[发明专利]一种光纤传感头和基于该传感头的测量应变、应力和压力的光纤传感系统及方法

权利要求书

1.一种光纤传感头，其特征在于，它包括：基座（3-1）、光纤和薄膜（3-4）；

薄膜（3-4）包裹在光纤外侧，基座（3-1）为圆筒形，该基座（3-1）套固在薄膜（3-4）外表面；

所述光纤包括：光纤纤芯（3-3）和光纤包层（3-2）；光纤包层（3-2）包裹在光纤纤芯（3-3）的外侧；

在光纤上开有三棱柱形的空气通道（3-5），该空气通道（3-5）的截面为等腰直角三角形，且该直角三角形的斜边所在平面与光纤轴的夹角为45度，该直角三角形的直角边的边长等于光纤纤芯（3-3）的直径；该空气通道（3-5）的长度等于光纤的直径，与该空气通道（3-5）对应的基座（3-1）的内壁上开有材料槽，且该材料槽与光纤纤芯（3-3）相对应，该材料槽的宽度等于光纤纤芯（3-3）的直径，该材料槽内填充有反射材料（3-6）。

2.根据权利要求1所述的一种光纤传感头，其特征在于，所述基座（3-1）的材料为钢。

3.根据权利要求1所述的一种光纤传感头，其特征在于，所述光纤为单模光纤。

4.根据权利要求1所述的一种光纤传感头，其特征在于，所述光纤为多模光纤。

5.根据权利要求1所述的一种光纤传感头，其特征在于，所述薄膜（3-4）为厚度均匀的有机薄膜。

6.根据权利要求1所述的一种光纤传感头，其特征在于，反射材料（3-6）的材料与光纤纤芯（3-3）的材料相同。

7.一种测量应变、应力和压力的光纤传感系统，其特征在于，它包括：光源（1）、3dB耦合器（2）、光纤传感头（3）、光谱仪（4）和信号处理模块（5）；

光源（1）发出的光经3dB耦合器（2）传输至光纤传感头（3）中，光纤传感头（3）将该光反射到3dB耦合器（2）中，3dB耦合器（2）将光纤传感头（3）反射的光传输到光谱仪（4）中，该光谱仪（4）的光谱信号输出端连接信号处理模块（5）的光谱信号输入端；

所述信号处理模块（5）包括以下单元：

获得光纤传感头（3）不受外力时，光纤包层（3-2）与薄膜（3-4）构成的FP腔的腔长L的单元；

获得光纤传感头（3）受外力时，光纤包层（3-2）与薄膜（3-4）构成的FP腔的腔长L,的单元；

获得光纤包层（3-2）与薄膜（3-4）构成的FP腔的腔长变化值△L的单元；

根据FP腔的腔长L和FP腔的腔长变化值△L，获得应变ε的单元；

根据FP腔的腔长L和FP腔的腔长变化值△L，获得施加在光纤传感头（3）上的压力F的单元；

根据FP腔的腔长变化值△L，获得应力△P的单元；

所述光纤传感头（3）包括：基座（3-1）、光纤和薄膜（3-4）；

薄膜（3-4）包裹在光纤外侧，基座（3-1）为圆筒形，该基座（3-1）套固在薄膜（3-4）外表面；

所述光纤包括：光纤纤芯（3-3）和光纤包层（3-2）；光纤包层（3-2）包裹在光纤纤芯（3-3）的外侧；

在光纤上开有三棱柱形的空气通道（3-5），该空气通道（3-5）的截面为等腰直角三角形，且该直角三角形的斜边所在平面与光纤轴的夹角为45度，该直角三角形的直角边的边长等于光纤纤芯（3-3）的直径；该空气通道（3-5）的长度等于光纤的直径，与该空气通道（3-5）对应的基座（3-1）的内壁上开有材料槽，且该材料槽与光纤纤芯（3-3）相对应，该材料槽的宽度等于光纤纤芯（3-3）的直径，该材料槽内填充有反射材料（3-6）。

8.根据权利要求7所述的一种测量应变、应力和压力的光纤传感系统，其特征在于，所述光源（1）为高斯光源。

9.一种测量应变、应力和压力的方法，其特征在于，该方法是基于下述装置实现的，

所述装置包括：光源（1）、3dB耦合器（2）、光纤传感头（3）和光谱仪（4）；

光源（1）发出的光经3dB耦合器（2）传输至光纤传感头（3）中，光纤传感头（3）将该光反射到3dB耦合器（2）中，3dB耦合器（2）将光纤传感头（3）反射的光传输到光谱仪（4）中；

所述光纤传感头（3）包括：基座（3-1）、光纤和薄膜（3-4）；

薄膜（3-4）包裹在光纤外侧，基座（3-1）为圆筒形，该基座（3-1）套固在薄膜（3-4）外表面；

所述光纤包括：光纤纤芯（3-3）和光纤包层（3-2）；光纤包层（3-2）包裹在光纤纤芯（3-3）的外侧；

在光纤上开有三棱柱形的空气通道（3-5），该空气通道（3-5）的截面为等腰直角三角形，且该直角三角形的斜边所在平面与光纤轴的夹角为45度，该直角三角形的直角边的边长等于光纤纤芯（3-3）的直径；该空气通道（3-5）的长度等于光纤的直径，与该空气通道（3-5）对应的基座（3-1）的内壁上开有材料槽，且该材料槽与光纤纤芯（3-3）相对应，该材料槽的宽度等于光纤纤芯（3-3）的直径，该材料槽内填充有反射材料（3-6）；

基于上述装置的测量应变、应力和压力的方法包括以下步骤：

步骤一：保持光纤传感头（3）不受外力，采集光谱仪（4）中采集到的光谱的相邻的两个波峰分别对应的波长值λ₁和λ₂；然后执行步骤二；

步骤二：利用步骤一获得的相邻的两个波峰分别对应的波长值λ₁和λ₂，获得光纤包层（3-2）与薄膜（3-4）构成的FP腔的腔长值L，

L=λ1λ22n3(λ2-λ1),]]>

其中，n₃为光纤包层（3-2）的折射率，然后执行步骤三；

步骤三：将待测压力F施加在光纤传感头（3）的基座上，采集光谱仪（4）中采集到的变化后的光谱的中相邻的两个波峰分别对应的波长值λ₁,和λ₂,；然后执行步骤四；

步骤四：利用步骤三获得的变化后的光谱的中相邻的两个波峰分别对应的波长值λ₁’和λ₂’获得变化后的FP腔的腔长值L’，

L′=λ1′λ2′2n3(λ2′-λ1′),]]>

然后执行步骤五；

步骤五：利用FP腔的腔长值L和变化后的FP腔的腔长值L’，获得FP腔的腔长变化值△L，

△L=L-L’，

然后同时执行步骤六、步骤七和步骤八；

步骤六：根据FP腔的腔长L和FP腔的腔长变化值△L，获得应变ε，

ε=△L/L；

步骤七：根据FP腔的腔长L和FP腔的腔长变化值△L，获得施加在光纤传感头（3）上的压力F，

F=EA△L/L，

其中，A为受力面积；E为杨氏模量；

步骤八：根据FP腔的腔长变化值△L，获得应力△P，

ΔL=3(1-μ2)r416Ed3ΔP,]]>

其中，μ为薄膜（3-4）的泊松比；r为薄膜（3-4）的半径，d为薄膜（3-4）的厚度。