CN104215368A - 一种f-p腔光纤压力传感装置及其解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种F-P腔光纤压力传感装置及其解调方法，包括多个F-P腔光纤压力传感器，在控制器的控制下，波长扫描的光纤激光光源发出的每一种波长的光，都依次通过环型器和光开关后分别入射一个F-P腔光纤压力传感器；每个F-P腔光纤压力传感器产生的干涉谱依次经由光开关和环型器后被光电探测器接收，光电探测器输出的模拟信号再被DAQ取样卡模数转换后发送给控制器，由控制器计算出压力数值。本发明使用波长扫描光源作为所有F-P腔光纤压力传感器的光源，利用波长扫描光源的波长可读性，与光电探测器配合即可获得干涉光强最大值或最小值处的波长值，无需额外的解调器，降低了基于F-P腔光纤压力传感器的干涉解调仪成本，简化了整个装置。

Description

一种F-P腔光纤压力传感装置及其解调方法

技术领域

本发明涉及一种F-P腔光纤压力传感装置及其解调方法，属于光纤压力传感器领域。

背景技术

基于光纤Fabry-Perot(F-P)腔的压力传感器具有耐恶劣环境、抗电磁干扰、温度交叉敏感性小等特点，适于在医疗、航空航天、桥梁建筑、高温油井和国防等领域的压力监测应用。微型光纤F-P腔压力传感器通常有毛细管结构和膜片结构两种。现有的F-P微腔压力传感器需要使用专门的解调器对干涉光谱进行分析。

发明内容

发明目的：本发明提出一种F-P腔光纤压力传感装置，降低了现有F-P腔光纤压力传感器及其解调仪的成本。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种F-P腔光纤压力传感装置的解调方法，包括以下步骤：

波长扫描光源所发出的每一种波长的光，都分别入射一个F-P腔光纤压力传感器；

根据波长扫描光源所提供的波长，以及每个F-P腔光纤压力传感器的干涉光强，即可找到干涉光强极值时的波长；

根据波长解调法计算出F-P腔光纤压力传感器所受到的压力。

优选地，所述多个F-P腔光纤压力传感器全部是光纤和膜片或光纤和光纤组成。

优选地，根据波长扫描光源所提供的波长，以及每个F-P腔光纤压力传感器的干涉光强，即可找到干涉光强最大值时的波长。

优选地，根据波长扫描光源所提供的波长，以及每个F-P腔光纤压力传感器的干涉光强，即可找到干涉光强最小值时的波长。

一种F-P腔光纤压力传感装置，包括多个F-P腔光纤压力传感器，在控制器的控制下，波长扫描光源发出的每一种波长的光，都依次通过环型器和光开关后分别入射一个F-P腔光纤压力传感器；每个F-P腔光纤压力传感器产生的干涉谱依次经由光开关和环型器后被光电探测器接收，光电探测器输出的模拟信号再被DAQ取样卡模数转换后发送给控制器，由控制器计算出压力数值。

优选地，所述波长扫描光源、DAQ取样卡和光开关在控制器的控制下同步工作。所述控制器为计算机。

优选地，所述多个F-P腔光纤压力传感器全部是由光纤和膜片或光纤和光纤组成。

优选地，所述多个F-P腔光纤压力传感器是由光纤和膜片或光纤和光纤组成的F-P腔光纤压力传感器两种类型的混合。

优选地，所述F-P腔光纤压力传感器的最小F-P腔长d_min满足：

$d_{\min }>\frac{{{\mathrm{\λ}}_0}^2}{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sweep}}}$

式中Δλ_sweep是波长扫描光源的波长扫描范围。

有益效果：本发明使用波长扫描光源作为所有F-P腔光纤压力传感器的光源，利用波长扫描光源的波长可读性，与光电探测器配合即可获得干涉光强最大值或最小值处的波长值，无需额外的解调器，降低了基于F-P腔光纤压力传感器的干涉解调仪成本，简化了整个装置。

附图说明

图1为本征型F-P腔光纤压力传感器结构示意图；

图2为本发明一种F-P腔光纤压力传感装置的结构示意图；

图3为本发明的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，F-P腔光纤压力传感器的基本结构是一个法布里-帕罗干涉仪，抛光良好的波导光纤f1端面与压力敏感膜f2内表面形成F-P腔f3，腔长为d。光源发出的光通过波导光纤f1入射到光纤端面上，一部分光功率被波导光纤f1端面反射，其余光功率透射后，到达压力敏感膜f2，被压力敏感膜f2的内表面部分反射并耦合回到波导光纤f1内，光纤端面的反射光以及压力敏感膜f2内表面的反射光发生干涉，干涉强度为：

$I_R=1-\frac{1}{1+\frac{4R}{{(1-R)}^2}\mathrm{si}{n}^2\left(\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}\right)}$

λ为光在真空中的波长。

压力敏感膜f2在外界压力的作用下发生形变，从而改变F-P腔f3的长度，引起干涉谱变化，通过测量干涉谱，对干涉光谱进行解调(需要额外的解调器)即可得到压力敏感膜f2上的压力变化。

如图2所示，本发明一种F-P腔光纤压力传感装置包括受到同一压力作用的第一个F-P腔光纤压力传感器1至第N个F-P腔光纤压力传感器N(N传感器总数)，这些光纤压力传感器通过光开关和环型器连接到波长扫描的光纤激光光源。同时波长扫描光纤激光光源、光开关都受到控制器的控制。在控制器的控制下，波长扫描光源以一定的步长，在Δλ_sweep的波长扫描范围内连续扫描。不同波长的激光经过环型器被光开关依次耦合到第一个到第N个F-P腔光纤压力传感器。

每一个光纤压力传感器被光开关接通时，不仅激光进入到传感器内，而且其产生的干涉谱也同时通过光开关和环型器被光电探测器接收。干涉谱随后由DAQ取样卡进行模数转换后，即进入控制器进行数据处理和显示。整个过程要求波长扫描光源、DAQ取样卡和光开关同步。

目前比较流行使用波长解调法解调法布里-帕罗干涉谱。波长扫描光源发出一定谱宽的光，其形成的干涉光强的分布与F-P腔长d相关，如图3所示，图中横坐标为光源波长，纵坐标为干涉光强。当压力敏感膜f2移动减小了F-P腔长d时，光谱谷就向短波长方向移动，如图3中箭头所示。

因此我们可以记录下压力敏感膜f2处于初始状态时的，干涉光强与光波长的关系曲线。随后在外部压力的影响下，压力敏感膜f2的位置发生变化，改变了F-P腔长d，进而使干涉光强与光波长的关系曲线发生移动。按照波长解调法只要跟踪图3中某一个或者相邻两个、多个峰值的移动量，即可得到F-P腔长变化量。而峰值可以选择干涉光强的最大值，也可以选择最小值。

所以我们可以利用控制器所记录下的每一个F-P腔光纤压力传感器的干涉光强以及该光纤压力传感器的输入激光波长，尤其是干涉光强的最大值也就是峰值时的波长，可以直接由波长扫描光源得到。因此控制器根据现有的波长解调法，将峰值时的波长与初始状态峰值的波长进行对比，即可直接计算出F-P腔长变化量，从而省去了解调器。而控制器可以使用计算机或其它嵌入式装置。

压力分辨率δP主要取决于波长的分辨率δλ，如下公式表示，Δλ_sweep是波长扫描光源的波长扫描范围(大约100nm)，则：

$\mathrm{\δP}=\frac{\mathrm{\δ\λ}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sweep}}}\mathrm{\ΔP}$

ΔP是最大压力测量范围，其取决于膜片厚度和F-P腔f3的直径，而腔长灵敏度δd可表示为

$\frac{\mathrm{\δd}}{\mathrm{\δP}}=\mathrm{\ρ}\frac{D^4}{{\mathrm{Thickness}}^3}$

ρ为系数取决于膜片材料。为了保证扫描光谱区内至少有一个干涉谱波峰，最小的F-P腔长d_min为：

$d_{\min }>\frac{{{\mathrm{\λ}}_0}^2}{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sweep}}}$

对于13210nm波段扫描光谱范围为110nm时，最短腔长为d_min＝7.8μm，实际应用中，为了确保任何情况下都有一个完整的干涉谱波峰，从而准确地确定波长，F-P腔长可设定为15μm。

Claims (10)

1.一种F-P腔光纤压力传感装置，其特征在于，包括多个F-P腔光纤压力传感器，在控制器的控制下，波长扫描光源发出的每一种波长的光，都依次通过环型器和光开关后分别入射一个F-P腔光纤压力传感器；每个F-P腔光纤压力传感器产生的干涉谱依次经由光开关和环型器后被光电探测器接收，光电探测器输出的模拟信号再被DAQ取样卡模数转换后发送给控制器，由控制器计算出压力数值。

2.根据权利要求1所述的F-P腔光纤压力传感装置，其特征在于，所述波长扫描光源、DAQ取样卡和光开关在控制器的控制下同步工作。

3.根据权利要求1所述的F-P腔光纤压力传感装置，其特征在于，所述控制器为计算机。

4.根据权利要求1所述的F-P腔光纤压力传感装置，其特征在于，所述多个F-P腔光纤压力传感器由单模光纤和膜片组成或两根光纤组成的FP腔。

5.根据权利要求1所述的F-P腔光纤压力传感装置，其特征在于，所述多个F-P腔光纤压力传感器是由光纤和膜片或光纤和光纤组成的F-P腔光纤压力传感器两种类型的混合。

6.根据权利要求1所述的F-P腔光纤压力传感装置，其特征在于，所述F-P腔光纤压力传感器的最小F-P腔长d_min满足：

$d_{\min }>\frac{{{\mathrm{\λ}}_0}^2}{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sweep}}}$

式中Δλ_sweep是波长扫描光源的波长扫描范围。

7.一种F-P腔光纤压力传感装置的解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

波长扫描光源所发出的每一种波长的光，都分别入射一个F-P腔光纤压力传感器；

根据波长扫描光源所提供的波长，以及每个F-P腔光纤压力传感器的干涉光强，即可找到干涉光强极值时的波长；

根据波长解调法计算出F-P腔光纤压力传感器所受到的压力。

8.根据权利要求7所述的F-P腔光纤压力传感装置的解调方法，其特征在于，所述多个F-P腔光纤压力传感器全部是光纤和膜片或光纤与光纤组成。

9.根据权利要求7所述的F-P腔光纤压力传感装置的解调方法，其特征在于，根据波长扫描光源所提供的波长，以及每个F-P腔光纤压力传感器的干涉光强，即可找到干涉光强最大值时的波长。

10.根据权利要求7所述的F-P腔光纤压力传感装置的解调方法，其特征在于，根据波长扫描光源所提供的波长，以及每个F-P腔光纤压力传感器的干涉光强，即可找到干涉光强最小值时的波长。