专利名称：一种消减温度影响的柱体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技术领域，尤其是涉及一种消减温度影响的柱体光纤传 感装置。
背景技术：
除了专门用于测试温度参数的传感器外，温度参数的影响都是传感器走向实际应 用必须考虑的问题之一，而且精度越高的传感器越是重视温度参数的影响。现如今，消减传 感器温度影响的方法很多，大致可分为两类从传感器的结构上来消减温度的影响和从数 据处理上来补偿温度的干扰。其中，后者需要温度传感器来补偿，若被补偿的传感器一致性 较差那就需要分别标定补偿，实际操作起来很麻烦；而前者需要适宜且精巧的结构补偿，因 而使传感器结构上趋于复杂，但在后续数据处理时较简单。综上，上述两种消减传感器温度 影响的方法各有千秋，在实际使用中都有大量的应用，选择哪种方法主要与使用的条件和 传感器的类型密切相关。光纤传感器相对于传统传感器具有诸多优点，其中精度高是其主要优点之一，如 现有的锯齿平板式光纤微弯传感器，其可探测的两个锯齿板之间距离变化的精度在0.1纳 米级别上，则不需要的膨胀系数势必会影响测试结果，因而温度补偿就是需重点考虑的问 题之一。如图1所示，在光纤光栅传感器中，桥式温度补偿是一种典型的常用方法之一，基 板二 2和基板三3均采用膨胀系数为α 2的材料制成，基板一 1采用膨胀系数为α 的材料 制成，基板二 2和基板三3并排设置且二者分别通过固定支点一 11固定于基板一 1上，光纤 光栅9的两端通过固定支点二 12分别固定在基板二 2和基板三3上，实际使用过程中要使 光纤光栅9的长度在温度变化时保持不变，则需满足公式α工X L1X Δ T- α 2 X (L2+L3) X Δ T =0(1-1)，式(1-1)中1^2和L3分别为基板二 2和基板三3的长度，Δ T为变化的温度量山 为基板一 1的长度；对式(1-1)进行简单变换得α 2 = α义[L1/(L2+L3) ] (1_2)，则基板二 2和基板三3的膨胀系数α 2与基板一 1的膨胀系数α 满足(1-2)式时，可基本消减光纤 光栅9受温度的影响。实际使用过程中，基板二 2和基板三3也可以选用不同膨胀系数的 材料，这样只是使公式(1-1)和(1-2)略微复杂一点，其温度补偿原理是一样的。

实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种消减 温度影响的柱体光纤传感装置，其结构简单、设计合理、加工制作方便、成本低且使用方式 灵活、灵敏度高、使用效果好，能有效消除或减少温度对测量精度的影响，具有广阔的市场 应用前景。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是一种消减温度影响的柱体 光纤传感装置，其特征在于包括供信号光纤穿过的曲线形测试通道、与信号光纤相接且对 信号光纤中的光信号功率变化量进行同步测试的测试单元和与测试单元相接且对测试单 元的测试结果进行分析处理的处理单元；所述曲线形测试通道包括在端部所施加外应力F的作用下能发生变形并相应压弯信号光纤的圆柱体、由上至下布设在圆柱体外侧壁或内侧 壁上的曲线形缝隙以及分别布设在曲线形缝隙内部相对两侧且能随温度变化发生伸缩变 形的多组A侧变形齿和多组B侧变形齿，每一组A侧变形齿均包括一个A侧变形齿或并排 布设的多个A侧变形齿，每一组B侧变形齿均包括一个B侧变形齿或并排布设的多个B侧 变形齿，多组A侧变形齿和多组B侧变形齿之间呈交错布设且二者的头部间形成供一个或 多个信号光纤穿过的曲线形通道，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在信号光纤两侧；所述 曲线形缝隙包括上安装节段、下安装节段以及能随温度变化发生伸缩变形且变形量与A侧 变形齿和B侧变形齿在高度上的变形量相抵消的柱体外侧壁节段，所述A侧变形齿和B侧 变形齿分别安装在上安装节段和下安装节段上，上安装节段布设在下安装节段上方且二者 间通过柱体外侧壁节段进行连接。上述一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征是所述A侧变形齿和B侧变 形齿的外部均设置有一层或多层伸缩变形层。上述一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征是所述信号光纤的外部设 置有一层或多层伸缩变形层。上述一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征是所述曲线形缝隙为矩形 缝，上安装节段布设在下安装节段的正上方。上述一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征是所述曲线形缝隙整体呈 螺旋状布设。上述一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征是所述信号光纤的一端设 置有光反射装置。上述一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征是所述信号光纤为外部包 有多层光纤保护层的光纤。上述一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征是多组所述A侧变形齿中 相邻两组A侧变形齿之间的间距自曲线形缝隙一端至另一端逐渐增大或逐渐减小，多组所 述B侧变形齿中相邻两组B侧变形齿之间的间距自曲线形缝隙一端至另一端逐渐增大或逐 渐减小。本实用新型与现有技术相比具有以下优点1、结构简单、设计合理且加工制作方便、加工制作成本低。2、使用操作简便且测试精度高，可以有效降低环境温度对光纤传感器的影响，使 该柱体光纤传感装置使用更方便，成本更低。3、适用范围广，在消减温度影响的基础上，还可以实现监测多种气体、液体、磁场、 电场等参数的变化，扩展了该光纤传感装置的使用范围。4、经济及社会效益显著，实用价值高，可以低成本的构建传感器网络，不需要每个 传感器附近都设置一个温度传感器来补偿温度的变化，满足实际工程的需要。综上所述，本实用新型结构简单、设计合理、加工制作方便、成本低且使用方式灵 活、灵敏度高、使用效果好，能有效消除或减少温度对测量精度的影响，具有广阔的市场应 用前景。下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
图1为现有带桥式温度补偿的光纤光栅传感器的结构示意图。图2为本实用新型第一具体实施方式
的结构示意图。图3为图2的A-A剖视图。图4为本实用新型第二具体实施方式
的内部结构示意图。图5为本实用新型第三具体实施方式
的内部结构示意图。附图标记说明1-基板一；4-曲线形缝隙；5-测试单元；8-延长光纤；11-固定支点一；21-上安装节段；
具体实施方式
实施例1如图2、图3所示的一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，包括供信号光纤6穿 过的曲线形测试通道、与信号光纤6相接且对信号光纤6中的光信号功率变化量进行同步 测试的测试单元5和与测试单元5相接且对测试单元5的测试结果进行分析处理的处理单 元7。所述曲线形测试通道包括在端部所施加外应力F的作用下能发生变形并相应压弯信 号光纤6的圆柱体10、由上至下布设在圆柱体10外侧壁或内侧壁上的曲线形缝隙4以及分 别布设在曲线形缝隙4内部相对两侧且能随温度变化发生伸缩变形的多组A侧变形齿4-1 和多组B侧变形齿4-2，每一组A侧变形齿4-1均包括一个A侧变形齿4-1或并排布设的多 个A侧变形齿4-1，每一组B侧变形齿4-2均包括一个B侧变形齿4-2或并排布设的多个B 侧变形齿4-2，多组A侧变形齿4-1和多组B侧变形齿4-2之间呈交错布设且二者的头部间 形成供一个或多个信号光纤6穿过的曲线形通道，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2对应 布设在信号光纤6两侧。本实施例中，每一组A侧变形齿4-1均包括一个A侧变形齿4-1， 且每一组B侧变形齿4-2均包括一个B侧变形齿4-2，相应地，多组A侧变形齿4_1和多组 B侧变形齿4-2的头部间形成供一个信号光纤6穿过的曲线形通道。所述信号光纤6具体 通过延长光纤8与测试单元5相接，所述测试单元5为分别与信号光纤6的前后端部相接 的光源和光功率计。所述曲线形缝隙4包括上安装节段21、下安装节段22以及能随温度变化发生伸 缩变形且变形量与A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2在高度上的变形量相抵消的柱体外侧 壁节段23，所述A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2分别安装在上安装节段21和下安装节 段22上，上安装节段21布设在下安装节段22上方且二者间通过柱体外侧壁节段23进行 连接，上安装节段21和下安装节段22的长度相同。本实施例中，所述曲线形缝隙4为矩形 缝，上安装节段21布设在下安装节段22的正上方。所述曲线形缝隙4整体呈螺旋状布设。实际使用过程中，在外应力F的作用下，当圆柱体10两端的相对位置变化时，布设 在圆柱体10上的曲线形缝隙4两端的位置也随之变化，相应布设在曲线形缝隙4内部的多
2_基板二； 4-1-A侧变形齿； 6-信号光纤； 9_光纤光栅； 12-固定支点二 ； 22-下安装节段；
3-基板三；
4-2-B侧变形齿； 7-处理单元； 10-圆柱体； 15-伸缩变形层； 23-柱体外侧壁节段。组A侧变形齿4-1和多组B侧变形齿4-2之间的位置也会相应发生改变，且在温度影响下， 柱体外侧壁节段23随温度变化膨胀或收缩的长度与A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2在 高度上的变形量相互消减。实际使用过程中，为实现柱体外侧壁节段23随温度变化膨胀或收缩的长度与A 侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2在高度上的变形量相互消减，则所述曲线形测试通道中 圆柱体10、A侧变形齿4-1、B侧变形齿4-2和信号光纤6的膨胀系数满足公式WttXL 柱 ΧΝΧΔΤ-α 齿 X (L1S+L2S) XNX ΔΤ-α 纤 X d纤 XNX Δ T = 0，式中α 柱为圆柱体 10 所 用材料的膨胀系数，Ltt为柱体外侧壁节段23的长度，α齿为A侧变形齿4-1和B侧变形齿 4-2所用材料的膨胀系数，Lis和L2tt分别为A侧变形齿4-1和B侧变形齿4_2的高度，N为 信号光纤6的层数，α纟〒为信号光纤6所用材料的膨胀系数，为信号光纤6的直径，Δ T 为温度变化量。可以看出，当圆柱体10、A侧变形齿4-1、B侧变形齿4-2和信号光纤6满 足上式时，本实用新型在一定的温度变化范围内不受温度变化的影响或者能较大程度上消 减温度变化的影响，即补偿了温度的变化对测试结果的影响。同时，在对测试结果的精度要 求不是很高情况下，也可以去掉光纤部分的膨胀系数计算项。本实施例中，所述A侧变形齿 4-1和B侧变形齿4-2均由能随温度变化发生伸缩变形的热变形材料制成。所述信号光纤 6的外部设置有一层或多层由能随温度变化发生伸缩变形的热变形材料制成的伸缩变形层 15。具体而言当去掉光纤部分的膨胀系数计算项时，所述曲线形测试通道中圆柱体 10、Α侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2的膨胀系数满足公式α柱XL柱XNX Δ T- α s X (L1 S+L2S)XNXAT = 0。这样，在基本消减了温度影响情况下，在外界物理量(具体为外应力F)的作用下 改变圆柱体10两端的间距时，就同时改变布设在圆柱体10上曲线形缝隙4内部的多个A 侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2之间的距离，拉伸或压缩圆柱体10的两端并使圆柱体 10整体伸长或缩短，就可以同时使布设在圆柱体10上曲线形缝隙4内部的多个A侧变形 齿4-1和多个B侧变形齿4-2相反运动或相对运动，并相应使A侧变形齿4-1和B侧变形 齿4-2间的距离拉大或缩小，从而就可以改变在A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2间所夹 的信号光纤6的弯曲半径，也即改变信号光纤6的弯曲损耗系数，从而改变了信号光纤6内 传输的光信号的衰减大小，通过测试单元5检测到该光信号功率的变化并将该变化传递给 处理单元7进行分析处理后，便可得到消减温度影响条件下的作用在圆柱体10上的物理量 的大小。实际使用过程中，本实用新型还可以采用另一种检测方式，即圆柱体10的两端位 置不变，此时所述A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2均由磁致伸缩材料、电致伸缩材料或能 吸收被监测对象并相应发生伸缩变形的材料制成。另外，也可以在所述A侧变形齿4-1和B 侧变形齿4-2的外部均设置有一层或多层由磁致伸缩材料、电致伸缩材料或能吸收被监测 对象并相应发生伸缩变形的材料制成的伸缩变形层15。同时，所述信号光纤6的外部设置 有一层或多层由磁致伸缩材料、电致伸缩材料或能吸收被监测对象并相应发生伸缩变形的 材料制成的伸缩变形层15。采用此时检测方式进行检测时，当外界被监测物理量(即监测对象，具体为磁信 号、电信号或能被吸收的物质等)的变化导致A侧变形齿4-1、B侧变形齿4-2和信号光纤6的体积发生伸缩变形或导致伸缩变形层发生伸缩变形时，相应使A侧变形齿4-1和B侧变 形齿4-2的高度发生变化，并使A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2间的距离拉大或缩小，从 而就可以改变在A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2间所夹的信号光纤6的弯曲半径，也即 改变信号光纤6的弯曲损耗系数，从而改变了信号光纤6内传输的光信号的衰减大小，通过 测试单元5检测到该光信号功率的变化并将该变化传递给处理单元7进行分析处理后，便 可得到消减温度影响条件下的被监测物理量的大小。如采用本实用新型探测空气中的氢气浓度时，则所述A侧变形齿4-1和B侧变形 齿4-2均由能吸收氢气并相应发生伸缩变形的金属钯或钯合金材料制成，也可以在A侧变 形齿4-1和B侧变形齿4-2的外侧均涂覆一层或多层由能吸收氢气并相应发生伸缩变形的 金属钯或钯合金材料制成的伸缩变形层15。实际使用过程中，氢气进入布设在圆柱体10上 的曲线形缝隙4内部，当氢气浓度发生改变时，金属钯或钯合金材料吸收氢气并随着氢气 浓度的变化体积变大或变小，从而导致A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2间的距离拉大或缩 小，从而就可以改变在二者的变形齿间夹有的信号光纤6的弯曲半径，也即改变信号光纤6 的弯曲损耗系数，从而改变了信号光纤6内传输的光信号的衰减大小，通过测试单元5检测 到该光信号功率的变化并将该变化传递给处理单元7进行分析处理，即可得到得到消减温 度影响情况下空气中氢气的浓度变化量。同理，信号光纤6外侧镀覆一层或多层由能吸收氢气并相应发生伸缩变形的金属 钯或钯合金材料制成的伸缩变形层15时，在氢气浓度变化时导致该伸缩变形层15的体积 变化时，也能得到使曲线形缝隙4内部所分布多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2 之间的距离发生改变的同等效果，从而达到监测物理量的目的。本实施例中，所述信号光纤6的一端设置有光反射装置。所述光反射装置可以是 光反射镜或光纤光栅等。所述光反射装置的作用是使信号光纤6内部传输的光信号可以两 次通过所述曲线形测试通道的传感部位，从而使测试精度提高一倍。实际加工制作时，多组所述A侧变形齿4-1中相邻两组A侧变形齿4-1之间的间 距自曲线形缝隙4 一端至另一端逐渐增大或逐渐减小，多组所述B侧变形齿4-2中相邻两 组B侧变形齿4-2之间的间距自曲线形缝隙4 一端至另一端逐渐增大或逐渐减小。多组所 述A侧变形齿4-1与多组所述B侧变形齿4-2的齿高和齿形的弯曲曲率均自所述外部壳体 一端至另一端逐渐增大或逐渐减小。本实施例中，所述信号光纤6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6也可以是塑 料光纤、细径光纤(如裸光纤外径60或80微米的光纤)或光子晶体光纤。实施例2如图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是每一组A侧变形齿4-1均包括并 排布设的两个A侧变形齿4-1，每一组B侧变形齿4-2均包括并排布设的两个B侧变形齿 4-2，相应地，多组A侧变形齿4-1和多组B侧变形齿4-2的头部间形成供两个信号光纤6穿 过的曲线形通道，从而达到能同时监测两项物理量变化的目的。实际使用过程中，也可以根 据实际监测需要，对每一组A侧变形齿4-1中所包括A侧变形齿4-1的数量和每一组B侧 变形齿4-2中所包括B侧变形齿4-2的数量进行相应调整。本实施例中，其余部分的结构、 连接关系和工作原理均与实施例1相同。实施例3[0048]如图5所示，本实施例中，与实施例1不同的是所述A侧变形齿4-1和B侧变形 齿4-2的外侧均涂覆有一个伸缩变形层15，且该伸缩变形层15为金属钯或钯合金层，用于 监测氢气浓度的变化，当伸缩变形层15的体积随着氢气浓度的变化而变化后，使曲线形缝 隙4内部所布设的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2间的距离改变，从而就可以改变在A 侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2间所夹信号光纤6的弯曲半径，也即改变信号光纤6的弯 曲损耗系数，从而改变了信号光纤6内传输的光信号的衰减大小，通过测试单元5检测到该 光信号功率的变化并将该变化传递给处理单元7进行分析处理，即可得到氢气浓度的变化 量。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。同时，也可以在A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2的外侧镀覆两层或两层以上的 伸缩变形层15来监测。如镀覆两层伸缩变形层15时，且两个伸缩变形层15分别为用于监 测甲烷气体含量的变形层一和起催化作用的变形层二。如监测煤矿井下的甲烷气体含量 时，在A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2的表面上均镀覆一层体积易变化的高分子材料层 (如聚乙烯)作为变形层一，然后再在变形层一上在蒸镀一层钼膜作为变形层二，当空气中 有甲烷分子时，甲烷进入曲线形缝隙4内部，在钼膜的催化作用下氧化放热使变形层一的 高分子材料层受热膨胀，从而使多组A侧变形齿4-1和多组B侧变形齿4-2之间的距离改 变，从而就可以改变在A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2之间的信号光纤6的弯曲半径，也 即改变信号光纤6的弯曲损耗系数，从而改变了信号光纤6内传输的光信号的衰减大小，通 过测试单元5检测到该光信号功率的变化并将该变化传递给处理单元7进行分析处理，即 可得到甲烷气体浓度的变化量。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根 据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍 属于本实用新型技术方案的保护范围内。
8
权利要求1.一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征在于包括供信号光纤(6)穿过的 曲线形测试通道、与信号光纤(6)相接且对信号光纤(6)中的光信号功率变化量进行同步 测试的测试单元( 和与测试单元( 相接且对测试单元(5)的测试结果进行分析处理的 处理单元(7)；所述曲线形测试通道包括在端部所施加外应力F的作用下能发生变形并相 应压弯信号光纤(6)的圆柱体(10)、由上至下布设在圆柱体(10)外侧壁或内侧壁上的曲线 形缝隙(4)以及分别布设在曲线形缝隙(4)内部相对两侧且能随温度变化发生伸缩变形的 多组A侧变形齿(4-1)和多组B侧变形齿G-2)，每一组A侧变形齿(4-1)均包括一个A侧 变形齿G-1)或并排布设的多个A侧变形齿G-1)，每一组B侧变形齿(4- 均包括一个B 侧变形齿(4- 或并排布设的多个B侧变形齿G-2)，多组A侧变形齿(4-1)和多组B侧变 形齿(4- 之间呈交错布设且二者的头部间形成供一个或多个信号光纤(6)穿过的曲线形 通道，A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4- 对应布设在信号光纤(6)两侧；所述曲线形缝 隙(4)包括上安装节段、下安装节段0 以及能随温度变化发生伸缩变形且变形量与 A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4- 在高度上的变形量相抵消的柱体外侧壁节段(23)，所 述A侧变形齿和B侧变形齿(4-2)分别安装在上安装节段和下安装节段02) 上，上安装节段布设在下安装节段0 上方且二者间通过柱体外侧壁节段进行 连接。
2.按照权利要求1所述的一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征在于所述A 侧变形齿和B侧变形齿G-2)的外部均设置有一层或多层伸缩变形层(15)。
3.按照权利要求1或2所述的一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征在于 所述信号光纤(6)的外部设置有一层或多层伸缩变形层(15)。
4.按照权利要求1或2所述的一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征在于 所述曲线形缝隙(4)为矩形缝，上安装节段布设在下安装节段02)的正上方。
5.按照权利要求1或2所述的一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征在于 所述曲线形缝隙(4)整体呈螺旋状布设。
6.按照权利要求1或2所述的一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征在于 所述信号光纤(6)的一端设置有光反射装置。
7.按照权利要求1或2所述的一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征在于 所述信号光纤(6)为外部包有多层光纤保护层的光纤。
8.按照权利要求1或2所述的一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，其特征在于 多组所述A侧变形齿G-1)中相邻两组A侧变形齿(4-1)之间的间距自曲线形缝隙(4) 一 端至另一端逐渐增大或逐渐减小，多组所述B侧变形齿G-2)中相邻两组B侧变形齿(4-2) 之间的间距自曲线形缝隙(4) 一端至另一端逐渐增大或逐渐减小。
专利摘要本实用新型公开了一种消减温度影响的柱体光纤传感装置，包括供信号光纤穿过的曲线形测试通道、与信号光纤相接的测试单元和与测试单元相接的处理单元；曲线形测试通道包括圆柱体、由上至下布设在圆柱体外侧壁或内侧壁上的曲线形缝隙以及分别布设在曲线形缝隙内部相对两侧的多组A侧变形齿和多组B侧变形齿，A侧变形齿和B侧变形齿交错布设且二者头部间形成供信号光纤穿过的曲线形通道；曲线形缝隙包括上安装节段、下安装节段以及变形量与A侧变形齿和B侧变形齿高度上的变形量相抵消的柱体外侧壁节段。本实用新型结构简单、设计合理、制作方便、成本低且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，能有效消除或减少温度对测量精度的影响。
文档编号G01D5/353GK201858983SQ20102055627
公开日2011年6月8日 申请日期2010年10月11日 优先权日2010年10月11日
发明者杜兵 申请人:西安金和光学科技有限公司