專利名稱：高雙折射光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于物理量的測量及傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
利用高雙折射材料作敏感元件可以構(gòu)成對某些物理量探測的傳感器，例如溫度傳感器、應(yīng)力傳感器等。其原理是利用高雙折射材料兩正交模的傳播常數(shù)隨外界因素(溫度、應(yīng)力等)變化而變化的特性，測量偏振光通過處于溫度、應(yīng)力、變化場中的高雙折射材料后偏振態(tài)的變化即可計算出相應(yīng)的溫度變化或應(yīng)力的變化值。
已報導(dǎo)的一種高雙折射光纖傳感器，其構(gòu)成如

圖1所示，主要由一根高雙折射光纖構(gòu)成測溫敏感元件1，還包括光源2發(fā)出的光經(jīng)聚焦元件3聚焦后通過起偏器4變成偏振光耦合進(jìn)入高雙折射光纖1，出射后經(jīng)檢偏器5再由聚焦元件6聚焦后由光探測器7接收。該高雙折射光纖傳感器的不足之處是無法確定所測溫度或應(yīng)力變化的方向，只能測出其變化的數(shù)值，因此還不能滿足實用的要求。
本實用新型的目的在于克服已有技術(shù)的不足之處，設(shè)計出一種新型高雙折射溫度／力傳感器，使其不但能測出被測量的變化值，而且還能判斷變化的方向。
本實用新型所述的高雙折射溫度／力傳感器，由單色光源、聚焦元件、起偏器、高雙折射元件、檢偏器、光探測器所組成，其特征在于在高雙折射元件的光束出射端設(shè)置一分光元件，將光束分成兩路，其中一光路設(shè)置有檢偏器，另一光路設(shè)置有1／4波片、檢偏器，上述兩路光分別經(jīng)兩個光探測器接收后同時送入一信號檢測單元進(jìn)行處理顯示。
本實用新型的工作原理簡述如下單色光源發(fā)射出一束光經(jīng)聚焦后通過起偏器變成偏振光，耦合進(jìn)入高雙折射元件，該雙折射元件置于被測環(huán)境中，該光束從高雙折射元件輸出端射出，經(jīng)分光元件分為二束光，其中一光路中設(shè)有1／4波片，使兩光路之間產(chǎn)生一個90°的相位差。同時檢測出兩路光信號則不但可求出溫度／力的變化值，而且根據(jù)一路光信號相位超前還是落后于另一路光信號，判斷出溫度或力的變化方向。
本實用新型所述的高雙折射元件可采用高雙折射晶體，或高雙折射光纖，利用光纖的可撓性，可構(gòu)成不同形狀的傳感頭以測量不同空間范圍的值。單色光源的光波長還應(yīng)與高雙折射元件的響應(yīng)頻率相匹配。單色光源最好采用激光光源，以提高效率。
本實用新型可用于儲油罐、煤氣罐及化學(xué)反應(yīng)罐內(nèi)大空間范圍平均溫度的測量也可應(yīng)用于其他液態(tài)、氣態(tài)局部環(huán)境中的溫度測量。
附圖簡要說明圖1為已有的高雙折射光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2為本實用新型實施例光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。
圖3為本實用新型實施例光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。
本實用新型提供兩種實施例，具體描述如下實施例1為高雙折射光纖溫度傳感器，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。由激光器21發(fā)出的單色光經(jīng)透鏡220成平行光，平行光通過起偏器23后再經(jīng)透鏡221會聚到高雙折射光纖24，該光纖置于被測溫度環(huán)境中。從光纖射出的光經(jīng)透鏡222準(zhǔn)直后，由11分束鏡25分成兩束，一束(測量光)通過檢偏器261后經(jīng)透鏡223由光探測器271接收，另一束(參考光)通過1／4波片28和檢偏器262后經(jīng)透鏡224由光探器272接收。兩路信號同時送到信號檢測單元28進(jìn)行處理顯示。這些偏振元件的取向如下起偏器23，檢偏器261和高雙折射光纖特征軸之間夾角為45°。檢偏器261和262取向一致，1／4波片28和檢偏器262之間取向為45°。
如果沒有分束鏡25，即采取單光路(由光纖輸出的光通過檢偏器261進(jìn)入光探測器271)，檢測時，輸出光強(qiáng)是由高雙折射光纖產(chǎn)生的相位差
的周期變化函數(shù)，而且當(dāng)起偏器23與檢偏器261，高雙折射光纖的特征軸之間嚴(yán)格成45°時，可得調(diào)制度最佳的信號，當(dāng)高雙折射光纖所處的環(huán)境溫度改變時，由此產(chǎn)生的雙折射相位差
也隨之發(fā)生變化，記錄光強(qiáng)變化的周期即可得知溫度的變化值。但這時由于輸出的光信號都是周期變化，無法區(qū)別溫度變化的方向，即無法區(qū)別升溫、降溫。
若用本實施例雙光路輸出結(jié)構(gòu)，在參考光路中插入一塊1／4波長片。使兩光路之間保持一固定相位差，則可以兩光路(測量光路和參數(shù)光路)的相對相位變化，區(qū)別溫度／力變化的方向。
本實施例測溫時采用英國York公司HB600高雙折光纖，光纖長約10米。光源用波長為0.63米的氦氖激光，測得靈敏度為0.081℃／周期，即輸出光強(qiáng)每變化一個周期，相應(yīng)于溫度改變0.081℃，此值隨溫度場中光纖長度和光纖種類而變。當(dāng)此高雙折射光纖置于力場中時，則可根據(jù)輸出光強(qiáng)的變化測量力的變化。
實施例2為雙折射式光纖溫度傳感器采用雙折射晶體作為測溫元件，用光纖作為傳輸元件，其余部分(光源和雙光路光檢測部分)與實施例1(高雙折射光纖溫度傳感器)相同。具體結(jié)構(gòu)如圖3。由激光器31發(fā)出的單色光經(jīng)透鏡321成平行光，平行光通過起偏器331后再經(jīng)透鏡322會聚到輸入光纖341，經(jīng)過光纖341的光送入由透鏡323，324及一塊測溫元件35(雙折射晶片)組成的測溫探頭，其中由透鏡323變成平行光，通過測溫元件－－雙折射晶片35后，再由透鏡324聚入輸出光纖342，從光纖342輸出的偏振光，經(jīng)透鏡325變成平行光后由分束鏡36分成兩束，一束測量光經(jīng)檢偏器332、透鏡326入射到光探測器371，另一路經(jīng)1／4波片333和檢偏器334、透鏡327入射到光探測器372，雙路信號同時送到信號檢測單元38進(jìn)行處理顯示。這些偏振元件的取向如下起偏器331、檢偏器332和雙折射的晶片特征軸之間夾角為45°，檢偏器332和334取向一致，1／4波片333和檢偏器334之間取向為45°。為使傳輸過程中偏振態(tài)保持不變，輸入和輸出光纖341、342需用保偏光纖(即高雙折射光纖，其中輸入光纖341特征方向的取向和起偏器331相同，輸出光纖342的特征方向的取向和檢偏器332相同。加入有1／4波長片的參考光路后，此溫度傳感器則有區(qū)別溫度變化方向的功能，原理同實施例1。
本實施例采用石英晶片為測溫雙折射晶片，光源用波長為0.6328微米的氦氖激光。晶片厚為20.0mm時，測得靈敏度為36℃／周期，即輸出光強(qiáng)每變化一個周期，相應(yīng)于溫度改變36℃。此值隨溫度場中晶片厚度和晶片種類而變。
實施例1適用于對較大范圍內(nèi)的平均溫度／力的測量，實施例2適用于對較小區(qū)域的溫度測量。
權(quán)利要求1.一種高雙折射溫度/力傳感器，由單色光源、聚焦元件、起偏器、高雙折射元件、檢偏器、光探測器所組成，其特征在于在高雙折射元件的光束出射端設(shè)置一分光元件，將光束分成兩路，其中一光路設(shè)置有檢偏器，另一光路設(shè)置有1/4波片、檢偏器，上述兩路光分別經(jīng)兩個光探測器接收后同時送入一信號檢測單元進(jìn)行處理顯示。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所說的高雙折射元件為高雙折射光纖。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所說的高雙折射元件為高雙折射晶體。
專利摘要本實用新型屬于光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域。本裝置由單色光源、聚焦元件、起偏器、高雙折射元件、檢偏器、光探測器所組成。其特點是在高雙折射元件出射端設(shè)置分光元件，其中一光路設(shè)有檢偏器，另一光路設(shè)有1/4波片、檢偏器，兩路光分別經(jīng)兩光探測器接收后同時送入一信號檢測單元。本裝置既能檢測被測量的變化，還能判斷其變化方向。可用于儲油罐、煤氣罐、化學(xué)反應(yīng)罐內(nèi)及其他液態(tài)、氣態(tài)環(huán)境中的溫度測量。
文檔編號G01J5/58GK2172863SQ93243228
公開日1994年7月27日 申請日期1993年10月29日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月29日
發(fā)明者廖延彪, 賴淑蓉, 段春杰, 趙華鳳 申請人:清華大學(xué)