[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

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感系统领域。

背景技术

传统的基于FP腔（Fabry-Perot腔，法布里珀罗腔）的光纤应力传感头，其FP腔普遍分布在沿光纤纤芯方向，例如，在两根单模光纤中间加入空心光纤，将空心光纤部分作为FP腔；或者是在光纤的尾端镀一层有机薄膜，将有机薄膜作为FP腔；或者在光纤尾端附近制备微通道，将微通道作为FP腔。对于诸如上述的结构，测应力的方法是，只能从纤芯的轴向施加应力，然而如果施加应力较大时，会造成光纤弯曲变形，这样光谱仪接收到的信号不能准确反映其受力情况，严重时会出现光纤断裂的情况。因此这上述结构对于应变和压力的测量范围遇到了很大的瓶颈。

发明内容

本发明是为了解决现有光纤应力传感头只能从纤芯的轴向施加应力，光纤容易变形，从而导致测量范围小的问题，现提供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。

一种光纤传感头，它包括：基座、光纤和薄膜；

薄膜包裹在光纤外侧，基座为圆筒形，该基座套固在薄膜外表面；

所述光纤包括：光纤纤芯和光纤包层；光纤包层包裹在光纤纤芯的外侧；

在光纤上开有三棱柱形的空气通道，该空气通道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的直径；该空气通道的长度等于光纤的直径，与该空气通道对应的基座的内壁上开有材料槽，且该材料槽与光纤纤芯相对应，该材料槽的宽度等于光纤纤芯的直径，该材料槽内填充有反射材料。

一种测量应变、应力和压力的光纤传感系统，它包括：光源、3dB耦合器、光纤传感头、光谱仪和信号处理模块；

光源发出的光经3dB耦合器传输至光纤传感头中，光纤传感头将该光反射到3dB耦合器中，3dB耦合器将光纤传感头反射的光传输到光谱仪中，该光谱仪的光谱信号输出端连接信号处理模块的光谱信号输入端；

所述信号处理模块包括以下单元：

获得光纤传感头不受外力时，光纤包层与薄膜构成的FP腔的腔长L的单元；

获得光纤传感头受外力时，光纤包层与薄膜构成的FP腔的腔长L,的单元；

获得光纤包层与薄膜构成的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；

所述光纤传感头包括：基座、光纤和薄膜；

薄膜包裹在光纤外侧，基座为圆筒形，该基座套固在薄膜外表面；

所述光纤包括：光纤纤芯和光纤包层；光纤包层包裹在光纤纤芯的外侧；

在光纤上开有三棱柱形的空气通道，该空气通道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的直径；该空气通道的长度等于光纤的直径，与该空气通道对应的基座的内壁上开有材料槽，且该材料槽与光纤纤芯相对应，该材料槽的宽度等于光纤纤芯的直径，该材料槽内填充有反射材料。

一种测量应变、应力和压力的方法，该方法是基于下述装置实现的，

所述装置包括：光源、3dB耦合器、光纤传感头和光谱仪；

光源发出的光经3dB耦合器传输至光纤传感头中，光纤传感头将该光反射到3dB耦合器中，3dB耦合器将光纤传感头反射的光传输到光谱仪中；

所述光纤传感头包括：基座、光纤和薄膜；

薄膜包裹在光纤外侧，基座为圆筒形，该基座套固在薄膜外表面；

所述光纤包括：光纤纤芯和光纤包层；光纤包层包裹在光纤纤芯的外侧；

在光纤上开有三棱柱形的空气通道，该空气通道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的直径；该空气通道的长度等于光纤的直径，与该空气通道对应的基座的内壁上开有材料槽，且该材料槽与光纤纤芯相对应，该材料槽的宽度等于光纤纤芯的直径，该材料槽内填充有反射材料；

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：保持光纤传感头不受外力，采集光谱仪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；