙的壓力分辨率。
現在參考圖9和10，根據本發明的光纖壓力傳感器第一實施例122包括具有一個或多個光柵(未示出)的芯123。該芯被產生雙折射的第一橢圓形覆層126包圍。第一覆層126被第二圓柱覆層128包圍，第二圓柱覆層128具有兩個縱向圓柱側孔130、132，把各向同性壓力轉換為各向異性壓力。根據圖9所示實施例，芯123、第一覆層126、第二覆層128、以及側孔130、132設置成與它們的縱軸在同一平面內，而且與第一覆層126的短軸在同一平面內。圖10中所示另一第一實施例122a與實施例122基本相同，類似的參考標號表示類似的部件，但是第一覆層126a的長軸位于同一平面內。當用于壓力傳感系統中時，例如圖1所示的系統中，光纖122、122a表現出的分辨率和動態范圍提高了。特別是，光纖122、122a能夠提供好的壓力分辨率，動態范圍為0psi至至少10kpsi。
現在參考圖11，根據本發明的光纖壓力傳感器第二實施例222包括具有一個或多個光柵(未示出)的芯223。該芯223具有覆層228，覆層228具有一對雙折射發生棒226、226′以及一對縱向圓柱側孔230、232，把各向同性壓力轉換為各向異性壓力。如圖11所示，芯223、覆層228、以及應力發生棒226、226′設置成它們的縱軸在同一個第一平面內；而芯223、覆層228、以及縱向側孔230、232的縱軸位于與第一平面垂直的第二平面內。當用于如圖1所示的壓力傳感系統時，光纖壓力傳感器222表現出增強的分辨率和動態范圍。
現在參考圖12，光纖壓力傳感器的第三實施例322與第二實施例222類似，類似的參考標號表示類似的部件。然而，根據該實施例，側孔330、332不是圓柱形，而是具有C形截面，把各向同性的力轉換為集中在芯323上的各向異性的力。在圖13所示的另一第三實施例322a與實施例322類似，類似的參考標號表示類似的部件。根據該實施例，側孔330a、332a具有V性截面，把各向同性的力轉換為集中在芯323a上的各向異性的力。當用于如圖1所示的壓力傳感系統中時，光纖壓力傳感器322、322a的分辨率和動態范圍提高了。
圖14示出的光纖壓力傳感器第四實施例422與第二實施例222類似，類似的參考標號表示類似部件。然而根據該實施例，側孔430、432的尺寸和位置是非對稱的。特別是，側孔432的截面直徑小于側孔430的截面直徑。此外，側孔432的縱軸不與側孔430和芯423共面。當用于如圖1所示的壓力傳感系統中時，光纖壓力傳感器422的分辨率和動態范圍提高了。
現在參考圖15，根據本發明的光纖壓力傳感器第五實施例522包括具有芯523的PM光纖521，芯523設置有一個或多個光柵524和一對應力發生棒(未示出)。把PM光纖521插入毛細管525中，毛細管525具有兩個縱向圓柱形側孔530、532，把各向同性的力轉換為各向異性的力。側孔的端部堵上環氧樹脂531a、531b、533a、533b或以其他適當的方式密封。當用于如圖1所示的壓力傳感系統中時，光纖壓力傳感器522的分辨率和動態范圍提高了。
光纖壓力傳感器第六實施例622示于圖16中。根據該實施例，PM光纖621的芯623上刻有一個或多個光柵624，PM光纖621具有大尺寸覆層628，覆層628具有大尺寸側孔630、632。通過把光纖621切成具有相同的大尺寸直徑的兩根單模光纖640、642，以便密封側孔。然后把單模光纖的端部切成通訊級光纖644、646。當用于如圖1所示的壓力傳感系統中時，光纖壓力傳感器622的分辨率和動態范圍提高了。
現在參考圖17，光纖壓力傳感器第七實施例722包括具有帶一個或多個光柵(未示出)的芯723的PM光纖721、包圍芯的第一橢圓形覆層726、以及包圍第一覆層的第二覆層728。第二覆層具有非對稱的側孔730、732并安裝在硬襯底材料750中，它的部分表面暴露在外面。柔性隔板752安裝在襯底材料750上并覆蓋覆層728的暴露部分。施加在隔板752上的壓力變換為芯723中的橫向應變。當用于如圖1所示的壓力傳感系統中時，光纖壓力傳感器722的分辨率和動態范圍提高了。
圖18示出光纖壓力傳感器第八實施例822，包括帶一個或多個光柵(未示出)的芯823的單模光纖821以及具有一對側孔830、832的覆層828。覆層828安裝在硬襯底材料850中，它的部分表面暴露在外面。柔性隔板852安裝在襯底材料850上并覆蓋覆層828的暴露部分。襯底材料850安裝在機械裝置854中(諸如夾具或虎鉗)，機械裝置854在襯底材料850、覆層828、以及芯823中產生壓力，以便在芯中產生雙折射。施加在隔板852上的壓力變換為芯823中的橫向應變。當用于如圖1所示的壓力傳感系統中時，光纖壓力傳感器822的分辨率和動態范圍提高了。
現在參考圖19，光纖壓力傳感器第九實施例922包括帶一個或多個光柵(未示出)的芯923的單模光纖921以及具有一對側孔930、932的覆層928。覆層928卷入一塊熔點相對覆層低的玻璃950中，暴出覆層的部分表面。玻璃作為在芯923中產生雙折射的應力發生元件。施加在覆層暴露表面上的壓力變換為芯923中的橫向應變。隔板(未示出)可以安裝在玻璃上覆蓋覆層的暴露表面。當用于如圖1所示的壓力傳感系統中時，光纖壓力傳感器922的分辨率和動態范圍提高了。
圖20示出光纖壓力傳感器第十實施例1022，包括帶一個或多個光柵(未示出)的芯1023的單模光纖1021以及具有一對側孔1030、1032的覆層1028。覆層1028支撐在硬襯底材料1050上，使得具有V形槽1051和杠桿臂1052的板安裝在覆層1028的上方。施加在杠桿臂1052左右端上的壓力變換為芯1023中的橫向應變。當用于如圖1所示的壓力傳感系統中時，光纖壓力傳感器1022的分辨率和動態范圍提高了。
現在參考圖21，光纖壓力傳感器第十一實施例1122包括帶一個或多個光柵(未示出)的芯1123的單模光纖1121以及具有一對側孔1130、1132的覆層1128。覆層1128插入熔點相對覆層低的玻璃毛細管套1150中。加熱玻璃1150并卷成橢圓形玻璃外鞘。玻璃鞘作為在芯1123中產生雙折射的應變發生元件，所述芯假設呈橢圓形橫截面。在加熱并卷完玻璃外鞘之后側孔1130、1132也呈橢圓形橫截面。施加在鞘1150上的壓力變換為芯1123中的橫向應變。如圖21所示，鞘1150形成為使得它的橢圓橫截面長軸位于包括芯1123和側孔1130、1132的縱軸的同一平面內。另一第十一實施例1122a示于圖22中，其中類似的參考標號表示類似的部件。如圖22所示，鞘1150a形成為使得它的橢圓橫截面短軸位于包括芯1123a和側孔1130a、1132a的縱軸的同一平面內。當用于如圖1所示的壓力傳感系統中時，光纖壓力傳感器1122和1122a的分辨率和動態范圍提高了。
圖23示出光纖壓力傳感器第十二實施例1222，包括帶一個或多個光柵(未示出)芯1223的PM光纖1221，和具有一對縱向應力發生棒1126、1126′的覆層1228。一對毛細管1260、1262每個都具有端蓋1260a、1260b、1262a、1262b，粘在覆層228的側面。當用于如圖1所示的壓力傳感系統中時，光纖壓力傳感器1222的分辨率和動態范圍提高了。
現在參考圖24和25，光纖壓力傳感器第十三實施例1322包括帶一個或多個光柵1324的芯1323的PM光纖1321以及具有一對縱向應力發生棒1326、1326′的覆層1328。覆層1328的兩部分1331、1333被磨掉或刻蝕掉并注入壓力敏感材料1330、1332，即比覆層對壓力更為敏感的材料例如尼龍。施加在材料1330、1332的壓力變換為芯1323中的橫向應變。當用于如圖1所示的壓力傳感系統中時，光纖壓力傳感器1322的分辨率和動態范圍提高了。
這里已經描述和說明了分辨率和動態范圍增強的光纖壓力傳感器和利用這種傳感器的光纖壓力傳感系統的幾個實施例。雖然描述了本發明的特定實施例，但是本發明并不限于此，本發明的范圍意欲如同技術所允許的一樣寬，說明書的意思也是如此。例如，公開的壓力傳感系統只是利用光纖壓力傳感器的示范系統。本領域的技術人員將理解本發明的光纖壓力傳感器也可以很好地應用在其他類型的壓力傳感系統中。此外，將理解可以在單個光波導中應用多個光柵以便通過單個波導測量不同位置的壓力。本領域的技術人員將進一步理解根據本發明的小光纖壓力傳感器可以切成通訊光纖并放置在相對遠離光譜分析儀的探測點上。因此，本領域的技術人員可以理解能夠對本發明進行其他改進，而不脫離本發明權利要求的精神和范圍。
權利要求
1.一種光纖傳感器，包括a)光纖芯，具有至少沿著它的一部分形成的至少一個光柵；b)包圍所述芯的第一覆層；c)用于加強所述芯中的雙折射的雙折射裝置；以及d)壓力響應裝置，用于把各向同性壓力轉換為作用在所述芯上的各向異性壓力。
2.根據權利要求1所述的光纖傳感器，其中所述雙折射裝置包括位于所述芯和所述第一覆層之間的第二橢圓形覆層，以及所述壓力響應裝置包括一對位于所述第一覆層內的縱向孔。
3.根據權利要求2所述的光纖傳感器，其中所述縱向孔設置成使得它們的縱軸與芯的縱軸位于同一平面內。
4.根據權利要求3所述的光纖傳感器，其中所述橢圓形覆層的長軸與所述側孔和所述芯的軸位于同一平面內。
5.根據權利要求3所述的光纖傳感器，其中所述橢圓形覆層的短軸與所述側孔和所述芯的軸位于同一平面內。
6.根據權利要求1所述的光纖傳感器，其中所述雙折射裝置包括一對掩埋在所述第一覆層中的長形棒，以及所述壓力響應裝置包括一對位于所述第一覆層內的縱向孔。
7.根據權利要求6所述的光纖傳感器，其中所述孔設置成使得它們的縱軸位于還包括所述芯的縱軸的第一平面內，所述棒設置成使得它們的縱軸位于還包括所述芯的縱軸的第二平面內，以及所述第二平面和所述第一平面彼此相交成一角度。
8.根據權利要求6所述的光纖傳感器，其中所述縱向孔具有V形橫截面。
9.根據權利要求6所述的光纖傳感器，其中所述縱向孔具有C形橫截面。
10.根據權利要求6所述的光纖傳感器，其中所述縱向孔具有不同直徑。
11.根據權利要求6所述的光纖傳感器，其中所述孔設置成使得它們的縱軸位于不包括所述芯的縱軸的第一平面內。
12.根據權利要求1所述的光纖傳感器，其中所述雙折射裝置包括位于所述芯和所述第一覆層之間的第二橢圓形覆層，以及所述壓力響應裝置包括包圍所述第一覆層的毛細管，所述毛細管具有一對基本上平行于所述覆層的縱向孔。
13.根據權利要求12所述的光纖傳感器，其中所述孔的端部密封。
14.根據權利要求2所述的光纖傳感器，還包括e)剛性襯底元件，以及f)柔性隔板，其中所述第一覆層設置在所述柔性隔板與所述剛性襯底元件之間。
15.根據權利要求1所述的光纖傳感器，其中所述雙折射裝置包括設置成向所述第一覆層施加力的機械結構，以及所述壓力響應裝置包括一對位于所述第一覆層內的縱向孔。
16.根據權利要求1所述的光纖傳感器，其中所述雙折射裝置包括設置成向所述第一覆層施加力的軟玻璃元件，以及所述壓力響應裝置包括一對位于所述第一覆層內的縱向孔。
17.根據權利要求15所述的光纖傳感器，其中所述機械結構包括夾緊元件。
18.根據權利要求15所述的光纖傳感器，其中所述機械結構包括剛性底座和杠桿臂，所述第一覆層位于所述底座和所述杠桿臂之間。
19.根據權利要求1所述的光纖傳感器，其中所述雙折射裝置包括包圍所述第一覆層的橢圓玻璃管，以及所述壓力響應裝置包括一對位于所述第一覆層內的縱向孔。
20.根據權利要求19所述的光纖傳感器，其中所述孔和所述芯的縱軸位于包括所述橢圓玻璃管的長軸的第一平面內。
21.根據權利要求19所述的光纖傳感器，其中所述孔和所述芯的縱軸位于包括所述橢圓玻璃管的短軸的第一平面內。
22.根據權利要求1所述的光纖傳感器，其中所述雙折射裝置包括一對掩埋在所述第一覆層中的長形棒，以及所述壓力響應裝置包括一對粘在所述第一覆層上的毛細管。
23.根據權利要求1所述的光纖傳感器，其中所述雙折射裝置包括一對掩埋在所述第一覆層中的長形棒，以及所述壓力響應裝置包括注入到所述第一覆層的刻蝕或磨掉部分的壓力敏感材料。
24.用于測量壓力或橫向應變的光纖傳感系統，包括a)光源；b)光譜分析儀；以及c)光纖壓力傳感器，該傳感器包括i)光纖芯，具有至少沿著它的一部分形成的至少一個光柵；ii)包圍所述芯的第一覆層；iii)用于加強所述芯中的雙折射的雙折射裝置；以及iv)壓力響應裝置，用于把各向同性壓力轉換為作用在所述芯上的各向異性壓力，其中所述光源設置成把光傳播到所述芯，所述光譜分析儀設置成檢測從所述芯中傳出的光。
25.根據權利要求24所述的光纖傳感系統，還包括d)分光器；以及e)低后反射終端，其中所述芯具有第一端和第二端，所述分光器位于所述光源和所述芯的所述第一端之間，所述低后反射終端位于所述芯的所述第二端，以及所述光譜分析儀相對于所述分光器設置成使得來自所述光源的光進入所述芯的所述第一端，而且至少所述光的一部分被所述至少一個光柵反射向后反射出所述芯的所述第一端，通過所述分光器進入所述光譜分析儀。
26.一種用于測量壓力或橫向應變的方法，包括a)把光纖光柵傳感器光學耦合至光源；b)把來自光源的光傳播到光纖光柵傳感器的芯內；c)把光譜分析儀光學耦合至光纖光柵傳感器，以及d)測量光譜分析儀檢測到的一個或多個光譜峰值的寬度，以便確定光纖光柵傳感器周圍的壓力或橫向應變。
27.一種用于測量壓力或橫向應變的方法，包括a)獲得光纖光柵傳感器，該傳感器具有用于增強芯內的雙折射的雙折射裝置和用于把各向同性壓力轉換為作用在芯上的各向異性壓力的壓力響應裝置；b)把光纖光柵傳感器光學耦合至光源；c)把來自光源的光傳播到光纖光柵傳感器的芯內；d)把光譜分析儀光學耦合至光纖光柵傳感器，以及e)測量光譜分析儀檢測到的一個或多個光譜峰值的寬度，以便確定光纖光柵傳感器周圍的壓力或橫向應變。
全文摘要
一種分辨率和動態范圍提高的光纖壓力傳感器,包括上面刻有一個或多個光柵的光纖芯、用于增強芯的雙折射的雙折射結構、以及用于把各向同性壓力轉換為作用在光纖芯上的各向異性壓力的結構。公開了幾個預加應力結構的不同實施例(外在和內在)。還公開了幾個把各向同性壓力轉換為各向異性壓力的結構的不同實施例(外在和內在)。根據本發明的光纖壓力傳感器最好與光源和光譜分析儀一起使用,以便根據波長和光譜峰值漂移檢測光纖壓力傳感器周圍的壓力。
文檔編號G01L1/24GK1269881SQ98808910
公開日2000年10月11日 申請日期1998年7月2日 優先權日1997年7月7日
發明者R·J·施勒德爾, E·烏德 申請人:施盧默格海外有限公司