[发明专利]模式度量型光纤传感器

说明书

技术领域

本发明涉及广泛用于诸如声传感器或振动传感器的物理传感器、病人监护传感器、入侵检测系统等的模式度量型(modalmetric)光纤传感器。

背景技术

模式度量型光纤传感器或模域传感器基于测量多模(MM)光纤的散斑图案输出的变化。当相干光入射到标准的MM光纤时，激发大量模式，这些模式将沿着光纤传播。在光纤的输出端，各模式的干涉产生被称为散斑图案的图案。能够引起模式的相位、偏振以及分布中任何一个的变化的对光纤的任何干扰将引起散斑图案的变化。通过测量该变化，可以检测到诸如振动或应变等对光纤的物理扰动。因此，模式度量型传感器是封装在一根光纤内的多光束干涉仪，其中每个光束可以由其中一种传播的模式表示。

使用模式度量效应检测扰动通常包括通过仅采样或查询整个散斑图案的一部分来检测散斑图案的变化。这可以通过使用仅检测散斑图案的一部分的物理限制装置或通过使用CCD(电荷耦合器件)检测器以便电子地采样所需区域或散斑图案子区域来完成。这是因为如果在对MM光纤扰动的过程中分析整个散斑图案，则将检测到可以忽略的能量强度的变化。

现有技术

在文献中描述了大量模式度量型传感器的构造。其中大部分是光入射到传感的多模光纤并且查询多模光纤输出端的散斑图案的透射式构造。其他构造是单端式的，其中光经由单模(SM)光纤入射到MM光纤，从MM光纤的第二端部的镜反射端反射，并且在MM光纤的第一端部查询散斑图案。查询手段可以不同并且包括下述中之一：使用单模光纤观察散斑图案的至少一部分、使用传统的空间滤波器、或使用CCD(电荷耦合器件)照相机仅处理散斑图案的一部分。这种传感器通常具有激光光源和耦合器，该耦合器将来自激光光源的光耦合到单模光纤的引入端，该单模光纤与传感的多模光纤熔接。

在一种反射式配置中，多模光纤可具有镜反射端，该镜反射端将光反射回耦合器，之后到信号处理部分，以检测散斑图案的变化。当光从激光光源通过耦合器和单模光纤进而入射到MM光纤时，基本上将激发许多纤芯导模(core-guided mode)以及一些包层导模(cladding-guided mode)。假设任何包层导模经过几十米后迅速衰减。光将从MM光纤的远侧的镜反射端面反射，然后返回到MM光纤的输入端，在该处存在由在光纤中的此点所存在的所有模式的干涉形成的散斑图案。

在该反射式配置中，将光入射到MM光纤的同一单模光纤也可充当返回光的接收器。由于相对于多模光纤而言单模光纤具有相对较小的纤芯尺寸，SM光纤仅将有效地看到散斑图案的非常中央的部分，因此该单模光纤也充当空间滤波器。来自散斑图案的该中央部分的能量然后经由耦合器而被检测器接收到。

将散斑图案的任何变化或重新分布检测为强度的变化。由于SM光纤仅支持单一模式，因此SM光纤也可充当传感系统的不灵敏引入端。作为双向器件的耦合器允许分别同时向传感器光纤传输光及从传感器光纤接收光。

当MM光纤被振动扰动时，由于整个散斑图案中的总能量不显示或显示可以忽略的变化，因此优选空间滤波。通过仅监测整个散斑图案的一部分，在检测器处将容易地将散斑位置的变化检测为强度的变化。然后可对该信号进行处理以判断并测量是否存在扰动。使用这种方法，可以将MM光纤用作入侵检测系统中的传感器。

之前已针对模式度量型传感器介绍了大量空间滤波或限制技术，诸如由Lovely提出的在SM光纤与MM光纤之间使用定制的间隔装置(US5,144,689)、由Spillman提出的使用CCD检测器(US 7,189,958)、由Tapanes提出的使用SM至MM熔接头(澳大利亚专利No.688113)以及由Fuhr等人提出的使用更加基本的自由空间空间滤波器。本发明能够通过提供灵敏度提高的光纤到光纤连接来实现空间滤波。

发明内容

本发明可提供一种模式度量型光纤传感器，包括：

多模传感器光纤；

光源，其将光射入到多模光纤以在多模传感器光纤的端部产生光的多模散斑图案；

单模光纤，其端部与多模传感器光纤的端部连接以接收来自多模散斑图案的光；以及

检测器，其与单模光纤连接以检测从多模散斑图案接收到的光；

其中，多模光纤与单模光纤的端部的端面相互成锐角地设置。

多模光纤的端面可垂直于多模光纤的轴向，并且单模光纤的端面可相对于单模光纤的轴向的垂直方向倾斜所述锐角。

可替代地，单模光纤的端面可垂直于单模光纤的轴向，并且多模光纤的端面可相对于多模光纤的轴向的垂直方向倾斜所述锐角。