专利名称：基于渐变式滤光片的光纤传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光纤传感器，特别是一种采用滤光片感应物理量变化的光纤 传感设备。
背景技术：
因为光纤本身具有体积小，重量轻，成本低等特点，近些年光纤传输有了非常大的 发展，而且光纤类器件相比于传统的电子类器件又具有绝缘的特性，在有电磁干扰，高压等 环境内使用时不会受到影响，而且光纤在高温、高污染、可燃性气体环境中也可安全使用。 所以光纤传感类器件具有着巨大的市场空间。光纤传感器，是以光纤为讯号载体，对环境温度、湿度、气体浓度等进行检测的器 件，具有着超长距离、低损耗传输的特点。目前，在国内外的光纤传感器大多是使用布拉格光栅(FBG)光纤传感器。作为敏 感区，应用其温湿度的变化造成反射波位移的原理测试温湿度变化。但是FBG光纤传感本 身成本很高，而且对测量信号精度要求高，所配套的仪器成本更高，加上高难度的封装工 艺，所以很难在民用领域推广应用。

实用新型内容为了解决现有技术中存在的光纤传感器对测量信号精度要求高、制造成本高、封 装困难、应用范围小的问题，本实用新型提供了一种基于渐变式滤光片的光纤传感器。本实用新型的技术解决方案是—种基于渐变式滤光片的光纤传感器，其特殊之处在于包括用于敏感物理量的转动式敏感元件、将转动式敏感元件的芯轴转动角度转换 为对应光信号的光学模块、向光学模块提供光信号并接收其输出光信号的光发射接收单 元、将光发射接收单元接收的光信号转换为相应电信号的光电转换单元；所述光学模块包括与转动式敏感元件的芯轴同轴固连的圆形渐变式滤光片、分别 设置在渐变式滤光片两侧相对位置的全反射镜和准直器，所述准直器通过光纤与光发射接 收单元相连。上述光学模块还包括密封腔体，所述转动式敏感元件的芯轴穿过密封腔体的一端 面，所述转动式敏感元件设置在密封腔体外侧，所述圆形渐变式滤光片、全反射镜、准直器 设置在密封腔体内侧，所述光纤穿过密封腔体的另一端面。上述光发射接收单元包括光源、隔离器、光耦合器、探测器、光源检测器；所述光源 的输出端连接隔离器的输入端；所述光耦合器的输入端分别与隔离器的输出端以及探测器 的输入端相连；所述光耦合器的输出端分别与光源检测器及准直器相连。上述转动式敏感元件为基于盘状游丝的敏感元件，所述盘状游丝的外端部与轴套 固定，其内端部与芯轴固连。上述盘状游丝外面设置有保护套；所述保护套固定在密封腔上。[0014]上述盘状游丝为单面涂有聚酰亚胺膜的弹性铜皮。上述聚酰亚胺膜的厚度是0. 1-0. 2mm。本实用新型所涉及的基于渐变式滤光片的光纤传感器因不同的湿度下游丝的转 角不同，带动滤光片转角不同，使光经滤光片后的光强不同，从而探测器测到光强不同，可 以实时检测，且具有着高精度，低成本，结构简单等特点，而且本实用新型涉及的传感器封 装工艺简单，操作方便，易保证批量化生产时高一致性，适于工业应用，且具有高的可靠性， 高重复性，安装简便等特点。

图1为本实用新型的转动式敏感元件和光学模块的工作原理示意图；图2为本实用新型的转动式敏感元件和光学模块的结构剖视图；图3为本实用新型的光发射接收单元的原理示意图；图中1-转动式敏感元件，2-光学模块，3-光发射接收单元，4-芯轴，5—渐变 式滤光片，6—全反射镜，7—准直器，8—光纤，9一腔体，10-盘状游丝，11-中心孔，12-保 护套，13-轴套，14-光源，15-隔离器，16-光耦合器，17-光源检测器，18-探测器，19-固定座。
具体实施方式
本实用新型所涉及的基于渐变式滤光片的光纤传感器包括用于敏感物理量的转 动式敏感元件1、将转动式敏感元件1的转动角度转换为相应光信号的光学模块2、向光学 模块2提供光信号并接收其输出光信号的光发射接收单元3、将光发射接收单元3接收的光 信号转换为相应电信号的光电转换单元。参见图1、图2，光学模块2包括与转动式敏感元件的芯轴4同轴固连的圆形渐变 式滤光片5、分别设置在渐变式滤光片5两侧相对位置的全反射镜6和准直器7，准直器7 通过光纤8与光发射接收单元3相连；当光纤传感器用于敏感湿度时，光学模块2还应该包 括密封腔体9，转动式敏感元件1的芯轴4穿过密封腔体9的一端面，转动式敏感元件1设 置在密封腔体9外侧，圆形渐变式滤光片5、全反射镜6、准直器7设置在密封腔体9内侧， 所述光纤8穿过密封腔体9的另一端面。转动式敏感元件1为基于盘状游丝10的敏感元件，盘状游丝10的外端部与轴套 13固定，其内端部与芯轴4固连，盘状游丝10外面设置有保护套12 ；保护套12固定在密封 腔上，当盘状游丝10为单面涂有聚酰亚胺膜的弹性铜皮时，光纤传感器就成为光纤湿度传 感器。聚酰亚胺膜的厚度一般在0. 1-0. 2mm之间。腔体9内可设置固定座19，固定座19是设置在腔体4前端位于盘状游丝10和滤 光片5之间且在中心处设有中心孔11，固定座19的与腔体9连接的一侧延伸至腔体9内并 呈U形弯曲，固定座19与腔体9采用密封连接，这样确保腔体9内的元件不受外界影响，而 在腔体9外的盘状游丝10也能够在被测环境中更好地工作。芯轴4是设置在腔体9内与 腔体9同轴，且芯轴4的一端通过固定座19的中心孔11延伸至腔体9外部；芯轴4延伸腔 体9外的一端上同轴设置有盘状游丝10，另一端上垂直设置有渐变式滤光片5 ；滤光片5的 中心设置在芯轴4的轴心上，通过固定座19与盘状游丝10隔离；这样，使渐变式滤光5片可以同盘状游丝10—起转动。在盘状游丝10外面最好设置有保护套12，该保护套12同轴 设置在固定座19的外端头，起保护作用；其中盘状游丝10的内心端是与芯轴4连接，外圈 端是与轴套13连接，当盘状游丝10自身转动时，可以带动着芯轴4 一起动，所以轴套13是 固定游丝的，保护套12是起保护作用的。反射镜6与滤光片5平行设置在固定座19的内 壁上；准直器7与反射镜6同轴，设置在固定座19的U型壁上且与反射镜6分居于滤光片 5的两侧，光讯号从准直器7输出，再经反射后从准直器7返回。不同的湿度，游丝的转角不同，带动滤光片5转角不同，使光经滤光片5后的光强 不同，从而探测器测到光强不同，显示实时的湿度值。当湿度变化时，盘状游丝10进行收缩 从而自身转动，带动了滤光片5 —起转动，因为滤光片5在垂直光路方向上的光吸收密度是 呈由高向低线性分布，所以光讯号通过滤光片10不同位置时，光强度因滤光片吸收不同而 造成衰减值随之变化，准直器7通过滤光片5后进行被反射镜6反射，最后再由自身返回。 所以光束通过滤光片不同位置，对光强的衰减呈线性的变化。参见图3，光发射接收单元3包括光源14、隔离器15、光耦合器16、探测器19、光源 检测器17 ；光源14的输出端连接隔离器15的输入端；光耦合器16的输入端分别与隔离器 15的输出端以及探测器的输入端相连；光耦合器16的输出端分别与光源检测器17及准直 器7相连。光源14发出光经过光隔离器15后再经过光耦合器16分成两路，一路接光源检 测器17，作为光源14的参考光讯号，作用为修正光源输出光强的不稳定导致的测试结果误 差，另一路与准直器7连接，反射光进入准直器7后，经光耦合器16再分成两路输出，一路 返回光源端，光隔离器15将回光隔离，以保护光源14的稳定，另一路与光探测器18相连。 返回的光强经过光电转换单元后变成电信号，并进行光电转换系统处理后就显示对应的湿 度值。
权利要求一种基于渐变式滤光片的光纤传感器，其特征在于包括用于敏感物理量的转动式敏感元件、将转动式敏感元件的芯轴转动角度转换为对应光信号的光学模块、向光学模块提供光信号并接收其输出光信号的光发射接收单元、将光发射接收单元接收的光信号转换为相应电信号的光电转换单元；所述光学模块包括与转动式敏感元件的芯轴同轴固连的圆形渐变式滤光片、分别设置在渐变式滤光片两侧相对位置的全反射镜和准直器，所述准直器通过光纤与光发射接收单元相连。
2.根据权利要求1所述的基于渐变式滤光片的光纤传感器，其特征在于所述光学模块还包括密封腔体，所述转动式敏感元件的芯轴穿过密封腔体的一端面， 所述转动式敏感元件设置在密封腔体外侧，所述圆形渐变式滤光片、全反射镜、准直器设置 在密封腔体内侧，所述光纤穿过密封腔体的另一端面。
3.根据权利要求1或2所述的基于渐变式滤光片的光纤传感器，其特征在于所述光 发射接收单元包括光源、隔离器、光耦合器、探测器、光源检测器；所述光源的输出端连接隔 离器的输入端；所述光耦合器的输入端分别与隔离器的输出端以及探测器的输入端相连； 所述光耦合器的输出端分别与光源检测器及准直器相连。
4.根据权利要求3所述的基于渐变式滤光片的光纤传感器，其特征在于所述转动式 敏感元件为基于盘状游丝的敏感元件，所述盘状游丝的外端部与轴套固定，其内端部与芯 轴固连。
5.根据权利要求4所述的基于渐变式滤光片的光纤传感器，其特征在于所述盘状游 丝外面设置有保护套；所述保护套固定在密封腔上。
6.根据权利要求5所述的基于渐变式滤光片的光纤传感器，其特征在于所述盘状游 丝为单面涂有聚酰亚胺膜的弹性铜皮。
7.根据权利要求6所述的基于渐变式滤光片的光纤传感器，其特征在于所述聚酰亚 胺膜的厚度是0. 1-0. 2mm。
专利摘要本实用新型所涉及的一种基于渐变式滤光片的光纤传感器，包括用于敏感物理量的转动式敏感元件、将转动式敏感元件的芯轴转动角度转换为对应光信号的光学模块、向光学模块提供光信号并接收其输出光信号的光发射接收单元、将光发射接收单元接收的光信号转换为相应电信号的光电转换单元；因不同的湿度下游丝的转角不同，带动滤光片转角不同，使光经滤光片后的光强不同，从而探测器测到光强不同，可以实时检测，且具有着高精度，低成本，结构简单等特点，而且本实用新型涉及的传感器封装工艺简单，操作方便，易保证批量化生产时高一致性，适于工业应用，且具有高的可靠性，高重复性，安装简便等特点。
文档编号G01D5/30GK201697639SQ20102022412
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月12日 优先权日2010年6月12日
发明者付灵莉, 刘钊, 姚胜利, 孙博, 张红菊, 李宝奇, 杨向辉, 米磊, 贺正权, 赵燕, 韩笑路 申请人:飞秒光电科技(西安)有限公司