本發(fā)明涉及一種傳感探頭，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

反射式強度調(diào)制型光纖傳感器不僅具有耐腐蝕、抗電磁干擾和靈敏度高等光纖傳感器共有的優(yōu)點，而且具有前端無源、原理簡單、設(shè)計靈活、性能可靠和價格低廉等特點。反射式強度調(diào)制型光纖傳感器能夠?qū)?yīng)變、位移、壓力、振動、溫度以及表面粗糙度等多種物理量進(jìn)行檢測，在光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域占有十分重要的地位。

然而，現(xiàn)有的反射式強度調(diào)制型光纖傳感器仍然存在以下問題：

一、在現(xiàn)有的反射式強度調(diào)制型光纖傳感器用于檢測動態(tài)信號時，其可檢測的信號的動態(tài)范圍小，頻率范圍小，信噪比低，從而導(dǎo)致其動態(tài)輸出特性并不理想；

二、在現(xiàn)有的反射式強度調(diào)制型光纖傳感器用于檢測靜態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)信號時，因其分辨率低而導(dǎo)致檢測結(jié)果的精度低，且其檢測結(jié)果易受光源強度變化和環(huán)境溫度變化的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題是：現(xiàn)有反射式強度調(diào)制型光纖傳感器可檢測的動態(tài)信號的動態(tài)范圍小，頻率范圍小，信噪比低；現(xiàn)有反射式強度調(diào)制型光纖傳感器用于檢測靜態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)信號時，其檢測結(jié)果的精度低，且易受光源強度變化和環(huán)境溫度變化的影響。

本發(fā)明所述的一種光纖傳感探頭包括殼體、壓力敏感膜片1、第一發(fā)射光纖、第二發(fā)射光纖、第一接收光纖和第二接收光纖；

所述殼體的兩端開口，所述壓力敏感膜片1設(shè)置在殼體的一個開口端上；

所述第一發(fā)射光纖的一端為第一發(fā)射端2，所述第一發(fā)射端的纖芯上刻有光纖光柵3，所述第一發(fā)射光纖的另一端通過第一光纖耦合器同時與第一光源和第一光譜儀相連；

所述第二發(fā)射光纖的一端為第二發(fā)射端4，所述第二發(fā)射光纖的另一端通過第二光纖耦合器同時與第二光源和第二光譜儀相連；

所述第一光源和第二光源均為寬帶光源；

所述第一接收光纖的一端和第二接收光纖的一端分別為第一接收端5和第二接收端6，所述第一接收光纖的另一端和第二接收光纖的另一端均與光電探測器相連；

所述第一發(fā)射端2、第二發(fā)射端4、第一接收端5和第二接收端6均經(jīng)過殼體的另一個開口端設(shè)置在殼體的內(nèi)部，所述殼體、壓力敏感膜片1、第一發(fā)射端2、第二發(fā)射端4、第一接收端5和第二接收端6共同構(gòu)成密閉空間；

所述壓力敏感膜片1能夠?qū)⒔?jīng)第一發(fā)射端2出射的光信號反射至第一接收端5和第二接收端6；

入射至第一接收端5的光信號與入射至第二接收端6的光信號正交；

所述殼體的一個開口端的端面為壓力敏感膜片1的初始位置，當(dāng)所述壓力敏感膜片1偏離初始位置時，入射至第一接收端5的光信號與入射至第二接收端6的光信號的功率不相等；

所述第二發(fā)射端4的端面401與壓力敏感膜片1的反射面構(gòu)成法布里-珀羅干涉腔。

本發(fā)明所述的一種光纖傳感探頭，當(dāng)壓力敏感膜片處于初始位置時，入射至第一接收端的光信號與入射至第二接收端的光信號正交，且功率相同。當(dāng)所述光纖傳感探頭用于檢測動態(tài)壓力信號時，所述壓力敏感膜片偏離初始位置，入射至第一接收端的光信號與入射至第二接收端的光信號正交，但功率不同。通過光電探測器將兩個光信號轉(zhuǎn)換為兩個電信號，并對所述兩個電信號進(jìn)行減法運算，能夠得到其差分信號。根據(jù)該差分信號的振幅和頻率，能夠計算出動態(tài)壓力信號的強度和頻率。所述差分信號可以看作是所述兩個光信號的功率的差值，與光信號的功率范圍無關(guān)，因此所述光纖傳感探頭可檢測的動態(tài)信號的動態(tài)范圍大。

所述差分信號由兩個電信號相減得到，在相減的過程中，兩個電信號中的共模信號被抵消掉，因此差分信號具有極高的共模抑制比。在相同情況下，差分信號與單端信號相比，具有更高的信噪比。

所述光纖傳感探頭使用非隔直方案進(jìn)行信號解調(diào)，因此具有非隔直方案可檢測信號的頻率范圍大的特點。其可檢測的信號頻率從0hz開始，直到高頻截止頻率。所述高頻截止頻率由壓力敏感膜片的材質(zhì)特性、外形以及解調(diào)電路共同決定。

所述第一發(fā)射端的纖芯上刻有光纖光柵，所述光纖光柵能夠?qū)⒂傻谝还庠窗l(fā)出的光信號中符合所述光纖光柵布拉格條件的光信號反射至第一光譜儀。所述光纖光柵的反射譜的中心波長對環(huán)境溫度的變化極為敏感，環(huán)境溫度的變化會導(dǎo)致所述光纖光柵的反射譜的中心波長發(fā)生漂移，根據(jù)所述反射譜的中心波長的漂移量能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境溫度變化的檢測。

所述第二發(fā)射端的端面與壓力敏感膜片的反射面構(gòu)成法布里-珀羅干涉腔。所述第二發(fā)射端的端面與壓力敏感膜片的反射面的間距為法布里-珀羅干涉腔的腔長。由第二光源發(fā)出的光信號經(jīng)過第二發(fā)射光纖的傳導(dǎo)，垂直入射至第二發(fā)射端的端面上。一部分光信號被第二發(fā)射端的端面反射，另一部分光信號經(jīng)過第二發(fā)射端的端面的透射，入射至壓力敏感膜片的反射面。被壓力敏感膜片反射的光信號經(jīng)第二發(fā)射端的端面耦合進(jìn)入第二發(fā)射光纖，并與被第二發(fā)射端的端面反射的一部分光信號發(fā)生干涉，形成干涉光信號，該干涉光信號進(jìn)入第二光譜儀。當(dāng)所述光纖傳感探頭用于檢測靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)壓力信號時，所述壓力敏感膜片偏離初始位置，所述法布里-珀羅干涉腔的腔長發(fā)生變化，所述第二光譜儀接收的干涉光信號的光譜發(fā)生變化。根據(jù)該干涉光信號的光譜變化能夠解調(diào)出施加在壓力敏感膜片上的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)壓力值，所得檢測結(jié)果的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有反射式強度調(diào)制型光纖傳感器的檢測結(jié)果，但是所得檢測結(jié)果可能會受到環(huán)境溫度變化的影響。

根據(jù)靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)壓力信號的檢測結(jié)果和環(huán)境溫度變化的檢測結(jié)果，在算法上對通過法布里-珀羅干涉腔測得的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)壓力值進(jìn)行溫度補償，得到最終檢測結(jié)果，能夠進(jìn)一步地提高其壓力測量精度。因上述兩項檢測結(jié)果分別來自于法布里-珀羅干涉腔的干涉光譜和光纖光柵的反射譜中的波長信息，因此所述最終檢測結(jié)果不受光源強度變化的影響。

綜上所述，本發(fā)明所述的一種光纖傳感探頭能夠解決現(xiàn)有反射式強度調(diào)制型光纖傳感器可檢測的動態(tài)信號的動態(tài)范圍小，頻率范圍小，信噪比低；現(xiàn)有反射式強度調(diào)制型光纖傳感器用于檢測靜態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)信號時，其檢測結(jié)果的精度低，且易受光源強度變化和環(huán)境溫度變化的影響的問題。

附圖說明

在下文中將基于實施例并參考附圖來對本發(fā)明所述的一種光纖傳感探頭進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中：

圖1是實施例所述的一種光纖傳感探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是實施例所述的一種光纖傳感探頭內(nèi)部的光路示意圖；

圖3是圖1中i區(qū)域的尺寸圖；

圖4是實施例提及的第一光源的光譜圖；

圖5是實施例提及的光纖光柵的反射譜圖；

圖6是實施例提及的經(jīng)第一發(fā)射端出射的光信號的光譜圖。

在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標(biāo)記。附圖并未按照實際的比例。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明所述的一種光纖傳感探頭作進(jìn)一步說明。

實施例一：下面結(jié)合圖1和圖2詳細(xì)地說明本實施例。本實施例所述的一種光纖傳感探頭包括殼體、壓力敏感膜片1、第一發(fā)射光纖、第二發(fā)射光纖、第一接收光纖和第二接收光纖；

所述殼體的兩端開口，所述壓力敏感膜片1設(shè)置在殼體的一個開口端上；

所述第一發(fā)射光纖的一端為第一發(fā)射端2，所述第一發(fā)射端的纖芯上刻有光纖光柵3，所述第一發(fā)射光纖的另一端通過第一光纖耦合器同時與第一光源和第一光譜儀相連；

所述第二發(fā)射光纖的一端為第二發(fā)射端4，所述第二發(fā)射光纖的另一端通過第二光纖耦合器同時與第二光源和第二光譜儀相連；

所述第一光源和第二光源均為寬帶光源；

所述第一接收光纖的一端和第二接收光纖的一端分別為第一接收端5和第二接收端6，所述第一接收光纖的另一端和第二接收光纖的另一端均與光電探測器相連；

所述第一發(fā)射端2、第二發(fā)射端4、第一接收端5和第二接收端6均經(jīng)過殼體的另一個開口端設(shè)置在殼體的內(nèi)部，所述殼體、壓力敏感膜片1、第一發(fā)射端2、第二發(fā)射端4、第一接收端5和第二接收端6共同構(gòu)成密閉空間；

所述壓力敏感膜片1能夠?qū)⒔?jīng)第一發(fā)射端2出射的光信號反射至第一接收端5和第二接收端6；

入射至第一接收端5的光信號與入射至第二接收端6的光信號正交；

所述殼體的一個開口端的端面為壓力敏感膜片1的初始位置，當(dāng)所述壓力敏感膜片1偏離初始位置時，入射至第一接收端5的光信號與入射至第二接收端6的光信號的功率不相等；

所述第二發(fā)射端4的端面401與壓力敏感膜片1的反射面構(gòu)成法布里-珀羅干涉腔。

所述第一發(fā)射光纖的另一端與第一光纖耦合器的輸出臂相連，第一光源與第一光纖耦合器的輸入臂相連，第一光譜儀與第一光纖耦合器的反射臂相連。所述第二發(fā)射光纖的另一端與第二光纖耦合器的輸出臂相連，第二光源與第二光纖耦合器的輸入臂相連，第二光譜儀與第二光纖耦合器的反射臂相連。

圖2為本實施例所述的一種光纖傳感探頭內(nèi)部的光路示意圖。如圖2所示，壓力敏感膜片的位置隨著其外界動態(tài)壓力的變化而變化。起始狀態(tài)的壓力敏感膜片處于初始位置a。當(dāng)壓力敏感膜片受到正壓力作用時，壓力敏感膜片向下移動，到達(dá)位置b。當(dāng)壓力敏感膜片受到負(fù)壓力作用時，壓力敏感膜片向上移動，到達(dá)位置c。

由第一光源發(fā)出的寬帶光在經(jīng)過光纖光柵3時，所述寬帶光中符合光纖光柵3的布拉格條件的一個窄帶光譜內(nèi)的光功率被反射至第一光譜儀，所述寬帶光中的其余光功率經(jīng)第一發(fā)射端出射。經(jīng)第一發(fā)射端出射的一組光線在第一發(fā)射端的端面與空氣的交界面發(fā)生折射，折射光線按照第一發(fā)射光纖的數(shù)值孔徑呈一定角度發(fā)散至壓力敏感膜片的反射面。被壓力敏感膜片反射的光線中的一部分光線在空氣與第一接收端的端面的交界面發(fā)生折射后，耦合進(jìn)入第一接收光纖。被壓力敏感膜片反射的光線中的另一部分光線在空氣與第二接收端的端面的交界面發(fā)生折射后，耦合進(jìn)入第二接收光纖。

進(jìn)入第一接收光纖的光信號的功率為i1，進(jìn)入第二接收光纖的光信號的功率為i2。當(dāng)壓力敏感膜片處于初始位置a時，被壓力敏感膜片反射的光線的發(fā)散范圍為d，i1等于i2。當(dāng)壓力敏感膜片到達(dá)位置b時，被壓力敏感膜片反射的光線的發(fā)散范圍為e，i1大于i2。當(dāng)壓力敏感膜片到達(dá)位置c時，被壓力敏感膜片反射的光線的發(fā)散范圍為f，i1小于i2。當(dāng)壓力敏感膜片在動態(tài)壓力信號的激勵下偏離初始位置a時，所述光纖傳感探頭能夠輸出兩路正交，且相位相差180度的光信號。

本實施例所述的一種光纖傳感探頭，經(jīng)第一接收光纖和第二接收光纖輸出的光信號可構(gòu)成差分信號，能夠有效地消除雙路光信號中的共模噪聲，解決輸出光信號工作點漂移的問題，具有更高的共模抑制比和信噪比，可測量信號的動態(tài)范圍大，頻率范圍大。

為了獲得最大的信噪比，必須保證雙路光信號中的共模信號的振幅相等。本實施例中的第二發(fā)射端的端面與壓力敏感膜片的反射面構(gòu)成法布里-珀羅干涉腔。由第二光源發(fā)出的光信號經(jīng)過第二發(fā)射光纖的傳導(dǎo)，垂直入射至第二發(fā)射端的端面上。一部分光信號被第二發(fā)射端的端面反射，另一部分光信號經(jīng)過第二發(fā)射端的端面的透射，入射至壓力敏感膜片的反射面。被壓力敏感膜片反射的光信號經(jīng)第二發(fā)射端的端面耦合進(jìn)入第二發(fā)射光纖，并與被第二發(fā)射端的端面反射的一部分光信號發(fā)生干涉，形成干涉光信號，該干涉光信號進(jìn)入第二光譜儀。通過第二光譜儀得到入射的干涉光信號的干涉光譜，根據(jù)該干涉光譜中各個干涉峰的峰值波長，能夠?qū)崿F(xiàn)對法布里-珀羅干涉腔的腔長的精確測量和實時監(jiān)測。在所述光纖傳感探頭的裝配過程中，精確監(jiān)測第二發(fā)射端的端面與壓力敏感膜片的反射面的間距，使第一發(fā)射端、第一接收端和第二接收端在殼體內(nèi)部處于最佳位置，進(jìn)而保證雙路光信號中的共模信號的振幅相等，并且同時實現(xiàn)了所述光纖傳感探頭的精確裝配。

本實施例所述的一種光纖傳感探頭能夠?qū)崿F(xiàn)對靜態(tài)壓力信號和動態(tài)壓力信號的分離測量。

本實施例所述的一種光纖傳感探頭的結(jié)構(gòu)簡單，因可以使用led作為光源而成本低，重復(fù)率高，適合規(guī)?；a(chǎn)。

實施例二：下面結(jié)合圖1詳細(xì)地說明本實施例。本實施例是對實施例一所述的一種光纖傳感探頭作進(jìn)一步的限定。

本實施例所述的一種光纖傳感探頭，所述殼體包括上殼體7和下殼體8，所述殼體的一個開口端和另一個開口端分別位于上殼體7和下殼體8上，所述上殼體7與下殼體8螺紋連接。

在本實施例中，所述殼體為分體式結(jié)構(gòu)，上殼體與下殼體螺紋連接。該分體式的殼體，方便所述光纖傳感探頭的裝配以及后期的維護(hù)與維修。

實施例三：本實施例是對實施例一所述的一種光纖傳感探頭作進(jìn)一步的限定。

本實施例所述的一種光纖傳感探頭，在所述壓力敏感膜片1的反射面上設(shè)置有高反膜，所述高反膜的材質(zhì)為金、銀、鈀或鈦，所述高反膜的厚度為10nm至1000nm。

在本實施例中，通過在壓力敏感膜片的反射面上設(shè)置一層高反膜，增大了壓力敏感膜片的反光能力。

在本實施例中，壓力敏感膜片的材質(zhì)為藍(lán)寶石、硅或氮化硅，由這些材質(zhì)制成的壓力敏感膜片對外界壓力的敏感度高。藍(lán)寶石材質(zhì)的壓力敏感膜片通過mocvd技術(shù)制成，硅或氮化硅材質(zhì)的壓力敏感膜片通過mems技術(shù)制成。

實施例四：下面結(jié)合圖1和圖3詳細(xì)地說明本實施例。本實施例是對實施例一至三所述的一種光纖傳感探頭作進(jìn)一步的限定。

本實施例所述的一種光纖傳感探頭，所述第一發(fā)射端2、第二發(fā)射端4、第一接收端5和第二接收端6依次固定設(shè)置在殼體的內(nèi)部；

所述第一發(fā)射端2的軸線、第二發(fā)射端4的軸線、第一接收端5的軸線和第二接收端6的軸線共平面，所述平面與壓力敏感膜片1垂直；

所述壓力敏感膜片1為圓形，所述壓力敏感膜片1的圓心位于所述平面上；

所述第一發(fā)射端2的端面201、第一接收端5的端面501和第二接收端6的端面601均為斜面，所述第一接收端5的端面501和第二接收端6的端面601位于同一斜面上；

所述第一發(fā)射端2的端面201與所述同一斜面相交，且二者與壓力敏感膜片1的夾角均為銳角θ；

在所述第一發(fā)射端2的軸向上，所述第一發(fā)射端2的端面201的中心點、第一接收端5的端面501的中心點和第二接收端6的端面601的中心點到壓力敏感膜片1的距離分別為h、h1、h2；

在所述第一發(fā)射端2的徑向上，所述第一發(fā)射端2的端面201的中心點到壓力敏感膜片1的軸線的距離為l1，所述第一接收端5的端面501的中心點與第二接收端6的端面601的中心點的連線的中點與壓力敏感膜片1的軸線的距離為l2，所述θ、h、h1、h2、l1、l2滿足以下公式：

其中，neff為第一發(fā)射光纖、第一接收光纖和第二接收光纖的纖芯的有效折射率；

所述第一發(fā)射光纖、第一接收光纖和第二接收光纖的纖芯的有效折射率相同。

在本實施例中，第一發(fā)射端的端面、第一接收端的端面和第二接收端的端面均經(jīng)過光纖研磨工藝加工而成。三者的傾角相等，有利于簡化工藝流程，能夠提高產(chǎn)能。

實施例五：下面結(jié)合圖1詳細(xì)地說明本實施例。本實施例是對實施例四所述的一種光纖傳感探頭作進(jìn)一步的限定。

本實施例所述的一種光纖傳感探頭，所述殼體的內(nèi)部還設(shè)置有單排四孔毛細(xì)石英管9和石英管固定座10，所述單排四孔毛細(xì)石英管9用于固定第一發(fā)射端2、第二發(fā)射端4、第一接收端5和第二接收端6，所述石英管固定座10與殼體的內(nèi)壁螺紋連接，并用于固定單排四孔毛細(xì)石英管9。

在本實施例中，第一發(fā)射端、第二發(fā)射端、第一接收端和第二接收端依次設(shè)置在單排四孔毛細(xì)石英管的四個孔中，并通過粘結(jié)劑固定。所述單排四孔毛細(xì)石英管經(jīng)過殼體的另一個開口端設(shè)置在殼體的內(nèi)部，并通過與殼體內(nèi)部螺紋連接的石英管固定座固定設(shè)置。如此設(shè)計，使得所述光纖傳感探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，具有更好的抗震性能，通過所述光纖傳感探頭得到的檢測結(jié)果也隨之更加準(zhǔn)確。

本實施例中分離設(shè)置的第一發(fā)射光纖、第二發(fā)射光纖、第一接收光纖和第二接收光纖還可以以單排四芯帶狀光纖的形式設(shè)置。

實施例六：本實施例是對實施例四所述的一種光纖傳感探頭作進(jìn)一步的限定。

本實施例所述的一種光纖傳感探頭，在所述第一發(fā)射端2的端面201、第一接收端5的端面501和第二接收端6的端面601上均設(shè)置有增透膜。

在本實施例中，通過在第一發(fā)射端的端面上設(shè)置增透膜，增大了第一發(fā)射端的端面的光透過率。通過在第一接收端的端面和第二接收端的端面設(shè)置增透膜，提高了進(jìn)入第一接收端和第二接收端的光信號的耦合效率。

實施例七：本實施例是對實施例一所述的一種光纖傳感探頭作進(jìn)一步的限定。

本實施例所述的一種光纖傳感探頭，所述第一發(fā)射光纖、第一接收光纖和第二接收光纖均為多模光纖，所述第二發(fā)射光纖為單模光纖，所述多模光纖為塑料光纖、藍(lán)寶石光纖或石英光纖，所述單模光纖為石英光纖。

實施例八：下面結(jié)合圖4至圖6詳細(xì)地說明本實施例。本實施例是對實施例一所述的一種光纖傳感探頭作進(jìn)一步的限定。

本實施例所述的一種光纖傳感探頭，所述光纖光柵3的反射譜的中心波長等于第一光源的中心波長，所述光纖光柵3的反射譜的半峰寬不超過1nm。

如圖4至圖6所示，光纖光柵的反射譜的中心波長等于第一光源的中心波長。

在本實施例中，光纖光柵的反射譜的半峰寬不超過1nm，其有益效果為：反射譜帶寬越窄，其對環(huán)境溫度變化的敏感度越高。反射譜帶寬越窄，反射譜包含的光功率越低，從而保證第一發(fā)射光纖具有足夠的出射光功率。

在本實施例中，所述第一光源和第二光源可以合二為一。設(shè)置一個寬帶光源，該寬帶光源與1×2光纖分光器的輸入端連接，1×2光纖分光器的兩個輸出端分別與第一光纖耦合器的輸入臂和第二光纖耦合器的輸入臂相連。

雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，這些實施例僅僅是本發(fā)明的原理和應(yīng)用的示例。因此應(yīng)該理解的是，可以對示例性的實施例進(jìn)行許多修改，并且可以設(shè)計出其他的布置，只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該理解的是，可以通過不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結(jié)合單獨實施例所描述的特征可以使用在其他所述實施例中。