专利名称：基于功能材料的光纤传感装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光纤传感领域，具体是涉及一种由具有功能材料特性的微弯结构 构成的、基于光纤微弯损耗变化的光纤传感装置。
背景技术：
光纤微弯传感器是一种光强度调制的传感器，具有成本低、灵敏度高、具有一定的 环境抗干扰能力的特点，其实现方案是基于光纤的弯曲或微弯损耗来实现的。通过改变光 纤的弯曲程度，从而导致输出光功率的变化。光纤微弯传感器中光功率损耗的原理是当光纤受到弯曲扰动的时候，将会产生 弯曲损耗，主要是微弯损耗和宏弯损耗，两者损耗并没有严格的区分。两者弯曲损耗均是由 于光纤弯曲时导致纤芯中的部分导模耦合至包层引起的，两者损耗都可以根据Marcuse的 理论公式计算弯曲损耗大小，其公式如下Pout = Pin exp (- γ S)其中，Pot和Pin分别为输出和输入光功率，Y是弯曲损耗系数，S为弯曲弧长。可 以看出光纤的弯曲损耗系数Y越大，即光纤弯曲半径越小，则损耗越大，但弯曲半径过小 会导致光纤寿命大幅度减少，影响传感器的使用寿命，所以实际应用中光纤的弯曲半径是 受限制的；另一方面，在相同的弯曲损耗系数Y下，若增加弯曲弧长S，则可增大衰减，可以 通过大幅度增加弯曲弧长S，达到大幅度提高光纤传感器的动态范围和精度的目的。现有的微弯光纤传感装置是锯齿板周期微弯损耗式装置，典型结构是两块经严 格加工的锯齿板平行安置，并在两平行锯齿板间夹持有光纤，该装置中光纤的变形量很小， 只有数百微米导致检测范围小，很难对光纤的最小弯曲曲率进行有效的控制，另外光纤有 效弯曲长度也不易大幅度的延长，限制了该类光纤传感装置的使用寿命和使用范围。发明内容为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于功能材料的光纤传感装 置，采用的是多圈光纤微弯结构，延长了光纤有效弯曲长度，使该光纤传感装置具有使用寿 命长、精度高的特点。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是一种基于功能材料的光纤 传感装置，其特征在于有一个包含信号光纤的多圈微弯元件，所述的多圈微弯元件中至少 一部分由随着待测物理量的变化而发生伸缩变形的材料构成，信号光纤通过延长光纤与测 试单元连接。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的多圈微弯元件中 的变形齿或变形齿的一部分由随着待测物理量的变化而发生伸缩变形的材料构成。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的多圈微弯元件中 用于固定变形齿的区域或其中的部分区域由随着待测物理量的变化而发生伸缩变形的材 料构成。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的多圈微弯元件是 由一个曲线型的内部包含有相互交错对应的两列变形齿的微弯元件构成，两列变形齿间夹有信号光纤。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的多圈微弯元件 是由一个弹簧型的相邻两圈弹簧丝上有相互交错对应变形齿的微弯元件构成，两列变形齿 间夹有信号光纤。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的多圈微弯元件是 由一波纹管构成，在波纹管管壁的下凹处的相对两个面上分别布设有相互交错对应的变形 齿，在变形齿间夹持有信号光纤。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的多圈微弯元件是 由两层或两层以上的平板锯齿型微弯元件构成。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的多圈微弯元件是 由单层的平板锯齿型微弯元件构成，所述的信号光纤以螺旋盘绕的方式形成多圈结构并夹 持于平板锯齿型微弯元件中。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是在所述的多圈微弯元件 外是两层壳体，内层壳体是由没有互相连接的两块壳体构成，内外两层壳体分别在外壳体 的两端固定在一起，内层壳体的未与外壳体固定的端分别与多圈微弯元件的两端连接。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是两层壳体的膨胀系数不 同，通过选择合适的膨胀系数，使多圈微弯元件消减了温度的影响。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是将两个或两个以上的包 含信号光纤的多圈微弯元件通过传输光纤连接起来，构成准分布式的光纤传感装置。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的功能材料是随待 测物理量变化而出现变化的材料，如探测氢气浓度时，可选用的功能材料是金属钯；探测 甲烷气体，可使用的功能材料是金属钼；探测湿度，可选用的功能材料是聚亚酰胺(PI)或 尼龙；探测磁场参数，可使用的功能材料是磁致伸缩材料；探测电场参数，可选用电致伸缩 材料。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的信号光纤的一端 安置有光反射装置，如反射镜或光纤光栅。本实用新型的光纤传感器解决进一步技术问题的方案是所述的信号光纤的另一 端的通过延长光纤接1X2光分路器的1端，1X2光分路器的2端分别接光源和光功率计。所述信号光纤为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰 亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤。本实用新型与现有技术相比具有以下优点1、基于功能材料的光纤传感装置，该传感器结构简单、设计合理、操作方法方便且 使用方式灵活、灵敏度高；2、基于功能材料的光纤传感装置，因由多圈微弯元件构成，大大增加了信号光纤 的有效弯曲长度，一方面增加了检测的精度和灵敏度，并可以减少信号光纤的弯曲曲率，从 而延长了信号光纤的使用寿命，使该光纤检测装置具有使用寿命长的特点；3、基于功能材料的光纤传感装置，可以采用了双层壳体的桥式温度补偿装置，从 而可以使本装置消减环境温度的影响，提高了测试精度；4、基于功能材料的光纤传感装置，可以根据待测物理量的需要，选择不同的功能材料，如探测氢气浓度时，选用的功能材料可以是金属钯，可以将金属钯涂覆或镀在变形齿 表面，金属钯吸收氢气后体积会变大，从而使变形齿增高，导致夹持在变形齿间的信号光纤 弯曲曲率变化，通过检测仪器探测到信号光纤中传输光信号功率的变化推算出氢气浓度的 大小，其他物理量也可以通过类似的方法检测。综上所述，可以看出本实用新型的光纤传感装置具有测试精度高、整体结构简单、 抗干扰能力强、适用范围广等诸多优点。所具有的多层微弯元件结构可以大幅度减少信号 光纤弯曲曲率，并大幅度延长了信号光纤的有效长度，使本实用新型的装置具有更好的精 度和更长的使用寿命。下面通过附图和实施例，对实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本实用新型第一具体实施方式
的部分剖面结构示意图。图2为本实用新型第一具体实施方式
的主要部位的剖面结构示意图。图3为本实用新型第二具体实施方式
的部分剖面结构示意图。图4为本实用新型第二具体实施方式
主要部位的剖面结构示意图。图5为本实用新型第三具体实施方式
的结构示意图。图6为本实用新型第三具体实施方式
主要部位的剖面结构示意图。图7为本实用新型第四具体实施方式
的结构示意图。图8为本实用新型第四具体实施方式
主要部位的剖面结构示意图。图9为本实用新型第五具体实施方式
的部分剖面结构示意图。附图标记说明
权利要求1.基于功能材料的光纤传感装置，其特征在于有一个包含信号光纤的多圈微弯元 件，所述的多圈微弯元件中至少一部分由随着待测物理量的变化而发生伸缩变形的材料构 成，信号光纤通过延长光纤与测试单元连接。
2.按照权利要求1所述的基于功能材料的光纤传感装置，其特征在于所述的多圈微 弯元件中的变形齿或变形齿的一部分由随着待测物理量的变化而发生伸缩变形的材料构 成。
3.按照权利要求1所述的基于功能材料的光纤传感装置，其特征在于所述的多圈微 弯元件中用于固定变形齿的区域或其中的部分区域由随着待测物理量的变化而发生伸缩 变形的材料构成。
4.按照权利要求1所述的基于功能材料的光纤传感装置，其特征在于所述的多圈微 弯元件是由一个曲线型壳体及内部包含有相互交错对应的两列变形齿的微弯元件构成，两 列变形齿间夹有信号光纤。
5.按照权利要求1所述的基于功能材料的光纤传感装置，其特征在于所述的多圈微 弯元件是由一个弹簧型的相邻两圈弹簧丝上有相互交错对应变形齿的微弯元件构成，两列 变形齿间夹有信号光纤。
6.按照权利要求1所述的基于功能材料的光纤传感装置，其特征在于所述的多圈微 弯元件是由一波纹管构成，在波纹管管壁的下凹处的相对两个面上分别布设有相互交错 对应的变形齿，在变形齿间夹持有信号光纤。
7.按照权利要求1所述的基于功能材料的光纤传感装置，其特征在于所述的多圈微 弯元件是由两层或两层以上的平板锯齿型微弯元件构成。
8.按照权利要求1所述的基于功能材料的光纤传感装置，其特征在于所述的多圈微 弯元件是由单层的平板锯齿型微弯元件构成，且所述的信号光纤以螺旋盘绕的方式形成多 圈结构并夹持于平板锯齿型微弯元件中。
9.按照权利要求1至8所述的任意一项基于功能材料的光纤传感装置，其特征在于 在所述的多圈微弯元件外是两层壳体，内层壳体是由没有互相连接的两块壳体构成，内外 两层壳体分别在外壳体的两端固定在一起，内层壳体的未与外壳体固定的端分别与多圈微 弯元件的两端连接，两层壳体的膨胀系数不同。
10.按照权利要求1至8所述的任意一项基于功能材料的光纤传感装置，其特征在于 将两个或两个以上的多圈微弯元件中的信号光纤通过传输光纤连接起来，构成准分布式的 光纤传感装置。
专利摘要本实用新型公开了一种基于功能材料的光纤传感装置，包括夹持信号光纤的多圈微弯元件，多圈微弯元件中至少一部分由功能性材料构成，即其中的变形齿的全部或部分、或固定变形齿的区域的全部或部分由功能材料构成，所述的功能材料是随待测物理量变化而出现变化的材料，当待测物理量变化时导致多圈微弯元件中变形齿间的距离改变，从而使夹持在变形齿间的信号光纤的弯曲曲率变化，从而使传输于信号光纤内的光信号功率有显著的变化，并通过测试单元的检测获知，达到了测定待测物理量的变化大小目的。由于采用了多圈微弯元件，延长了信号光纤的有效长度，并减少了信号光纤的弯曲曲率，从而提高精度、并延长了使用寿命，使本装置具有广阔的应用前景。
文档编号G01D5/26GK201903352SQ201020507079
公开日2011年7月20日 申请日期2010年8月17日 优先权日2010年8月17日
发明者杜兵 申请人:西安金和光学科技有限公司