一种反射光纤振动测量系统及制备方法与流程

1.本发明涉及振动探测领域，具体涉及一种反射式光纤振动探测器及其制备方法。


背景技术：

2.常见的振动传感器有机械式振动传感器、电学式振动传感器、光学式振动传感器。机械式振动传感器体积较大不方便携带，且测量精度较低，大都依赖于材料形变带动指针摆动指示振动，故寿命一般较短。电学式振动传感器依赖于压电材料的压电效应将振动信息转化为电学信号，再对信号进行分析处理，测量精度较高的电学式振动传感器价格昂贵，且电学式振动传感器不能在强电磁干扰环境下使用。光学式振动传感器基于材料的光学效应，探测灵敏度较高。另外，基于光纤的振动传感器还具有体积小方便携带、抗电磁干扰能力、成本低的优点。但是光学式振动传感器起步较晚，其探测灵敏度、准确度、稳定性还不能满足生产需要。


技术实现要素：

3.为解决以上问题，本发明提供了一种反射式光纤振动探测器及其制备方法，包括固定部、光纤、容器、透明软胶部，透明软胶部和固定部均在容器内部，透明软胶部置于容器底部，固定部置于透明软胶部上方，容器与透明软胶部之间和透明软胶部与固定部之间均紧密接触，固定部内有一纵向贯穿的孔，孔的形状和尺寸与光纤的匹配，光纤穿过孔，插入到透明软胶部内，光纤与固定部粘合固定连接。
4.更进一步地，光纤为单模石英光纤、多模石英光纤、塑料光纤中的一种。
5.更进一步地，光纤插入透明软胶部内的距离为透明软胶部垂直高度的1/10
‑
1/3。
6.更进一步地，容器的材料为非刚性材料。
7.更进一步地，固定部的材料为可固化的粘合剂。
8.更进一步地，透明软胶部和固定部的形状均与容器匹配，透明软胶部和固定部之间有分界平面。
9.更进一步地，纵向贯穿孔的方向与透明软胶部和固定部之间的分界平面垂直。
10.更进一步地，透明软胶部内还掺有贵金属颗粒。
11.更进一步地，光纤伸入所述透明软胶部部分的侧面抛磨掉一定长度的包层。
12.更进一步地，本发明制备方法包括以下步骤：
13.步骤一，裁剪完全相同的两块材料板；
14.步骤二，将步骤一得到的两块材料板相对放置，粘合其底边与两侧边，上边不粘合，制备好容器；
15.步骤三，将透明软胶由上端开口注入步骤二所得容器，同时挤压出透明软胶中的空气，使其与材料板容器壁紧密接触；
16.步骤四，待透明软胶上表面水平，将光纤竖直插入透明软胶，在容器剩余空间内填充可固化的粘合剂，待其固化，振动探测器制备完成。
17.本发明的有益效果：本发明提供了一种反射式光纤振动探测器及其制备方法。本发明包括固定部、光纤、容器、透明软胶部。本发明制备过程简单且制备成本较低。应用时，振源振动使容器形变，进而透明软胶部发生挤压或拉伸，其密度发生变化，折射率也随之发生变化，从而反射激光的强度和波长发生变化，反射激光强度的变化导致反射光谱上峰或谷强度和峰或谷位置的改变，这种改变较为明显，故本发明探测器的灵敏度高。透明软胶材料容易形变，能够准确传递振源的振动，本发明的探测准确度较高。本发明还在透明软胶部掺入贵金属颗粒，贵金属颗粒在光场中产生局域表面等离激元共振，共振波长和强度严格依赖于透明软胶部内贵金属颗粒的分布，贵金属颗粒的分布又与透明软胶的形变相关，进一步提高了反射光谱探测的灵敏度。另外，本发明中振源能够固定在透明软胶部外周的容器器壁外表面上任意位置，这增强了探测器的是适用性。
18.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
19.图1是一种反射式光纤振动探测器的实物图。
20.图2是一种反射式光纤振动探测器及其制备方法的示意图。
21.图3是又一种反射式光纤振动探测器及其制备方法的示意图。
22.图4是又一种反射式光纤振动探测器及其制备方法的示意图。
23.图5是又一种反射式光纤振动探测器及其制备方法的示意图。
24.图中：1、固定部；2、光纤；3、容器；4、透明软胶部；5、贵金属颗粒。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、原理、技术方案和优点更加清晰明白，以下将结合具体实施例，并参照附图对本发明做详细的说明。
26.实施例1
27.本发明提供了一种反射式光纤振动探测器及其制备方法，如图2所示，包括固定部1、光纤2、容器3、透明软胶部4。透明软胶部4的材料为聚酰胺弹性体、聚烯烃弹性体、聚氨酯弹性体、透明起泡胶中的一种；固定部1的材料为可固化的粘合剂材料，具体地，固定部1的材料为紫外胶、硅酮胶、聚氨酯胶中的一种；容器3的材料为非刚性材料，具体地，容器3的材料为pvc软板，pvc软板的原料为聚氯乙烯；透明软胶部4、固定部1、容器3的材料之间不发生化学反应。透明软胶部4和固定部1均在容器3内部，透明软胶部4置于容器3底部，固定部1置于透明软胶部4上方，固定部1置于上方，有利于固定光纤2，容器3与透明软胶部4之间和透明软胶部4与固定部1之间均紧密接触，这样探测器不受空气影响。固定部1内有一纵向贯穿的孔，孔的形状和尺寸与光纤2匹配，以便光纤2穿过该孔，光纤2与固定部1粘合固定连接，防止光纤2晃动。图1为本发明振动探测器的实物图。
28.制备方法如下：首先，裁剪完全相同的两块非刚性材料板；然后，将两块非刚性材料板相对放置，粘合其底边与两侧边，上边不粘合，制备好容器3；再然后，将透明软胶由上端开口注入容器3，注入过程同时挤压出透明软胶中的空气，使其与非刚性材料板容器3的器壁紧密接触；最后，待透明软胶上表面水平，将光纤2竖直插入透明软胶，在容器3剩余空间内填充可固化的粘合剂，待其固化，振动探测器制备完成。
29.应用时，固定部1外部的容器壁粘合固定在固定物上，如支架、墙壁等。振源作用在透明软胶部4外周的容器3器壁外表面上任意位置，优选地，振源作用在容器3的底部，振源与容器3的器壁粘合固定连接，激光器发出的激光经过一光纤环形器进入光纤2，从光纤2的端口射入透明软胶部4，经透明软胶部4反射，激光进入光纤2，再经光纤环形器，由另一个端口连接进入光谱仪，最终进入光电探测器，得到反射光谱。振源作用在容器3上，容器3发生形变，进而透明软胶部4发生形变，而透明软胶部4在空间上被限制，故透明软胶部4会发生挤压或拉伸，这导致其密度发生变化，即对激光的折射率发生变化，从而反射激光的强度和波长发生变化，改变了反射光谱。振动会引起反射光谱的变化，反射激光强度的变化导致反射光谱上峰或谷强度的改变，反射激光波长的变化导致反射光谱上峰或谷位置的变化。透明软胶材料容易形变，对振动的探测准确度较高，本发明依据反射光谱判断振源的振动，光谱探测较为灵敏，故本发明探测器的灵敏度较高。另外，本发明中振源可以作用在透明软胶部4外周的容器3器壁外表面上任意位置，这增强了探测器的是适用性。
30.实施例2
31.在实施例1的基础上，光纤2可以为单模石英光纤、多模石英光纤、塑料光纤中的一种。单模石英光纤包层较厚，容易对其进行改造；多模石英光纤能够传输多种模式的激光，方便收集更多模式的反射激光，提高探测灵敏度；塑料光纤的芯径较大,与光源的耦合效率高,耦合进光纤的光功率大,有利于提高振动探测的范围，另外塑料光纤价格便宜，制造成本较低。使用时可以根据不同需求选择。
32.实施例3
33.在实施例2的基础上，透明软胶部4的体积大于容器3体积的二分之一，优选地，透明软胶部4的体积为容器3体积的三分之二，这样激光在透明软胶部4内能够与更多的透明软胶相互作用。光纤2竖直插入透明软胶部4，且插在透明软胶部4截面的几何中心位置，对应的固定部1中纵向贯穿孔的方向与透明软胶部4和固定部1分界平面垂直，位于固定部1的截面的几何中心，光纤2插入透明软胶部4内的距离为透明软胶部4垂直高度的1/10
‑
1/3，这样在保证装置稳定性的前提下，使得透明软胶部4与反射光的相互作用更充分，提高稳定性与适用性。
34.实施例4
35.在实施例3的基础上，容器3的材料为pvc软板或更柔软的薄膜材料，能够根据待测要求选择合适的容器3材料。容器3的材料为pvc软板，pvc软板的原料为聚氯乙烯，其柔软程度可以根据pvc软板的厚度选择，厚度越小，柔软性越好，优选地，pvc软板的厚度小于0.5mm，这样的柔软性能够满足绝大部分探测需求；容器3的材料为更柔软的薄膜材料，振动时，对振动的衰减作用也较小，柔软薄膜的形变能够更准确地反映振源的振动情况，提高了本发明探测器的准确度。容器3的形状可以为规则形状也可以为不规则形状，优选地，容器3的形状为规则形状，更优选地，容器3的形状为长方体、球体、椭球体中的一种，能够根据探测需要，选择合适的容器3的形状和尺寸，这提高了本发明探测器的适应性。
36.实施例5
37.在实施例4的基础上，如图3所示，在透明软胶部4内设有多个贵金属颗粒5。制备时，将贵金属颗粒5与透明软胶充分混合后再执行后续步骤。掺入贵金属颗粒5后，由于贵金属颗粒具有大的反射率，激光照射在贵金属颗粒5上时，贵金属颗粒5的存在增大了进入光
纤2的反射激光的强度，进而增大了光探测器接收到的光强大小。应用时，透明软胶部4发生的形变不仅改变透明软胶折射率的大小，也改变了贵金属颗粒5的空间位置，这样随着透明软胶部4的形变，激光照射到的贵金属颗粒5的数目不同，从而反射激光的强度的变化增大，即反射光谱上的峰强度变化更大，这有效地提高探测器的灵敏度。同时，贵金属颗粒5在光场作用下，会产生局域表面等离激元共振，在贵金属颗粒5处产生强的电场，反射光谱上会出现对应的谷，谷的位置对应局域表面等离激元共振波长，谷的形状及深度对应局域表面等离激元共振强度；振动时，透明软胶部4的形变改变贵金属颗粒5周围的介质环境，进而改变贵金属颗粒5局域表面等离激元共振的强度和波长，进一步地，透明软胶部4的形变还改变相邻贵金属颗粒5之间的间距，相邻贵金属颗粒5之间耦合共振的强度和波长均会变化。局域表面等离激元共振强度及波长的变化严格依赖于贵金属颗粒5的界面、间距等，所以本发明提供了又一种探测振动的方式，即探测贵金属颗粒5的共振波长和共振强度的变化，再结合贵金属颗粒5对反射激光强度的改变，多重变量探测，进一步提升本发明振动探测器的灵敏度。
38.实施例6
39.在实施例5的基础上，贵金属颗粒5为金或者银。通过调整贵金属颗粒5的尺寸、间距、形状，使其局域表面等离激元共振波长大致位于850nm或1310nm或1550nm处，这三个波长在光纤2中的传输损耗较小，大致分别为5db/km、0.5db/km、0.2db/km。这样光纤2对于收集贵金属颗粒5的共振信号具有更高的精确度和更强的适应性。
40.实施例7
41.在实施例6的基础上，如图4所示，在光纤2伸入透明软胶部4部分的侧面抛磨掉一定长度的包层，为不影响光纤2的端面接收反射激光，在光纤2下端保留0.3cm
‑
0.5cm长度的包层，所抛包层的深度可以为30μm或50μm也可以为其他深度，具体地，与光纤2的种类、规格、入射激光波长有关，保留包层的厚度小于入射激光的一个波长即可。全反射界面处的倏逝波透射进包层的深度大致为一波波长的深度，这样方便对全反射界面处的倏逝波进行调控。制备时，使用光纤抛磨机或飞秒激光器去除包层。这样一来，包层缺口处充满透明软胶与贵金属颗粒5，透明软胶与贵金属颗粒5的折射率低于光纤包层的折射率，这降低了光纤包层整体的折射率，增大了纤芯与包层间的折射率差值，增大了光纤2的数值孔径和归一化频率，提高了光纤2收集反射激光的能力和传播激光的模式数，使得激光更好地耦合到纤芯内进行传输，这有效提高了探测器的灵敏度。
42.倏逝波透过包层，与透明软胶部4和贵金属颗粒5发生相互作用，倏逝波的穿透深度和沿全反射界面上倏逝波的传播距离，即古森汉斯位移，均与透明软胶部4的局部折射率和贵金属颗粒5的排布密切相关。倏逝波由贵金属颗粒限制返回到纤芯中继续传输，防止了其功率的大幅度衰减。同时，振动使得透明软胶部4形变时，改变透明软胶部4的局部折射率和贵金属颗粒5的排布，从而改变倏逝波的穿透深度和古森汉斯位移，二者对反射激光强度的改变较大，进而反射光谱的改变更明显，提高探测灵敏度。倏逝波的传播强烈依赖于透明软胶部4局部的折射率和贵金属颗粒5的排布，所以本发明探测器的灵敏度很高，另外本发明通过多个因素的变化共同探测振源的振动，这提高了探测的精确度和灵敏度。另外，在倏逝波的影响下相邻贵金属颗粒5间耦合共振的变化更强，会产生新的共振峰，其强度和位置也会发生变化，提高检测灵敏度。
43.实施例8
44.在实施例7的基础上，抛磨光纤包层的深度不同，优选地，包层边界为斜坡状，即抛磨深度由上到下递增或由下到上递增。这样，竖直方向上包层的厚度不同，透射进透明软胶部4和贵金属颗粒5的倏逝波强度不同，即振动时，不同厚度包层处的透明软胶部4和贵金属颗粒5对倏逝波透射深度和古森汉斯位移的调控程度不同，对应反射光谱的强度变化不同，由此能够得到不同厚度包层对应高度处的振动信息，提高了本发明探测振动大小和位置的准确度。
45.实施例9
46.在实施例8的基础上，如图5所示，斜坡状为上窄下宽型，最窄处保留包层的厚度仅为波长的三分之一。透明软胶部4内的贵金属颗粒5在重力作用下，有向下运动的趋势，上窄下宽的斜坡状对贵金属颗粒5有明显的支撑效果，更多的贵金属颗粒附着在斜坡状包层的表面，这样贵金属颗粒5对倏逝波穿透深度和古森汉斯位移的调控更明显。
47.应当理解的是上述实施方式描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求书为准。