电磁耦合器的制造方法
【专利说明】电磁輔合器
[0001] 本发明申请是申请日为2010年2月1日、申请号为201080006532.6(国际申请号 为PCT/US2010/022715)以及发明名称为"侧向照射式多点、多参数光纤传感器"的发明专 利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明所提出的光纤传感器是基于光谱学技术研制而成。具体而言，该光纤传感 器通过测量光散射、光吸收、比色值、受激激发荧光以及磷光的变化，对外界待探测物质进 行测量。
【背景技术】
[0003] 基于光谱学技术的光纤传感器可以多种裁量的检测，例如应力、压力、温度、化学 物质、浊度、色彩和其他性质。这些传感器通常分为两大类：光极传感器和分布式传感器。
[0004] 光极传感器为最简单的光纤传感器。它由位于光纤远端的指示剂和位于光纤近端 的激发光源与检测器组成。激发光沿光纤传输，同指示剂发生相互作用后，产生一个光谱信 号（荧光、磷光、比色和/或吸收光信号）。该光谱信号传回致光纤的近端，到达检测器。检 测器采集的光谱信号直接反应待检物质的参数变化。在光极传感器的结构中，唯一的感应 点位于光纤的远端，光纤本身作为光的传输通道，将光信号从光源传至指示剂继而传回。
[0005] 在分布式传感中，整条光纤或光纤的某段区域，可以既作为光信号传输的通道，同 时也作为传感器。光纤的包层作为对待测物质敏感区域，可以采用单层或相互间隔的多层 结构。无论采用包层结构，这些敏感区域或感应区域，在被激发光照射下，会构成了一个多 点、准分布式的传感器。当需要进行分布式多点检测时，分布式传感器只需一条光纤，而光 极传感器则须多条光纤。因此，分布式传感器的优势在于其能够利用单根光纤进行空间中 的多点检测。
[0006] 分布式光纤传感器的感应点可采用两种方式接收探测光：轴向探测以及横向探 测。其中，横向探测被认为是较为优秀的探测模式。
[0007] 轴向探测是光纤传感器常用的探测方法。在轴向探测中，探测光由光纤的一端沿 轴向入射，光场的渐逝场同周围的包层发生相互作用。包层在吸收了渐逝场区域中的探测 光后，产生的吸收光、散射光或荧光激发光信号，这些光信号在光纤的任一一端进行检测。
[0008] 这种基于轴向探测的激发方式有不足之处。例如，激发光的渐逝场与包层之间的 相互作用很弱，产生的信号需要昂贵的仪器设备（如大功率电源）通过复杂的检测手段以 及很长的光纤来进行检测。此外，这种轴向入光的方式决定了光源与光纤之间需要精准的 轴向親合。
[0009] 施瓦贝克（Schwabacher)等人的专利，《一维光纤阵列》国际刊号 TO2001/71316('316)(美国专利号7,244,572,2007年7月7日发布），展示了一种沿光纤 线形排列的化学传感器阵列，阵列中的每个感应点位可感应某种化学物质。相邻的感应点 位由高度惰性的区域（如包层）分隔开来。惰性区域的最小长度为250cm。专利' 316同时 描述了轴向和横向两种激发方法。而轴向激发被认为是较好的模式。
[0010] 专利'316推荐使用窄带激光脉冲作为激发光，轴向入射进入光纤。光纤上的每个 感应点位惰性物质分开至上述的最小间隔。依据专利'316中的参数设置，此长度间隔用来 避免相邻感应点位的荧光激发光产生重叠。光源（如激光器、激光二极管、气体激光器、染 料激光器、固体激光器、发光二极管等）产生的激发光轴向入射进入光纤，而后被传送至感 应点。
[0011] 在几个甚至数百个感应点中，确定具体发生相互作用的感应点，需要测量激发脉 冲光与返回光信号间的时间延迟，并与每个感应点同光源之间的距离进行比对。此项测量 过程需要使用示波器、光电倍增管等仪器对时间、距离以及波长进行精确地测量。在检测上 百个样品时，这种设计还需要极长的光纤，进而增加了整个系统的尺寸以及操作复杂度。此 外，高精度仪器的使用也大幅提高了系统的成本。
[0012] 激发光也可以由一条或多条激发光纤导入检测光纤的感应点。每一个感应点都配 有一根激发光纤。激发光从轴向入射进入到激发光纤，通过激发光纤的传输，从横向入射进 入检测光纤上的感应点。
[0013] 另一种装置要求使用分光器将激发光横向导入致每个感应点。分光技术需用到昂 贵的高能激光，且经过多个分光器后，激发光分配至每个感应点时，其强度也会衰减。
[0014] 在另一种装置中，激发（或发光）光纤沿着轴向分隔成多个不同区域。每个区域 的包层被去掉，并将裸露的纤芯区域放置在检测光纤的感应点附近。这种结构可以使得激 发光的渐逝场横向入射至感应点处。这样做的缺点在于激发光纤的渐逝场非常微弱，因此 到达检测光纤感应点的能量很少。其他使用轴向或横向激发的方法也被提讨论过，然而这 些方法大都缺乏性价比。
[0015] 尽管专利' 316提出的这些方法具有一定的可操作性，但它们均受限于操作复杂、 成本高、设计结构强度弱等缺点。惰性区域与感应点相互间隔的结构中，只有感应点处得包 层可被去除，惰性区域的包层则必须被保留。对包层进行如此的操作也增加了批量生产的 成本和复杂度，限制了自动化生产的可能性。
[0016] 此外，此种传感器在工业生产使用中需要使用到昂贵的仪器，如光时域反射器 (OTDR)。光时域反射器的成本约在3000美元或以上，它的使用大幅地提高了任何一种需要 轴向激发技术的成本。并且，光时域反射器适用的波长范围有限，限制了传感器所能使用的 试剂种类。现有系统的另一个缺点在于光时域反射器检测的信号易受到来自于光导材料的 意外弯折和不规则形状而引起的干扰。这种干扰会改变光纤的折射率，进而产生误差。另 外，现有的技术缺乏精确空间分辨率，目前的空间分辨率大约在IOcm数量级，因此空间分 辨率仍有待提尚。
[0017] 尽管侧向照射感应点能够产生较强的信号，并体现出较高的优越性，以往的技术 并没有能够展现出这项优势以及其它的特点。在使用恰当时，侧向照射可用于探测感应光 纤上非常微小的区域，从而达到很高的空间分辨率，进而增加沿光纤轴向分布的感应点的 数量。例如，一段5cm的感应光纤，在空间分辨率达到5_时，可分布十个感应点，构成高密 度的光纤检测点阵列。高空间分辨率在温度和/或化学物质浓度检测时显得尤为重要。检 测混凝土结构中的氯离子也是一个需要光纤具备轴向高密度检测点阵列的例子。以往的方 法均未能提供一个基于简单照射技术的低成本、高稳定性的分布式传感器。更重要的是，以 往人们并没有利用一个包层中无化学指示剂的光纤传感器通过侧向照射的方式进行传感 检测。
[0018] 以往这些技术的缺陷和/或问题都亟待解决。理想的体系应具备，但不局限于如 下特点：
[0019] a. -种能够提供高空间分辨率的低成本探测光源。使得空间分辨率达到5mm的数 量级或更小，并能够准确的聚焦于待测区域。
[0020] b. -种能够利用市场现有低成本原件进行自动化组装并生产的经济型光纤传感 器。
[0021] c. 一种能够灵活应用于红外光、可见光和紫外光范围的传感器材。
[0022] d. -种高稳定性、高可靠性、易于光耦合且不受弯折和环境光等外界因素干扰的 传感器材。
[0023] e. -种可被用于检测多种被测变量的通用设计。
[0024] f. -种具有高能量输出且高性价比的探测光源，用于为基于荧光和吸收光的光纤 传感器提供入射光，且信号易于被检测。
[0025] g. -种模块化设计且易于随着技术发展进行升级的检测体系。
[0026] h. -种不需固定于光纤表面的化学指示剂亦可进行待测物质检测的检测系统。
【发明内容】
[0027] 本发明成功地解决了上述以往技术带来的不足之处。本发明提出了一款无需化学 指示剂的、具有良好的可逆性、高稳定性、低成本以及高空间分辨率的分布性光纤传感器。 该光纤传感器可被用于红外光、可见光以及紫外光在内的整个电磁场波长范围。本发明中 使用的光源具有高光强度、高性价比等特点，在感应点处产生较强的信号，易于被检测。本 发明可以使用不同波长光的光源，方便测量不同的待检参数。同时，该发明所提出的光源、 传感器以及控制软件程序均可持续升级。
[0028] 本发明的首选装置由一根具有多处区域纤芯裸露的光纤、一个探测或激发光源、 一个供电电源、一个检测器、一个信号处理器和一个显示器构成。探测或激发光源与检测光 纤上的感应点之间存在直接的光场交换。光源既可以在感应点附近，也可与之相距较远的 位置。例如探测光可为一距离检测光纤数米的准直光束，前提是它能够照射到检测光想上 的感应点。该检测光纤可被用于检测包括环境色彩、浊度、荧光、吸收光、化学物质浓度、折 射率和任何其他与光学相关的，且与上述变量成单调函数关系的环境变量。
[0029] -光源发出的探测光从外侧以某一角度照射本发明所提出的光纤传感器。在被探 测光照射区域中的待测介质中与探测光纤中的感应点之间发生相互作用，改变探测光的特 性并产生一个与待测介质相关的光信号。该光信号耦合进入探测光纤的纤芯，并传至探测 光纤末端一个与光纤轴向相连的检测器。该检测器将光强度信号转化为电信号并送至信号 处理器。待与环境变量（色彩、浊度、折射率、化学物质浓度等）相关联后，将得到的定量信 息送往显示器显像。
[0030] 光纤纤芯周围的部分或整个区域都能对待检环境变量和/或化学物质作出感应。 这点与埃加隆（Egalon)之前发表的设计（美国专利号7, 473, 906)不同，本发明不要求使 用任何感应掺杂物，并且制造出的检测光纤具有可逆性，最终回归到一个强度参照的信号。
[0031] 在首选的装置中，探测光源为一紫外光发光二极管（UV LED)。该光源放置在与光 纤相邻放置，用于照亮其感应点。应当指出的是，尽管其它类型的照射光源也可被使用，使 用紫外发光二极管有如下优点。第一，紫外光发光二极管是一种成本低、操作方便易得的激 发光源，降低了产品的造价。第二，近年来，发光二极管技术得到大幅度的提升，在提高其发 光强度的同时缩小了尺寸，从而提供了窄带高强度的探测光。第三，紫外光发光二极管与检 测光纤之间的的临近放置增加了产生光信号的强度，使得使用成本较低的检测器，如硅光 电检测器，成为可能。最后，发光二极管的小尺