CN105242067A - 一种基于fbg的膜片式高精细度f-p光纤加速度传感器 - Google Patents

一种基于fbg的膜片式高精细度f-p光纤加速度传感器 Download PDF

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Abstract

一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器，属于光纤传感器技术领域。本发明为了解决传统F-P传感器存在的缺陷。写入光纤内的FBG，敏感膜片，正对光纤出射端面的准直透镜，带尾纤套筒，光纤，套管；套管的一端端面上设置敏感膜片，套管内固定准直透镜和带尾纤套筒，带尾纤套筒的尾纤穿出套管的另一端与光纤连接，敏感膜片的中间设有凸起质量块；FBG和敏感膜片上的凸起质量块端面构成F-P腔的一对反射镜；FBG至光纤出射端面，准直透镜，以及准直透镜至凸起质量块的空气腔共同组成了F-P的腔长。敏感膜片使光纤传感器具有非常高的灵敏度，该传感器的输出信号采用相位解调方法进行解调，对温度变化和激光波长漂移具有很强的抗干扰能力。

Description

一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种F-P压力传感器，具体涉及一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器，属于光纤传感器技术领域。
背景技术
光纤传感器技术是随着光纤的发展和光纤通信而慢慢形成的一门新兴技术。它是以光作为载体，并且以光纤作为传输介质，对被测参数实现传感。
传统的膜片式非本征型F-P传感器在光纤端面镀上一层高反射膜，作为一个高反射镜，敏感膜片作为另一个反射镜，两个反射镜组成F-P腔，可以实现对外界信号的干涉测量。传统的膜片式非本征的F-P传感器腔长较短，干涉腔的微小加工误差对解调结果影响很大，因此干涉腔腔长的加工重复性难度较大；当环境温度变化时，会引起干涉腔腔长的缓慢变化，使解调结果稳定度和精度变差；波长漂移等干扰因素也会影响传统的膜片式非本征型F-P传感器的解调精度和稳定度；传统的膜片式非本征的F-P传感器在组装时要求两个反射镜平行，因此组装困难。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，根据本发明的一个方面，提供了一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器，以克服上述传统的膜片式非本征的F-P传感器缺点。
本发明提出的一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器，包括写入光纤内的FBG，敏感膜片，正对光纤出射端面的准直透镜，带尾纤套筒，光纤，套管；
所述的套管的一端端面上设置敏感膜片，套管内固定准直透镜和带尾纤套筒，带尾纤套筒的尾纤穿出套管的另一端与光纤连接，敏感膜片的中间设有凸起质量块；
所述的FBG和敏感膜片上的凸起质量块的端面构成F-P腔的一对反射镜；
所述的FBG至光纤出射端面，准直透镜，以及准直透镜至凸起质量块的空气腔共同组成了F-P的腔长。
本发明的传感器对温度变化和激光器波长缓慢漂移不敏感。
本发明的传感器干涉腔的腔长加工重复性好。
本发明的传感器干涉腔的反射镜平行度高。
本发明为了保证敏感膜片具有高反射率，一般在光学反射面加工高反射率的薄膜结构，光学反射面为平面。
对上述的一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器具体优化设计，所述的FBG距离光纤出射端面6米，准直透镜距离敏感膜片上的凸起质量块端面为微米量级。
对上述的一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器具体优化设计，所述的光纤出射端面有一个倾角。所述的倾角为8度。如此设置，避免在空气腔发生自干涉。
对上述的一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器具体优化设计，所述的FBG的反射率为85％以上。
对上述的一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器具体优化设计，所述的敏感膜片的厚度100纳米至1微米，直径大小为150纳米至2.5毫米，对波长为1550纳米的光波反射率大于85％。
对上述的一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器具体优化设计，所述的准直透镜端面上镀上一层增透膜。通过准直透镜减小光强在空气腔的损耗，保持和FBG相同的反射率。
对上述的一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器具体优化设计，传感器的输出信号采用PGC相位解调系统进行信号解调。
本发明所达到的效果为：
本发明提供了一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器，该传感器利用带有质量块结构的膜片作为加速度敏感元件，光纤布拉格光栅和质量块端面构成法布里-珀罗腔的一对反射镜，光纤布拉格光栅至光纤出射端面，准直透镜，以及准直透镜至凸起质量块的空气腔共同组成了法布里-珀罗腔的腔长，传感器采用相位方法进行解调，解调受温度的影响较小；这种设计使得传感器具有高灵敏度特点，其腔长较大，有很好的波分复用能力。
附图说明
图1是本发明一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器具体实施的截面示意图；
图2是本发明一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器采用相位解调方法的解调系统示意图；
图中：1FBG、2敏感膜片、3准直透镜、4带尾纤套筒、5光纤、6套管、7第二光电转换器、7′第一光电转换器。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明的实施例提供了一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器，采用PGC相位解调系统进行信号解调。传感器结构示意图如图1所示，PGC相位解调系统如图2所示。该光纤传感器包括写入光纤内的FBG1,光纤5，正对光纤出射端面的准直透镜3，带尾纤套筒4，固定准直透镜3和带尾纤套筒4的套管6，在套管6端面设置敏感膜片2。所述的FBG1，距离光纤出射端面为6米，FBG1构成了F-P光纤传感器的一个反射镜；所述的准直透镜3，距离敏感膜片上的凸起质量块端面为微米量级，敏感膜片上的凸起质量块端面构成F-P光纤传感器的另一个反射镜；所述的准直透镜3，减小了空气腔光强的损耗，使敏感膜片2上的凸起质量块端面具有与FBG1相同的高反射率；所述的光纤出射端面有一个倾角，可以避免光纤出射端面和敏感膜片发生干涉；所述的套管6用于固定带尾纤套筒4和准直透镜3。所述的光纤5，从其端面至FBG1长度为6米，长光纤使得F-P传感器腔长较长，有利于进行波分复用和相位解调；所述的光纤端面有一个倾角，避免了光纤端面5和敏感膜片2发生干涉；所述的套管6用于固定带尾纤套筒4和准直透镜3。
本实施例的基于FBG的膜片式F-P光纤传感器,所述的相位解调系统如图2所示。具体为：光源发出的光线经过1:4耦合器后，较弱的光束I接入PD1，较强的光束接入1:1耦合器，在探头内发生干涉，干涉信号I’接入PD2，I与I’进行相减和相除操作后接入PGC解调程序。所述的相位解调灵敏度高，抗干扰能力强，同时使光纤传感器对温度变化不敏感。
本实施例的基于FBG的膜片式F-P光纤传感器,所述的相位解调系统如图2所示。具体为：光源发出的光线经过1:4耦合器后，较弱的光束I接入PD1，较强的光束接入1:1耦合器，在探头内发生干涉，干涉信号I’接入PD2，较弱的光束I与干涉信号I’进行相减和相除操作后接入PGC相位解调模块。所述的相位解调灵敏度高，抗干扰能力强，同时使光纤传感器对温度变化不敏感。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器，其特征在于：包括写入光纤(5)内的FBG(1)，敏感膜片(2)，正对光纤出射端面的准直透镜(3)，带尾纤套筒(4)，光纤(5)，套管(6)；
套管(6)的一端端面上设置敏感膜片(2)，套管(6)内固定准直透镜(3)和带尾纤套筒(4)，带尾纤套筒(4)的尾纤穿出套管(6)的另一端与光纤(5)连接，敏感膜片(2)的中间设有凸起质量块；
所述的FBG(1)和敏感膜片(2)上的凸起质量块端面构成F-P腔的一对反射镜；
所述的FBG(1)至光纤出射端面，准直透镜(3)，以及准直透镜(3)至凸起质量块的空气腔共同组成了F-P的腔长。
2.根据权利要求1所述的一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器，其特征在于：所述的FBG(1)距离光纤出射端面6米，准直透镜(3)距离敏感膜片(2)上的凸起质量块端面为微米量级。
3.根据权利要求1所述的一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器，其特征在于：所述的光纤出射端面有一个倾角。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器，其特征在于：所述的FBG(1)的反射率为85％以上。
5.根据权利要求4所述的一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器，其特征在于：所述的敏感膜片(3)的厚度100纳米至1微米，直径大小为150纳米至2.5毫米，对波长为1550纳米的光波反射率大于85％。
6.根据权利要求4所述的一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器，其特征在于：所述的准直透镜(3)端面上镀上一层增透膜。
7.根据权利要求1所述的一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器，其特征在于：传感器的输出信号采用PGC相位解调系统进行信号解调。
8.根据权利要求3所述的一种基于FBG的膜片式高精细度F-P光纤加速度传感器，其特征在于：所述的倾角为8度。
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