專利名稱:具有反射型光纖傳感器的折射率測試系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明屬于折射率測試系統(tǒng)，特別是應用光纖傳感技術來測量折射率，以及與之相關的其它物理量，如濃度、密度。
已有的折射率測試系統(tǒng)多為利用光的反射、透鏡、偏振特性的光學儀器。新近發(fā)展的光纖傳感系統(tǒng)，現(xiàn)已用于折射率的測試，如在“測量折射率的光纖傳感器”(“Optical fiber srnsor for meauring refractive index”，Japanese J of Applied Physics，Vol 21，No.10，1982，PP 1509-1512)所披露的是利用彎曲的光纖來探測折射率，但它的缺點是靈敏度較差，結構不牢固。
本發(fā)明的目的是應用光纖傳感技術為測量折射率及其它物理量提供一種包括一個結構簡單、牢固的能適應在較大折射率范圍內選擇使用的、高靈敏度的反射型光纖傳感器的折射率測試系統(tǒng)。
按照本發(fā)明的目的，所提供的具有反射型光纖傳感器的折射率測試系統(tǒng)，是由系統(tǒng)部份、反射型光纖傳感器以及連接這兩部份的光纖或電纜所組成。用光纖或電纜進行聯(lián)接則可取決于反射型光纖傳感器的形式，即帶有電器元件的有源的或不帶有電器元件的無源的形式。系統(tǒng)部份的本身又進而包括驅動電源、光源、信號處理裝置和終端設備，信號處理裝置的形式也取決于所選用的反射型光纖傳感器的類型。
按照本發(fā)明的目的，所提供的反射型光纖傳感器具有兩種不同類。
本發(fā)明所提供的一種是無源的反射型光纖傳感器，它由光纖、自聚焦透鏡、棱鏡、底板和管殼所組成。光纖、自聚焦透鏡和棱鏡固定在底板上，光纖的一端與光源對接，另一端與自聚焦透鏡對接，自聚焦透鏡再與棱鏡相接，使入射光通過光纖和自聚焦透鏡后能以平行光或接近平行光束入射到棱鏡與被測媒質所構成的反射界面上，經(jīng)該界面反射后，其反射光束可以以兩種方式進行接收和探測，一種是棱鏡的反射光出射面上裝有對反射光束聚焦的自聚焦透鏡，該自聚焦透鏡與系統(tǒng)中的探測器之間用光纖連接;另一種是棱鏡的反射光出射面上裝有雙折射棱鏡，使反射光分解為對其在反射角面上的入射面來定義的平行和垂直偏振的兩束光線，在雙折射棱鏡出射面外的適當位置上裝有兩個對兩束光聚焦的自聚焦透鏡，自聚焦透鏡與系統(tǒng)中的探測器之間用光纖連接。由探測器測出的信號處理設備和終端裝置，從而獲得所測物質的折射率，或其它與之相關的物理量，如濃度、密度。
本發(fā)明提供的另一種是有源的反射型光纖傳感器，它與前者的差異之一在于由棱鏡(或雙折射棱鏡)的出射端直接耦合一個光電探測器，從而省去了由棱鏡(或雙折射棱鏡)到光電信號探測器之間的自聚焦透鏡和光纖，由光電探測器輸出的信號經(jīng)前置放大器輸入信號處理設備的其余部份和終端裝置，從而獲得所測物質的折射率或與之相關的物理量，如濃度、密度;第二個差異在于前者光電探測器和前置放大器是在系統(tǒng)部份內，而在此則屬于反射型光纖傳感器的一部份，這樣做的目的在于提高信號強度，提高信噪比、便于遙測。
上述不同形式的反射型光纖傳感器，隨制作和使用條件不同而各有特色，但它們共同的優(yōu)點是，能做得結構簡單，緊湊、牢固體積小，結構形狀適應性大，靈敏度高，既克服了常規(guī)光學儀器的結構復雜龐大，靈活性差的缺點，又克服了現(xiàn)有光纖傳感器的靈敏度低，結構不大牢固的缺點。對用于生產(chǎn)中進行遙測與控制系統(tǒng)結合，實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控，有更大的靈活性和優(yōu)越性。
發(fā)明的具體結構由以下的實施例及其附圖給出。
圖1是具有反射型光纖傳感器的折射率測試系統(tǒng)的方框圖。
圖2是無源的反射型光纖傳感器的內部結構圖。
圖3是無源的反射型光纖傳感器的另一種形式的內部結構圖。
圖4是有源的反射型光纖傳感器的內部結構圖。
圖5是有源的反射型光纖傳感器的另一種形式的內部結構圖。
圖6、7為不同結構形式棱鏡的橫截面圖。
圖1方框圖中，1代表驅動電源，2是光源，3是光纖，4是反射型光纖傳感器，5是光纖或電纜(對第一種方案為光纖，第二種方案為電纜)，6是信號處理設備(對第二種方案不包括光電探測器和前置放大器)，7是終端設備。
圖2為本發(fā)明的反射型光纖傳感器的一個具體實施例。該傳感器是由外殼8、底板9、光纖10、16，自聚焦透鏡11、15，棱鏡12等構成。光纖、自聚焦透鏡和棱鏡按圖示的布置固定在底板上。外殼的一端開有孔14使棱鏡的底面能與被測媒質接觸。外殼的另一端開有孔使光纖引出。將裝好底板的外殼再密封起來。入射光可以從光纖10輸入，通過光纖進入自聚焦透鏡11，被會聚成平行或近平行光束，再入射到棱鏡的底面13上(此底面與被測媒質17構成反射界面)，被反射界面反射的反射光進入自聚焦透鏡15，光束被聚焦后進入光纖16，然后被光纖傳輸?shù)较到y(tǒng)部份，進行探測。媒質17的折射率變化將引起反射光功率的變化，從而由測它反射光功率的強度即可測定媒質的折射率及其它有關物理量。
圖3為本發(fā)明的反射型光纖傳感器的另一種實施例。圖3所示傳感器與圖2所示傳感器不同的是，用雙折射棱鏡22，自聚焦透鏡2425和光纖26、27取代了圖2所示傳感器中的自聚焦透鏡15種光纖16，從棱鏡22出射的反射光被雙折射棱鏡23分解為對棱鏡底面入射光束的入射面來定義的平行和垂直偏振兩光束，兩光束分別由自聚焦透鏡24和25聚焦后，由光纖26和27傳輸至系統(tǒng)部份探測。圖中18是外殼，19是底板，20是光纖，21是自聚焦透鏡，30是被測媒質。
圖4為本發(fā)明的反射型光纖傳感器的第三種實施例。圖4中所示的傳感器與圖2中所示的傳感器不同的是，用光電探測器36，前置放大器37和電纜40取代了圖2中所示傳感器的自聚焦透鏡15和光纖16。從棱鏡35出射的反射光束被光電探測器36檢測，探測器36的輸出信號經(jīng)過前置放大器37后，由電纜40輸入系統(tǒng)進行處理。圖4中31是外殼、32是底板、33是光纖、34是自聚焦透鏡，38是界面即敏感面，39為被測媒質。
圖5為本發(fā)明的反射型光纖傳感器的第四種實施例。圖5所示的傳感器與圖3所示的傳感器不同的是，用探測器47、48、前置放大器49和電纜50取代了圖3中所示傳感器中的自聚焦透鏡24、25和光纖26、27。從雙折射棱鏡45出射的兩束偏振光分別被光電探測器47、48檢測，兩探測器的信號由前置放大器49分別處理后由電纜50輸出至系統(tǒng)部份進行處理。圖5中，41是外殼，42是底板、43是光纖、44是自聚焦透鏡、45是透鏡、51為敏感面、52為被測媒質。
圖6、7示不同形狀棱鏡的橫截面圖，(6)示多次反射平板型棱鏡，(7)示多次反射組合型棱鏡。
光束在棱鏡與被測媒質的界面上反射多次，傳感器的靈敏度可以大大提高，相應地檢測的動態(tài)范圍也擴大。對使用LED光源PIN探測器和能使光束在反射界面上反射兩次的棱鏡的傳感器，即可以探測出被測媒質折射率的10-5的變化。
自聚焦透鏡會聚的平行光束入射到棱鏡與被測媒質相接觸的界面上的入射角略小于其臨界角。這樣，光的反射功率隨此被測媒質的折射率變化很靈敏。
使用圖2和圖4所示的傳感器，當系統(tǒng)需要對光源的發(fā)光功率的不穩(wěn)定性進行補償時，只能從光源引出參考光與通過傳感器后的光信號進行比較，或使用鎖相放大技術和別的方法。而使用圖3和圖5所示的傳感器，則克服了光源不穩(wěn)定性的影響。選用圖2-5中的哪一種傳感器，要根據(jù)使用條件的具體要求來定。
權利要求
1.一個折射率測試系統(tǒng)，它由驅動電源、光源、信號處理設備、終端設備、光纖所組成，本發(fā)明的特征是有一個無源的反射型光纖傳感器，它是由作為敏感元件的棱鏡、自聚焦透鏡、和連接光源與自聚焦透鏡和連接終端設備與自聚焦透鏡的光纖所組成。
2.一個折射率測試系統(tǒng)，它由驅動電源、光源、信號處理設備、終端設備、光纖所組成，本發(fā)明的特征是有一個有源的反射型光纖傳感器，它是由作為敏感元件的棱鏡、自聚焦透鏡、連接光源與自聚焦透鏡的光纖和光電探測設備所組成。
3.按權利要求
1或2所說的折射率測試系統(tǒng)，其特征在于，所說的反射型光纖傳感器至少包括一個自聚焦透鏡，它的一端與棱鏡入射光面相接，另一端通過光纖與測試系統(tǒng)的光源相連接。
4.按權利要求
1所說的折射率測試系統(tǒng)，其特征在于，所說的光纖傳感器至少有一個自聚焦透鏡，它的一端與光纖相連接，另一端置于棱鏡出射光的出射面上。
5.按權利要求
1所說的折射率測試系統(tǒng)，其特征在于，所說的棱鏡是裝置在入射光自聚焦透鏡的出射光面和出射光自聚焦透鏡的入射光面之間。
6.按權利要求
2所說的折射率測試系統(tǒng)，其特征在于，所說的棱鏡是裝置在入射光自聚焦透鏡的出射光面和光探測器的探測面之間。
7.按權利要求
1或2所說的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖傳感器至少有一個棱鏡。
8.按權利要求
1或2所說的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖傳感器至少有一個雙折射棱鏡。
9.按權利要求
7所說的測試系統(tǒng)，其特征在于，構成所述棱鏡的物質為玻璃。
10.按權利要求
7或8所說的測試系統(tǒng)，其特征在于，構成所說棱鏡的物質為晶體材料。
11.按權利要求
7或8所說的測試系統(tǒng)，其特征在于，其形狀為三角形棱柱。
12.按權利要求
7或8所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，其形狀為梯形棱柱。
13.按權利要求
7或8所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，其形狀為三角形和三角形棱柱構成的多角形棱柱。
14.按權利要求
7或8所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，其形狀為三角形和梯形棱柱組成的多角形棱柱。
15.按權利要求
1或2所說的折射率測試系統(tǒng)，其特征在于，至少有一根光纖，一端置于入射自聚焦透鏡入射光的入射面，另一端伸出光纖傳感器外，與系統(tǒng)的信號處理部份相連。
16.按權利要求
1所說的折射率測試系統(tǒng)，其特征在于，至少有一根光纖與光纖傳感器的出射光面和系統(tǒng)部份的信號處理設備相連接。
專利摘要
一種具有反射型光纖傳感器的折射率測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由反射型光纖傳感器、驅動電源、光源、信號處理設備、終端設備及連接這些部件的光纖或電纜組成。反射型光纖傳感器有無源和有源兩種，其內部結構有多種不同形式。使用本發(fā)明能連續(xù)測量折射率及其相關的物理量，如濃度、密度等。本發(fā)明克服了常規(guī)光學儀器結構復雜龐大、靈活性差的缺點，又克服了現(xiàn)有光纖傳感器的靈敏度低、結構不大牢固的缺點。
文檔編號G01N21/55GK85100867SQ85100867
公開日1986年6月10日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者林為干, 楊淑雯, 鄒景榮, 葉昆琤 申請人:成都電訊工程學院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan