CN102507074B - 一种新型的塑料光纤液压传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的塑料光纤液压传感方法。目前方法灵敏度不高。本发明首先确定宽带光源、三端口光耦合器、光谱分析仪和塑料光纤FP干涉传感头；然后将上述器件按照测量方案连接，最后将塑料光纤FP干涉传感头置于需要测量液压的液体环境，通过测量塑料光纤FP干涉传感头的干涉极大值波长的漂移来确定施加在塑料光纤FP干涉传感头上的液压。本发明具有不受电磁干扰、价格低廉、结构紧凑、制作工艺简单、高灵敏度、适合医疗应用等优点。

Description

一种新型的塑料光纤液压传感方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于光纤塑料FP（法布里－珀罗）干涉的液压传感方法。

背景技术

光纤的出现带来了人类通信和信息技术的革命性发展。在通信领域，玻璃光纤成为信息传输的主要介质。在当前光纤到户技术发展的背景下，塑料光纤做为短距离信息传输媒介成为光纤到设备以及家用光纤连接的主要信息传输介质已经得到了迅猛的发展。在光纤传感技术领域，塑料光纤表现出优于玻璃光纤的温度、应力响应以及更好的柔韧性、低成本等特性，基于塑料光纤的传感技术得到了人们的极大关注。塑料光纤传感技术在生物、医学、航天、航空、机械、石化、建筑、高铁、桥梁、国防工业等领域具有重要的应用潜力。

在光纤液压传感技术领域，目前几乎所有的研究都集中在玻璃光纤的液压传感方面，包括基于玻璃光纤的光纤布拉格光栅液压传感技术、基于特种玻璃光纤的液压传感技术、基于玻璃光纤FP干涉的液压传感技术等。玻璃光纤以二氧化硅为主要材料，根据二氧化硅的特性，玻璃光纤液压传感可以做到很大的测量范围（几百兆帕），当时灵敏度不高。此外，对于应用于人体内的血压测量等特殊场合，玻璃光纤不易弯曲，而且非常易碎，对医疗安全不利。而采用塑料光纤做为传感介质，可以实现高灵敏度并避免因此折断、易碎引发的风险。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提出了基于一种基于光纤塑料FP干涉的液压传感方法。

本发明的方法包括以下步骤：

步骤(1)选择一个输出波长覆盖800nm至900nm的宽带光源、一个三端口塑料光纤耦合器、一个塑料光纤FP干涉传感头和一个工作波长覆盖800nm至900nm的光谱分析仪；

步骤(2)将宽带光源的输出端口和塑料光纤耦合器的一个输入端口光纤连接；将该塑料光纤耦合器的一个输出端口和塑料光纤FP干涉传感头光纤连接，该塑料光纤耦合器的一个输出端口和光谱分析仪的输入端口光纤连接；

步骤(3)将塑料光纤FP干涉传感头置入需要测量液压的液体环境。所说的塑料光纤FP干涉传感头是由以下步骤制作而成：1）截取一段长度大于10厘米、光纤直径为D(100～500微米)、芯径为d（20～300微米）的塑料光纤，采用商用的193nm激光器在塑料光纤中部打出一个缺口，缺口宽度为L（10～100微米），深度为H（70～300微米），以上所说尺寸满足：                                               

 和；2）将打出缺口的塑料光纤插入内径和塑料光纤外径一致、外径为Ds（3～20毫米）、长度为Ls（3～100毫米）的空心塑料管，保持塑料光纤的缺口在空心塑料管的中间部位；3）将空心塑料管和塑料光纤加热固定。

光注入塑料光纤的时侯，塑料光纤缺口形成FP干涉，根据FP干涉理论，当

，

可以观测到干涉的极大值，其中L为塑料光纤缺口两个端面距离，

对应干涉极大值的波长。当施加塑料光纤FP干涉传感头上的液压发生改变的时候，对应干涉极大值的波长对应有一个波长漂移

，其液压

和波长漂移

满足以下关系

其中，

为一常数。因此，可以通过测量塑料光纤FP干涉传感头的干涉极大值波长的漂移来确定施加在塑料光纤FP干涉传感头上的液压。

本发明主要适用于测量液体中的液压，利用了塑料光纤FP干涉传感头的干涉极大值波长随液压变化的特性，通过的干涉极大值波长的漂移来确定液压数值大小，实现了液压传感。本发明具有不受电磁干扰、价格低廉、结构紧凑、制作工艺简单、高灵敏度本、适合医疗应用等优点。

附图说明

图1为本发明方法中光学器件的连接示意图；

图2为塑料光纤FP干涉传感头示意图；

图3为利用本发明所得的具体测量结果图。

具体实施方式

如图1、和图2所示，本发明所使用的装置包括一个宽带光源1、一个塑料光纤耦合器2、一个塑料光纤FP干涉传感头3和一个光谱分析仪4。

将宽带光源1的输出端口和塑料光纤耦合器2的一个输入端口光纤连接；将该塑料光纤耦合器2的一个输出端口和塑料光纤FP干涉传感头3光纤连接，该塑料光纤耦合器2的一个输出端口和光谱分析仪4的输入端口光纤连接。塑料光纤FP干涉传感头3包括一段长度为10厘米、光纤直径为300微米、芯径为100微米的塑料光纤5和内径为300微米、外径为10毫米、长度为20毫米的空心塑料管6。塑料光纤5经过商用的193nm激光器加工，在中部出现一个缺口，缺口宽度为20微米，深度为250微米；将打出缺口的塑料光纤5插入空心塑料管6，保持塑料光纤5的缺口在空心塑料管6的中间部位，然后将塑料光纤5和空心塑料管6加热固定。

利用该检测装置的液压传感方法包括以下步骤：

 (1)选择一个输出波长覆盖800nm至900nm的宽带光源1、一个三端口塑料光纤耦合器2、一个塑料光纤FP干涉传感头3和一个工作波长覆盖800nm至900nm的光谱分析仪4；

 (2)将宽带光源1的输出端口和塑料光纤耦合器2的一个输入端口光纤连接；将该塑料光纤耦合器2的一个输出端口和塑料光纤FP干涉传感头3光纤连接，该塑料光纤耦合器2的一个输出端口和光谱分析仪4的输入端口光纤连接；

 (3)将塑料光纤FP干涉传感头3置入需要测量液压的液体环境。塑料光纤FP干涉传感头3包括一段长度大于10厘米、光纤直径为D(100～500微米)、芯径为d（20～300微米）的塑料光纤5和内径和塑料光纤外径一致、外径为Ds（3～20毫米）、长度为Ls（3～100毫米）的空心塑料管。采用商用的193nm激光器在塑料光纤5中部打出一个缺口，缺口宽度为L（10～100微米），深度为H（70～300微米），以上所说尺寸满足：

 和

；将打出缺口的塑料光纤5插入空心塑料管6，保持塑料光纤5的缺口在空心塑料管6的中间部位；将塑料光纤5和空心塑料管6加热固定。

塑料光纤缺口形成FP干涉，根据FP干涉理论，当

，

可以观测到干涉的极大值，其中L为石英管中光纤两个端面距离，对应干涉极大值的波长。当施加塑料光纤FP干涉传感头3上的液压发生改变的时候，对应干涉极大值的波长对应有一个波长漂移

，其液压

和波长漂移

满足以下关系

其中，

为一常数。因此，可以通过测量塑料光纤FP干涉传感头3的干涉极大值波长的漂移来确定施加在塑料光纤FP干涉传感头3上的液压。具体测量结果如图3所示。

本发明利用了塑料光纤的FP干涉技术和空心塑料管固定技术构建了高灵敏度的液压传感头，实现了塑料光纤液压传感的新技术方案。本发明具有不受电磁干扰、价格低廉、结构紧凑、制作工艺简单、高灵敏度、适合医疗应用等优点。

Claims (1)

1.一种新型的塑料光纤液压传感方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤(1)选择一个输出波长覆盖800nm至900nm的宽带光源、一个三端口塑料光纤耦合器、一个塑料光纤FP干涉传感头和一个工作波长覆盖800nm至900nm的光谱分析仪；

所述的塑料光纤FP干涉传感头，其具体制作方法是：

1）截取一段长度大于10厘米、光纤直径D为100微米～500微米、芯径d为20微米～300微米的塑料光纤，采用商用的193nm激光器在塑料光纤中部打出一个缺口，缺口宽度L为10微米～100微米，深度H为70微米～300微米，满足：                                                

和

；

2）将打出缺口的塑料光纤插入内径和塑料光纤外径一致、外径Ds为3毫米～20毫米、长度Ls为3毫米～100毫米的空心塑料管，保持塑料光纤的缺口在空心塑料管的中间部位；

3）将空心塑料管和塑料光纤加热固定；

步骤(2)将宽带光源的输出端口和塑料光纤耦合器的一个输入端口光纤连接；将该塑料光纤耦合器的一个输出端口与塑料光纤FP干涉传感头光纤连接，该塑料光纤耦合器的一个输出端口与光谱分析仪的输入端口光纤连接；

步骤(3)将塑料光纤FP干涉传感头置入需要测量液压的液体环境，开启宽带光源，当光注入塑料光纤的时侯，塑料光纤缺口形成FP干涉，根据FP干涉理论，当

，

可以观测到干涉的极大值，其中L为塑料光纤缺口两个端面距离，

对应干涉极大值的波长；当施加塑料光纤FP干涉传感头上的液压发生改变的时候，对应干涉极大值的波长对应有一个波长漂移，其改变量

和波长漂移

满足以下关系

其中，

为一常数；通过测量塑料光纤FP干涉传感头的干涉极大值波长的漂移来确定施加在塑料光纤FP干涉传感头上的液压。

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