專利名稱：用于光纖過程層析成像系統(tǒng)的具有空間光路的傳感器單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于層析成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及光纖過程層析成像技術(shù)中的傳感器單元設(shè)計(jì)。
目前，層析成像技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療與工業(yè)上，不同種類的層析成像技術(shù)一般是由不同種類的傳感器構(gòu)成的。其種類主要包括X-射線、γ-射線、中子、離子、正電子、微波、超聲波、電容、電阻、電磁感應(yīng)以及光學(xué)等層析成像技術(shù)。
光纖層析成像(OFT)技術(shù)是以光纖傳感器(OFS)為核心探測元件的新型層析成像技術(shù)，光纖傳感探頭通過傳輸光纖與分布在遠(yuǎn)方的光源及光探測器等分立光學(xué)元件相連，光源陣列發(fā)出的光通過被測物體或流體后，被分布于測量截面中的OFS陣列接收，攜帶被測信息的光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和信號處理后成為原始的投影數(shù)據(jù)，進(jìn)一步經(jīng)過圖像重建算法處理后，被測參量就可以重建圖像的形式表現(xiàn)出來。
OFS的使用使光纖層析成像技術(shù)具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)其一、體積小，可以應(yīng)用于較小的或不規(guī)則的空間中。
其二、由于光對媒質(zhì)的分布以及衰減特性非常敏感，即使在濃度很低的情況下都能保持較高的靈敏度，可以用于濃度較低的二相流或多相流的測量中。
其三、由于光纖或光纜的使用，攜帶相關(guān)信息的光信號可通過光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場的傳感器中，信號處理也可以在遠(yuǎn)端進(jìn)行，這使得光纖層析成像技術(shù)可以將應(yīng)用環(huán)境中不利的影響(如高溫，高壓以及腐蝕性的環(huán)境)降低到很小。
其六、現(xiàn)場測量不帶電，比較安全。
其七、由于光纖傳感器具有高的響應(yīng)速度和寬的動(dòng)態(tài)范圍，利用分布在不同地點(diǎn)的光纖層析成像系統(tǒng)可以建立光纖測量網(wǎng)絡(luò)。
光纖層析成像技術(shù)主要包括光纖相干層析成像技術(shù)和光纖過程層析成像技術(shù)。光纖相干層析成像技術(shù)是一門將光纖干涉技術(shù)和共焦掃描顯微技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)，在醫(yī)療診斷以及生物組織的研究中受到了廣泛的重視。光纖過程層析成像技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)過程監(jiān)測與控制領(lǐng)域，如對二相流或多相流中各組分的含量，分布及流速進(jìn)行測量等。
目前，光纖過程層析成像技術(shù)還在實(shí)驗(yàn)室的研究階段，已有的光纖過程層析成像技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，光源以及探測器的陣列組成的傳感單元一般分布于被研究截面的周圍，光線只能在該截面中傳輸，但在實(shí)際的工程應(yīng)用中，往往需要測量特殊空間中的媒質(zhì)的情況，已有的傳感單元不再適用。
本實(shí)用新型提出一種用于光纖過程層析成像系統(tǒng)中具有空間光路的傳感單元，由多個(gè)光源、傳輸光纖及多個(gè)探測器組成，其特征在于，還包括一具有中空結(jié)構(gòu)的傳感臂及一直角棱鏡反射體，所說的傳輸光纖置于該傳感臂之中，所說的光源、探測器陣列設(shè)置在該傳感臂的一端，所說的直角棱鏡反射體設(shè)置在該傳感臂的另一端，該棱鏡的直角底面與被測平面平行，其斜面為反射面，斜面與底面所成的銳角為θ0，該傳感臂的軸線與棱鏡斜面法線的夾角為(π/2-θ0)。
所說的傳感單元還包括與所說的傳感臂的另一端相連的棱鏡封裝體，該封裝體由相互連通，其縱向剖面形成(3π/2-2θ0)夾角的上、下兩矩形殼體構(gòu)成，該上殼體的頂面固定所說的傳輸光纖端口，該下殼體的底面放置所說的直角棱鏡。
本實(shí)用新型的工作原理為傳感單元的光源發(fā)出的光束經(jīng)耦合從傳輸光纖的一端口進(jìn)入，經(jīng)傳感臂引導(dǎo)從固定在棱鏡封裝體上殼體的傳輸光纖的另一端口射向棱鏡，經(jīng)棱鏡反射進(jìn)入被測平面由其它傳感單元的探測器接收；同理，該傳感單元的探測器通過棱鏡也接收其它傳感單元發(fā)出的光束。傳感單元形成的空間光路如

圖1所示，圖中，傳感單元的直角棱鏡底面11與反射斜面12夾角為θ0，底面11與被測平面X平行，法線13與X的夾角β為(π/2-θ0)。被測平面X內(nèi)的光線14經(jīng)斜面12反射后沿空間反射平面X′行進(jìn)，X′與法線13夾角也為β，即與X的夾角為2β。
本實(shí)用新型具有如下特點(diǎn)(1)本實(shí)用新型的傳感單元由于棱鏡的反射作用，具有空間光路結(jié)構(gòu)，使傳感單元的主要部件不需設(shè)置在被測平面內(nèi)。
(2)由于光纖器件及探頭很小，因此即使需要反射數(shù)條光線，被測截面處的傳感單元體積也可以做到很小，體積大的光學(xué)器件，如激光器、光探測器等以及光電轉(zhuǎn)換及信號處理電路都可以在遠(yuǎn)端放置，中間通過傳輸光纖相連，由于光纖的傳輸帶寬大，損耗低，還可以組成測量網(wǎng)絡(luò)。
(3)設(shè)計(jì)簡單、機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、成本低。
(4)適用范圍廣，易于實(shí)用化。
圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為利用本實(shí)施例構(gòu)成的光纖過程層析成像應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為圖3中被測圓形截面的像素分配及平面光路結(jié)構(gòu)示意圖。
利用本實(shí)施例的傳感單元構(gòu)成一個(gè)光纖過程層析成像系統(tǒng)，可應(yīng)用于井下原油油、氣、水多相流的測量。該系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中，8個(gè)上述的傳感單元的傳感臂20均勻分布在一中心支撐結(jié)構(gòu)30中心支撐結(jié)構(gòu)是光纖層析成像系統(tǒng)的機(jī)械支撐體，其中心為管狀結(jié)構(gòu)，可以放置電機(jī)、控制電路、電線電纜以及光纖光纜等系統(tǒng)硬件31，其兩端有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械與電路接口，便于與其它傳感器系統(tǒng)相連接。
傳感臂20與中心支撐結(jié)構(gòu)通過轉(zhuǎn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)相連接，以便控制傳感臂的移動(dòng)和精確定位，保證其中的直角棱鏡在所需測量的位置張開以及各個(gè)棱鏡之間光路的準(zhǔn)直。傳輸光纜封裝在傳感臂中，其作用是傳輸遠(yuǎn)端光源發(fā)出的入射光以及將攜帶媒質(zhì)信息的出射光信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的光電信號處理單元中。
被測圓形截面32中的像素分配及平面光路結(jié)構(gòu)如圖4所示8個(gè)相對獨(dú)立的空間反射器200均勻分布于圓形截面32的最外圓周。
每一個(gè)空間反射器都向順時(shí)針方向依次相鄰的三個(gè)空間反射器發(fā)光，并且接收來自于逆時(shí)針方向依次相鄰的三個(gè)空間反射器發(fā)出的光。
為了便于圖像的重建，根據(jù)光線所在位置的不同，可分為三類光線外層光線47、中層光線48、內(nèi)層光線49。圓形截面沿半徑方向等分為4層，即中心圓面410放置系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，44-46為測量區(qū)域，以中心圓面面積的1/4將被測區(qū)域劃分為六十個(gè)像素單元40。
權(quán)利要求1.一種用于光纖過程層析成像系統(tǒng)中具有空間光路的傳感單元，由多個(gè)光源、傳輸光纖及多個(gè)探測器組成，其特征在于，還包括一具有中空結(jié)構(gòu)的傳感臂及一直角棱鏡反射體，所說的傳輸光纖置于該傳感臂之中，所說的光源、探測器陣列設(shè)置在該傳感臂的一端，所說的直角棱鏡反射體設(shè)置在該傳感臂的另一端，該棱鏡的直角底面與被測平面平行，其斜面為反射面，斜面與底面所成的銳角為θ0，該傳感臂的軸線與棱鏡斜面法線的夾角為(π/2-θ0)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于光纖過程層析成像系統(tǒng)中具有空間光路的傳感單元，其特征在于所說的傳感單元還包括與所說的傳感臂的另一端相連的棱鏡封裝體，該封裝體由相互連通，其縱向剖面形成(3π/2-2θ0)夾角的上、下兩矩形殼體構(gòu)成，該上殼體的頂面固定所說的傳輸光纖端口，該下殼體的底面放置所說的直角棱鏡。
專利摘要本實(shí)用新型屬于過程層析成像技術(shù)領(lǐng)域。用于光纖過程層析成像系統(tǒng)的具有空間光路的傳感器單元，由多個(gè)光源、傳輸光纖及多個(gè)探測器陣列組成，其特征在于，還包括一具有中空結(jié)構(gòu)的傳感臂及一直角棱鏡反射體，所說的傳輸光纖置于該傳感臂之中，所說的多個(gè)光源、多個(gè)探測器陣列設(shè)置在該傳感臂的一端，所說的直角棱鏡反射體設(shè)置在該傳感臂的另一端，該棱鏡的直角底面與被測平面平行，其斜面為反射面，斜面與底面夾角為θ
文檔編號G01N21/45GK2539171SQ0223584
公開日2003年3月5日 申請日期2002年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月16日
發(fā)明者廖延彪, 閻春生 申請人:清華大學(xué)