CN106441453B - 一种带微流清洗的法布里-珀罗光纤光栅多功能传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带微流清洗的法布里‑珀罗光纤光栅多功能传感器，由宽带光源，光纤F‑P结构，光电探测器，检测腔，乳胶管，玻璃膜片，玻璃晶片，硅晶体，第一阀门，压电致动器，第二阀门，三通阀门，洗液池，清水池，FPG头组成。当向F‑P干涉仪腔内加入介质时，由宽带光源发出的光，通过F‑P传感器，变成一系列特定波长干涉峰，通过光探测器输出到示波器，通过与标准材料的关系可测出介质的折射率。由压电致动器驱动微泵产生微流用于FPB端面清洗。由于F‑P系统的特点及微流清洗的优点，该发明具有抗电磁干扰，耐腐蚀，且不受光源波动影响，可多次反复使用的优点，具有很好的实用价值和应用前景。

Description

一种带微流清洗的法布里-珀罗光纤光栅多功能传感器

技术领域

本发明提出了一种带微流清洗的法布里-珀罗光纤光栅多功能传感器，属于光纤光栅传感技术领域。

背景技术

基于法布里-珀罗结构的各种功能型光纤光栅传感器自1991年开始迅速发展，极大的推动了传感技术的发展，拓宽了光纤光栅的应用范围。

由于光纤法布里-珀罗干涉仪透射光谱的中心波长与其干涉腔内介质的折射率存在线性关系，可以实现对物质折射率连续高精度检测，且具有抗电磁干扰，耐腐蚀等优点，具有很好的实用价值。

由于光纤法布里-珀罗干涉仪透射光谱的中心波长与其腔长存在线性关系，可以实现高精度长度测量，且具有成本低，结构简单，使用方便的优点。

光电探测器是能将光信号转化为电信号的的光电器件，它的工作原理是基于光电效应，利用这个特性可以进行显示及控制的功能，光电探测器可以用来代替人眼，且具有光谱响应范围宽，灵敏度高，稳定性好的特点，已经被广泛应用。

由于光纤光栅的清洗有严格的要求且操作繁琐复杂，使这样的传感器难以实现短时间多次测量不同物质，且极易由前一测量物质残留而产生较大测量误差，所以采用微流体来清洗检测腔，可以减小对光纤光栅的损耗，提高测量精度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于以光纤F-P结构为传感器主要结构，以透射光谱的中心波长和折射率，反射波长和腔长的函数关系为基础，及微流体清洗的优点，对物质的折射率及长度进行精确测量。

本发明通过以下技术方案实现：一种带微流清洗的法布里-珀罗光纤光栅多功能传感器，由宽带光源(1)，光纤F-P结构(2)，光电探测器(3)，检测腔(4)，乳胶管(5)，玻璃膜片(6)，玻璃晶片(7)，硅晶体(8)，第一阀门(9)，压电致动器(10)，第二阀门(11)，三通阀门(12)，洗液池(13)，清水池(14)组成。其特征在于：宽带光源(1)通过光纤连接到光纤F-P结构(2)检测腔(4)固定在两FBG间隔处，后接光电探测器(3)输出波形。通过测得的波谱图及F-P干涉透射光谱的中心波长与其干涉腔内介质的折射率存在的线性关系，实现对物质折射率的检测。又由F-P干涉透射光谱的中心波长与其腔长存在线性关系，可实现对物体长度的高精度测量。微流清洗装置以玻璃晶片(7)为基座，洗液池(13)和清水池(14)由密封片隔开清洗液在乳胶管(5)内传输，通过三通阀门(12)进入微泵，压电致动器(10)的产生压差驱动流体，使流体先后通过第一阀门(9)，第二阀门(11)，形成的微流由出口流出到检测腔(4)进行清洗，使用过后的清洗液回流至洗液池(13)回收利用。将两三通阀门(12)均拧至“清洗”位置，系统将开始用清水清洗。解决了光纤光栅传感器难以实现短时间多次测量不同物质的问题。

所述洗液池(13)清洗液采用酒精溶液。

所述的检测腔(4)的材料为聚乙烯，为双开口立方体，长为25mm，宽度为15mm，高为15mm，厚度为3mm。

所述光纤F-P结构(2)的光纤光栅中心波长均为1550nm。

本发明的工作原理是：基于F-P结构干涉的干涉特性，当非单色平行光以入射角i入射时，由于多光束干涉的作用，使在一定的光谱范围内仅有某些特定的波长λ_k附近出现极大，且当i＝0时满足下列公式：

2nH＝kλ_k (1)

式中n为F-P腔内折射率，H为F-P腔长，k为干涉级次，λ_k为干涉峰中心波长。

向检测腔中放入标准介质(已知折射率为n₀，对应第k级干涉峰中心波长为λ_k0)，由(1)式得折射率n与干涉峰中心波长λ_k的关系为：

n＝(n₀/λ_k0)λ_k (2)

由(2)式可知，对特定波长下某干涉级次，F-P结构干涉透射峰波长的变化与腔内介质折射率的变化成线性关系。

当宽带光通过光纤光栅时，能反射特定波长的光，反射波长：

λ_B＝2n_cffΛ (3)

式中n_eff为光纤光栅的有效折射率，Λ为光栅周期。

当光纤光栅F-P腔的腔长满足条件：

H＝(2m-1)λ_b/4n_eff (4)

F-P腔在λ_b处透射峰极大。通过式(4)求得腔长H可求被测物质的长度。

通过压电致动器，将电压信号转化为应变，从而形成驱动力。由于泵腔容积扩大和缩小的周期都非常小，因此处在高频变化中的流体在短时间内加速产生很大的惯性力。

体积模量公式：

K＝E/[3×(1-2v)] (5)

若物体在P₀的压力下体积为V₀，当压力增加(P₀→P₀+ΔP)，则体积减小为(V₀-ΔV)。则有：

K＝(P₀+ΔP)/(V₀-ΔV) (6)

当压电致动器振动使得泵腔产生压缩和扩张，泵腔内的压强和密度会产生变化，从而影响微泵的输出流量和压强。

所以当向检测腔(4)内放入不同物质时，由得到光电探测器输出波形，通过简单计算可求出物质的折射率和长度。由微流清洗装置的特点可解决一般光纤光栅传感器难以实现短时间多次测量不同物质的问题。

本发明的有益效果是：本发明的设计中以光纤F-P结构为传感器主要结构，以透射光谱的中心波长和折射率，反射波长和腔长的函数关系为基础，及微流体清洗的优点，对物质的折射率及长度进行精确测量。排除了残留物质对测量的影响，能实现快速多次测量，且测量精确度较高，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的一种带微流清洗的法布里-珀罗光纤光栅多功能传感器结构示意图。

图2是本发明的光纤F-P结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参见附图1，一种带微流清洗的法布里-珀罗光纤光栅多功能传感器，其特征在于：由宽带光源(1)，光纤F-P结构(2)，光电探测器(3)，检测腔(4)，乳胶管(5)，玻璃膜片(6)，玻璃晶片(7)，硅晶体(8)，第一阀门(9)，压电致动器(10)，第二阀门(11)，三通阀门(12)，洗液池(13)，清水池(14)组成。宽带光源(1)通过光纤连接到光纤F-P结构(2)检测腔(4)固定在两FBG间隔处，后接光电探测器(3)输出波形。通过测得的波谱图及F-P干涉透射光谱的中心波长与其干涉腔内介质的折射率存在的线性关系，实现对物质折射率的检测。又由F-P干涉透射光谱的中心波长与其腔长存在线性关系，可实现对物体长度的高精度测量。微流清洗装置以玻璃晶片(7)为基座，洗液池(13)和清水池(14)由密封片隔开清洗液在乳胶管(5)内传输，通过三通阀门(12)进入微泵，压电致动器(10)的产生压差驱动流体，使流体先后通过第一阀门(9)，第二阀门(11)，形成的微流由出口流出到检测腔(4)进行清洗，使用过后的清洗液回流至洗液池(13)回收利用。将两三通阀门(12)均拧至“清洗”位置，系统将开始用清水清洗。解决了光纤光栅传感器难以实现短时间多次测量不同物质的问题。

参见附图2，为图1光纤F-P结构(2)的结构描述，由两段光纤光栅(FPG)精确对准搭建，将被测量的液体，气体或固体置于间隙(GAP)中，通过F-P干涉原理获得光栅的透射谱来进行被测物质的折射率计算，基于F-P腔的独特设计，通过改变干涉腔的参数，实现同一装置多参量的测量。

Claims (4)

1.一种带微流清洗的法布里-珀罗光纤光栅多功能传感器，由宽带光源(1)，光纤F-P结构(2)，光电探测器(3)，检测腔(4)，乳胶管(5)，玻璃膜片(6)，玻璃晶片(7)，硅晶体(8)，第一阀门(9)，压电致动器(10)，第二阀门(11)，三通阀门(12)，洗液池(13)，清水池(14)组成；其特征在于：宽带光源(1)通过光纤连接到光纤F-P结构(2)， 检测腔(4)固定在两FBG间隔处,后接光电探测器(3)输出波形,微流清洗装置以玻璃晶片(7)为基座，洗液池(13)和清水池(14)由密封片隔开， 清洗液在乳胶管(5)内传输，通过三通阀门(12)进入微泵，压电致动器(10)产生压差驱动流体，使流体先后通过阀1(9)，阀2(11)，形成的微流由出口流出到检测腔(4)进行清洗，使用过后的清洗液回流至洗液池(13)回收利用。

2.根据权利要求1所述的一种带微流清洗的法布里-珀罗光纤光栅多功能传感器,其特征在于:光纤F-P结构(2)两段Bragg光栅长度aL为4mm，折射率调制范围δn为0.8×10^-4，光栅周期Λ为540μm。

3.根据权利要求1所述的一种带微流清洗的法布里-珀罗光纤光栅多功能传感器,其特征在于:光纤F-P结构(2)的光纤光栅中心波长均为1550nm。

4.根据权利要求1所述的一种带微流清洗的法布里-珀罗光纤光栅多功能传感器,其特征在于:洗液池(13)清洗液采用酒精溶液。