专利名称：一种反射式光纤传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器，具体地，涉及ー种反射式光纤传感器装置。
背景技术：
随着科学技术的飞速发展和人们生活水平的不断提高，人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官；而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了 ；为适应这种情况，传感器应运而生。传感器ー种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾)，并按一定规律将其转换成同种或别种性质的输出信号的装置；可以应用在消防、机械与建筑等各个领域，其内部结构是通过线圈的数量、大小、面积等改变电流大小来达到想要的效果。目前，传感器早已渗透到诸如エ业生产、宇宙开发、海洋探測、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每ー个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。按工作原理分类，传感器可分为(I)物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应，被测信号量的微小变化都将转换成电信号；(2)化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号；(3)有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的；化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。按用途分类，传感器可分为压カ敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器热敏传感器等。另外，传感器还可以按输出信号的形式、エ艺、行分类。传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述；表征传感器静态特性的主要參数有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。传感器动态特性，是指传感器在输入变化吋，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中的传感器，至少存在体积较大、不能用于有电磁干扰的环境、使用寿命较短与耐腐蚀性较差等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出ー种反射式光纤传感器装置，以实现体积小、适用范围广、使用寿命长与耐腐蚀性好的优点。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是ー种反射式光纤传感器装置，包括光源、光探測器与传感器探针，其中所述传感器探针接收光源发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探測器。进ー步地，在所述传感器探针的内部，封装有平行设置的至少ー根单模光纤与ー根多模光纤；其中所述单模光纤与光源连接，多模光纤与光探测器连接。进ー步地，当所述多模光纤为两根或两根以上时，所述光探測器的个数与多模光纤的根数相匹配，每根多模光纤与相应的光探测器连接。进ー步地，当所述多模光纤为两根或两根以上时，还包括光纤耦合器；所述两根或两根以上多模光纤通过光纤耦合器耦合后，与光探测器连接。进ー步地，所述光源包括LED与激光器。进一步地,所述激光器包括型号为1550nm的DFB激光器。本发明各实施例的反射式光纤传感器装置，由于包括光源、光探測器与传感器探针，其中传感器探针接收光源发出 的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探測器；由于采用传感器探针，可以埋入各种待测物体内，对待测物体的结构无影响，不受周围各种电磁干扰，在强电磁干扰的情况下仍然可以工作，因此使用场合比较多，使用寿命比较长；从而可以克服现有技术中体积较大、不能用于有电磁干扰的环境、使用寿命较短与耐腐蚀性能较差的缺陷，以实现体积小、适用范围广、使用寿命长与耐腐蚀性好的优点。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进ー步的详细描述。
附图用来提供对本发明的进ー步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中图1为根据本发明反射式光纤传感器装置的结构示意图ー；图2为根据本发明反射式光纤传感器装置的结构示意图ニ ；图3为根据本发明反射式光纤传感器装置的理论模型示意图；图4为根据本发明反射式光纤传感器装置中多模光纤的反射功率计算过程示意图；图5为根据本发明反射式光纤传感器装置的距离与功率曲线示意图；图6为根据本发明反射式光纤传感器装置中用于测量疲劳、材料表面粗糙度与腐蚀的传感器的结构示意图；图7为根据本发明反射式光纤传感器装置中压カ传感器的结构示意图8为根据本发明反射式光纤传感器装置中用于测量腐蚀的传感器的距离与功率曲线示意图；图9为根据本发明反射式光纤传感器装置中用于测量不锈钢金属表面粗糙度的传感器的光强与距离曲线示意图；图10为根据本发明反射式光纤传感器装置中反射体与光纤端面的距离与功率曲线示意图；图11为根据本 发明反射式光纤传感器装置中传感器探针横截面的结构示意图；图12为根据本发明反射式光纤传感器装置中多根多模光纤通过光纤耦合器与光探测器连接的光路结构示意图；图13为根据本发明反射式光纤传感器装置中多根多模光纤分别与对应的光探測器连接的光路结构示意图。结合附图，本发明实施例中附图标记如下1-光源；11_DFB激光器；2_传感器探针；3_光探測器；31_第一光探測器；32_第ニ光探測器；41_单模光纤；42_第一多双模光纤；43_第二多双模光纤；5_反射体；6_光纤耦合器；7_连接支架。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。根据本发明实施例，提供了ー种反射式光纤传感器装置。如图1-图13所示，本实施例包括光源1、光探測器3与传感器探针2，其中传感器探针2接收光源I发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探測器3。进ー步地，在上述实施例中，在传感器探针2的内部，封装有平行设置的一根单模光纤(如单模光纤41)与至少ー根多模光纤；其中单模光纤41作为输入光纤、与光源I连接，多模光纤作为输出光纤、与光探測器3连接。这里，由于光纤直径较细，因此探针体积很小，可以埋入各种待测物体内，而对该物体的结构无影响；采用光纤，不受周围各种电磁干扰，在强电磁干扰的情况下仍然可以工作，因此使用场合比较多；并且，光纤的使用寿命比较长，可以长达30年以上。例如，在传感器探针2的内部，可以封装有平行设置的单模光纤41与第一多模光纤42，也可以封装有平行设置的单模光纤41、第一多模光纤42与第二多模光纤43。这里，当多模光纤为两根或两根以上时，光探測器3的个数可以与多模光纤的根数相匹配，且每根多模光纤与相应的光探測器3连接；例如，第一多模光纤42与第一光探測器31连接，第二多模光纤43与第二光探测器32连接。另外，当多模光纤为两根或两根以上吋，还可以包括光纤耦合器6，两根或两根以上多模光纤通过光纤耦合器5耦合后，再与光探測器3连接；例如，第一多模光纤42与第二多模光纤43通过光纤耦合器6耦合后，再与光探測器3连接。在上述实施例中，光源I可以是LED，也可以是激光器；通常选用单纵模的激光器，比如通信上最常用的型号为1550nm的分布式反馈激光器(即DFB激光器11)。这里，DFB激光器11的尾纤与单模光纤41通过光纤熔接机熔接，连接在一起；第一多模光纤42的一端与光探測器3的尾纤通过熔接，连接在一起。若是选择LED作光源，因为其尾纤为多模光纤，则入射光纤也必须选用多模光纤，以使其匹配；由于激光器在光谱曲线、功率值大小、及功率稳定性等方面都优于LED，因此多数情况下选择激光器作为光源，而不选择LED作光源。具体地，如图1和图2所示，传感器探针2可以由两根平行放置的光纤组成，一根光纤是单模光纤41，另ー根光纤是第一多模光纤42。这里，单模光纤41芯径为10um，包层直径为125um ;第一多模光纤42通常选择常见的纤芯直径为50um或62. 5um的光纤,其包层直径为125um;为了增大接收反射回来的光信号，光纤也可以选择纤芯直径更大的多模光纤，比如纤芯直径为IOOum的多模光纤，甚至更大也可以；光信号完全在光纤纤芯内传播。单模光纤41与DFB激光器11的尾纤类型保持一致，可以使两根光纤熔接吋，熔接损耗降到最小，使光源发出的光尽可能的照射到反射体上；多模光纤的纤芯较粗，可以接收较多的从反射体反射回来的光信号。单模光纤41和第一多模光纤42选择合适长度,将两光纤端面通过光纤切割刀或用光纤研磨机处理好端面，平行放入一根长度为30mm，直径为3mm的不锈钢套管内，然后向不锈钢套管注入环氧树脂，等待树脂固化后，可以将光纤固定位置，并起到密封的作用；如果有必要，传感器探针2可以用光纤研磨纸研磨。根据实际需要，光纤传感器的探针尺寸可以改变，其长度可以更长，也可以变短；直径可以做的更小，最小可以到250um，仅容两根光纤并排放在一起。
光探测器3可以是ー个PIN结光电ニ极管，其在1550nm处，响应度大于0. 8A/W。在上述实施例中，被测物体可以作为反射体5 ;光探測器3的尾纤与多模光纤熔接，从反射体5反射回来的激光，经过第一多模光纤42的传输，被光探測器3接收。例如，从光源I发出的光，通过耦合进入单模光纤41，然后照射到反射体5上，在反射体5表面产生散射,有部分光将被反射进入第一多模光纤42,第一多模光纤42的一端连接光探測器3，反射进入第一多模光纤42的光，将被耦合进入光探測器3 ;由光探測器3接收的光功率大小，可以得知反射体5表面的反射系数变化，或者反射体5到相应光纤端面距离的变化。但是，在某些场合，比如应カ或者温度测试吋，反射体5必须与传感器探针2封装在一起，构成ー个传感头，作为反射式光纤传感器的一部分，是ー个整体。单模光纤41作为输入光纤，第一多模光纤42作为输出光纤；光源I发出的光被耦合进入单模光纤41，射到反射体5上，产生反射，反射的光被耦合进入第一多模光纤42，被光探測器3接收。这里，作为反射光信号的反射体5，有时是被检测的物体；有时需要与传感器探针2封装在一起，构成ー个传感头，作为传感器不可缺少的一部分，如应カ或者温度测试时。可见，被测物体不一定是反射体5，例如在测试应力和温度吋，反射体5与传感器探针2封装在一起，构成传感头，测试的是周围环境温度或者被测物体所承受的压力大小；测量材料疲劳，材料表面粗糙度，金属表面腐蚀时，被测物体作为反射体5，和传感器探针2是分离的。若反射体5的表面反射系数没有发生变化，而光纤端面与反射体5的距离发生变化,光探测器3接收的光功率也将产生变化，根据接收的光功率大小，可以推断出反射体5与光纤端面的距离；若保持光纤端面与反射体5的距离不变，反射体5表面的反射系数由于环境的影响而产生变化，根据光探測器3接收的光功率大小，可以得知反射体5的表面反射系数的变化。由于光纤的纤芯较细，质量轻，体积小，不受电磁干扰，耐腐蚀，寿命长，因此上述实施例的反射式光纤传感器装置也可以埋入各种待测物体中，用于材料应力，疲劳，材料表面粗糙度、金属表面腐蚀和温度等方面的监测。上述实施例反射式光纤传感器装置的不同用途，可以根据被测物体区分；例如测量应力和温度时，传感器探针2与反射体5必须封装在一起；测量材料疲劳，材料表面粗糙度和金属表面腐蚀时，被测物体作为反射体5，与传感器探针2是分离的。在图3中，d为光纤端面到反射体5的距离。在单模光纤41中，光强分布服从高斯分布；发散角e是光纤的数值孔径，激光从输入光纤照射到反射体5时，形成ー个光锥。当一束平行光照射到理想的镜面时，反射光也将是一束平行光，称为镜面反射；若照射到粗糙不平的表面时，光就会向四面八方反射，称为漫反射；对于多数的物体和一般的金属表面，产生的光都是漫反射光；镜面反射和漫反射都遵守光的反射定律。对于多数物体表面，肉眼看起来，好像很光滑，但是在放大镜下观察，其表面是由很多个凹凸不平的小表面组成的，因此其反射光也将是漫反射光。光源发出的光经过单模光纤照射到反射体上，然后有部分光被反射到接收光纤的端面，耦合进入多模光纤。多模光纤的纤芯面积越大，耦合进入多模光纤的光信号越多。因此，使用大芯径的多模光纤，可以充分接收反射回来的光信号。因为1-r^
权利要求
1.一种反射式光纤传感器装置，其特征在于，包括光源、光探测器与传感器探针，其中所述传感器探针接收光源发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探测器。
2.根据权利要求1所述的反射式光纤传感器装置，其特征在于，在所述传感器探针的内部，封装有平行设置的一根单模光纤与至少一根多模光纤；其中所述单模光纤与光源连接，多模光纤与光探测器连接。
3.根据权利要求2所述的反射式光纤传感器装置，其特征在于，当所述多模光纤为两根或两根以上时，所述光探测器的个数与多模光纤的根数相匹配，每根多模光纤与相应的光探测器连接。
4.根据权利要求2所述的反射式光纤传感器装置，其特征在于，当所述多模光纤为两根或两根以上时，还包括光纤耦合器；所述两根或两根以上多模光纤通过光纤耦合器耦合后，与光探测器连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的反射式光纤传感器装置，其特征在于，所述光源包括LED与激光器。
6.根据权利要求5所述的反射式光纤传感器装置，其特征在于，所述激光器包括型号为1550nm的DFB激光器。
全文摘要
本发明公开了一种反射式光纤传感器装置，包括光源、光探测器与传感器探针，其中所述传感器探针接收光源发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探测器。本发明所述反射式光纤传感器装置，可以克服现有技术中体积较大、不能用于有电磁干扰的环境、使用寿命较短与耐腐蚀性能较差等缺陷，以实现体积小、适用范围广、使用寿命长与耐腐蚀性好的优点。
文档编号G01D5/353GK103048002SQ20111031069
公开日2013年4月17日 申请日期2011年10月14日 优先权日2011年10月14日
发明者柳涛, 左广辉, 方习贵, 王建伟 申请人:无锡阿斯特科技有限公司