[发明专利]基于光纤弯曲损耗的弹簧型高精度光纤传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感技术领域的光纤传感器，具体是一种弹簧型多圈的高精度应力参数测试的光纤传感器。

背景技术

现有光纤传感器的种类非常多，主要包括光强度调整型光纤传感器、光纤光栅传感器、光纤干涉传感器等多种类型，后两者的特点是传感灵敏度高，但是实际应用过程中，存在设备复杂、使用运行成本高等缺陷和不足，从而使得光纤传感器的应用推广受到很大限制。尤其是对较高灵敏度的光纤传感器，其会响应使用过程中各种环境条件的改变情形，如光纤干涉传感器，由于其灵敏度很高，但当其应用于实际条件下后，发现温度、气压、振动等环境因素均会对其工作参数造成影响，因而实际使用时，不得不采取多种措施来防止和剔除上述环境因素的影响，从而使得其监测设备的结构越来越趋于复杂，运行使用成本大幅提高。

而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，两者损耗可以根据Marcuse的理论公式计算弯曲损耗大小，其公式如下：

P_OUT＝P_IN exp(-γS)

其中，Pout和Pin分别为输出和输入光功率，γ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γ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，影响衰减器的使用寿命，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γ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衰减器的动态范围和精度的目的。

中国专利87107210提供的方案是以光纤的微弯损耗为主的来实现微弯光纤应力计，但由于其是通过两块平板来实现的，平板的尺寸不可能太大，使可以弯曲的光纤长度受到限制，妨碍了该类光纤衰减器的动态范围和精度的提高。另外两块板相对运动的可调节距离最大只有数百微米，且运动时两块板须保持基本的平行，所以此类衰减器对调节的机械结构有较高的要求，不仅增加了实施成本，同样也限制了该类光纤衰减器的动态范围和精度的提高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于光纤弯曲损耗的弹簧型高精度光纤传感器，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、具有一定的环境抗干扰能力、灵敏度高，使该光纤传感器具有广阔的使用范围；又由于本光纤传感器是基于光纤弯曲损耗基础上测定，而损耗测试是光纤测试中所有干涉法、频率法等其他类测试的基础，也是最成熟、最稳定、成本最低的技术，使本发明的光纤传感器在成本上具有相当大的优势。并可利用时分技术、光时域反射技术(OTDR)及相干频率调制连续波技术(FMCW)可实现准分布式或分布式测量，为本发明的光纤传感器的应用进一步提供了非常广阔的应用前景。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于光纤弯曲损耗的弹簧型高精度光纤传感器，其特征在于：一个由弹簧丝构成的多圈形弹簧型构件，在弹簧丝的上表面和下表面上沿弹簧丝纵向连续布设有多个变形齿，相邻两圈弹簧丝中的上弹簧丝的下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿交错对应，并在上弹簧丝下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿之间夹有信号光纤，弹簧型构件的两端受应力作用时弹簧型构件两端的位置改变，并导致弹簧型构件中有相邻的两圈弹簧丝之间的距离改变，从而使这两圈弹簧丝中的上弹簧丝下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿之间位置改变，从而使夹在两者变形齿间的信号光纤的弯曲曲率改变而导致信号光纤中传输的光信号的功率变化，信号光纤的延伸光纤与测试单元连接。

当弹簧型构件的两端位置变化时，如弹簧型构件在拉应力下伸长、在压应力下缩短，则构成弹簧型构件中的多组相邻的两圈弹簧丝之间的距离拉大或缩小，从而使多组相邻两圈弹簧丝中的上弹簧丝下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿间位置增大或减小，从而使夹在两者变形齿间的信号光纤的弯曲曲率减小或增大而导致信号光纤中传输的光信号的功率增大或减少，信号光纤的延伸光纤与测试单元连接，从而使测试单元探测到光信号功率的变化，测试单元可以是光源和光功率计，也可以选用光时域反射技术(OTDR)及相干频率调制连续波技术(FMCW)来实现准分布式或分布式测量。