[发明专利]光纤位移传感器及其构成的强度调制型传感器系统以及系统的应用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤位移传感器，具体地说，是涉及一种光纤位移传感器及基于该光纤位移传感器的强度调制型传感器系统以及系统的应用方法。

背景技术

强度调制型光纤位移传感器是目前应用最广泛的一种光纤位移传感器，其工作原理是，利用被测量的扰动改变光纤中光信号的强度，通过测量输出光强的变化规律实现对被测量的测量，由于环境参数变化扰动与光强损耗存在较好的线性关系，强度调制型光纤位移传感器的性能比较稳定，灵敏度和测量精确度都比较高。

根据光信号的不同传输方式，强度调制型光纤位移传感器可分为透射式、反射式和光纤弯曲式等，但是，由于强度调制型光纤位移传感器的理论模型还不够系统化，且传感器的测量结果取决于射入光强的变化特性、传感光纤的耦合损耗、传输损耗、光电器件的耦合损耗等综合因素，外加传统强度调制型光纤位移传感器是通过两个被测量的差值得出测量结果的，因此测量精确度有限且分辨率很难达到0.1nm量级。

光纤位移传感器是强度调制型光纤位移传感器的典型代表，对于多模透射式光纤位移传感器，其耦合系数与轴间距的关系为：

     （1）

其中，N是光纤纤芯折射率与包层折射率的比值，r是光纤纤芯半径，x是轴间距。

根据公式（1）计算，多模透射式光纤位移传感器的耦合系数与轴间距具有较好的线性关系，如图5所示。

通过计算可以得知，在射入光强度为0dBm、多模纤芯半径r＝1×10^-4m的情况下，当耦合系数达到-80dB量级时，即位移x与纤芯半径r之比接近1.9999时，输出光强已达到pW量级的变化量，我们称x/r大于1.9999并小于2的取值区间为传统强度调制型光纤位移传感器的不敏感区域或传感极限值区域。由于传感器的结构、工作方式和检测方法的局限性，在该传感极限值区域内，传统的光纤位移传感器已不敏感或接近传感的极限值，因此，在该不敏感区域或传感极限值区域内，传统的强度调制型光纤位移传感器基本无法使用或者处于量程之外。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤位移传感器及其构成的强度调制型传感器系统以及系统的应用方法，解决现有技术中存在的传统强度调制型光纤位移传感器在不敏感区域内基本无法使用的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

光纤位移传感器，包括固定光纤，与固定光纤相对应的移动光纤，且该固定光纤和移动光纤均由包层和嵌于包层内部的纤芯组成，所述固定光纤和移动光纤之间设有隔光板，该隔光板上设置有用于使光源从固定光纤的纤芯透射入移动光纤的纤芯的透光孔。

具体地说，所述隔光板为两块，且分别设置于固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上。

进一步地，所述固定光纤和移动光纤相邻的两个横截面上分别设置有透镜，而两块隔光板则分别设置于两块透镜上相邻的两个横截面上。

以上述光纤位移传感器为基础，本发明提供了以下一种强度调制型传感器系统：

方案一

由光纤位移传感器构成的强度调制型传感器系统，包括光源、系统控制和信息处理模块，还包括与光源相对应的光纤位移传感器，位于该光纤位移传感器与光源之间的隔离器，以及与该光纤位移传感器相连的光子计数器或pW功率计，该光子计数器或pW功率计的输出端与所述系统控制和信息处理模块相连。

方案二

由光纤位移传感器构成的强度调制型传感器系统，包括光源、系统控制和信息处理模块，还包括与光源相对应的光纤位移传感器，位于该光纤位移传感器与光源之间的隔离器，以及设置于该光纤位移传感器的输出端用于将输出光源分为两束的分束器，该分束器的输出端分别通过pW功率计和光子计数器与系统控制和信息处理模块相连。

以上述硬件系统为基础，本发明提供了一种由光纤位移传感器构成的强度调制型传感器系统的应用方法，包括以下步骤：

（1）设置固定光纤及与其对应的移动光纤；

（2）在固定光纤与移动光纤之间设置使二者无光源传输通道的带有透光孔的隔光板；

（3）移动移动光纤，使固定光纤的纤芯、移动光纤的纤芯和隔光板上的透光孔形成光源传输的极限区域；

（4）光源通过隔离器后，从所述光源传输的极限区域穿过，输出光信号； 

（5）使用高精度测量仪器对该光信号的大小进行直接测量，之后由系统控制和信息处理模块对测量结果进行处理，得出移动光纤的位移量。