CN107121220B - 光学法布里－珀罗腔气压传感系统 - Google Patents

光学法布里－珀罗腔气压传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学法布里－珀罗腔气压传感系统，该系统的FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构包括两端面相对的两段单模光纤，填充在两段光纤之间的磁流体，固定在一侧光纤截面上的磁致伸缩介质。将气压转化为磁场的装置包括气体导管和固定在导管末端的膜片及利用支架固定在膜片上的永久磁铁。宽带光源的发射端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与耦合器输入端之间的光纤上设置有偏振控制器。耦合器中的光场通过单模光纤进入FP腔，FP腔反射光经耦合器输出至光谱仪的接收端。本发明利用差分的方式引入多个永久磁铁，来提高气压传感精度，可应用于高精度的气压测量中。

Description

光学法布里－珀罗腔气压传感系统
技术领域
本发明涉及的是一种高灵敏度的光学法布里－珀罗(Fabry–Pérot，FP)腔气压传感系统，具体涉及的是一种基于含磁流体与磁致伸缩介质的光学FP腔磁场传感系统的气压传感器件，属于光学领域。
背景技术
利用单模光纤构建的FP腔具有造价低、易与光纤系统集成、功耗低、结构简单等优点，可用于折射率、电场、压力和磁场等物理量的测量。同时可以工作在强电磁干扰的环境中，并可以进行远程监测。压力传感器件是工业实践中最为常用的一种传感器，可广泛应用于智能建筑、航空航天、石化、船舶、机床等众多行业之中。随着压力传感应用需求的发展，在很多时候现有的压力传感系统已经无法满足高精度的测量要求。我们设计了一种高灵敏度气压传感器件，对所提出的含磁流体与磁致伸缩介质的光学谐振腔磁场传感系统进行改造，利用差分式压力传送装置进行气压传感，可以精确测量气压。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种光学法布里－珀罗腔气压传感系统.
光学法布里－珀罗腔气压传感系统，包括光学谐振腔磁场传感系统和气压-磁场转化装置；其特征在于：所述的光学谐振腔磁场传感系统包括宽带光源、隔离器、衰减器、偏振控制器、光纤耦合器、FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构、光谱仪；FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构包括两端面相对的两段单模光纤、填充在两段光纤之间的磁流体、固定在一侧光纤截面上的磁致伸缩介质、密封磁流体的导管和固定单模光纤位置的支架；气压-磁场转化装置包括气体导管、膜片永久磁铁；气体导管设有两个相对的末端，两个相对的末端通过膜片密封，永久磁铁利用支架固定在膜片上；所述的FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构的磁致伸缩介质设置在永久磁铁之间；宽带光源的发射端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与耦合器输入端之间的光纤上设置有偏振控制器。耦合器中的光场通过单模光纤进入FP腔，FP腔反射光经耦合器输出至光谱仪的接收端；磁场传感系统中宽带光源、隔离器、衰减器、偏振控制器、耦合器、FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构、光谱仪之间的连接均采用光纤连接。气压变化导致永久磁铁位置发生变化，进而导致与FP腔光学特性相关的磁流体及磁致伸缩介质发生变化，通过光谱仪测得的FP腔输出光谱中心波长的移动可以解调出气压的变化。
所述的光纤耦合器为1x2光纤耦合器或2x2光纤耦合器；
所述的含膜片和永久磁铁的气体导管是外界环境气压感知单元，将感知的气压变化转化为磁场的变化；
所述的FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构是传感单元，感知磁场的变化；
所述的FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构中磁流体密封在导管内，磁致伸缩介质与腔的一侧光纤截面相连接，且磁致伸缩介质位置固定；FP腔即导管内的腔体；
所述的FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构中FP腔的腔长要满足测量的量程，当磁致伸缩介质伸缩时，仍保证腔的正常工作状态；
所述的磁流体为含有四氧化三铁的流体，或其它类型的磁流体，只要其折射率会随外界磁场变化发生变化；同时，磁流体在磁场作用下的折射率分布要保证光可以在FP腔内传输。
所述的磁致伸缩介质可以是Terfenol-D或其它的在磁场作用下能够伸缩的介质。
所述的宽带光源的波段选用通讯波段，便于与其它的光学系统进行集成，且与光谱仪的接收波段相匹配。
所述的光纤要保证所选波段内光信号的低损耗传输和易探测；所述的偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高；所述的光谱仪的分辨率选择要保证能分辨出FP腔输出光谱的移动。
本发明中的传感系统在进行气压传感时具有很高的灵敏度。同时，该系统主要由光纤构建，体积小，易于集成，可进行远程监控，适于恶劣环境下的气压监测。
附图说明
图1为发明的基于光学谐振腔磁场传感系统的气压传感器件的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施方式：
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的光学法布里－珀罗腔气压传感系统包括磁场传感系统和气压-磁场转化装置。磁场传感系统包括宽带光源1、隔离器2、衰减器3、偏振控制器4、1x2(或2x2)光纤耦合器5、FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构6、光谱仪7。其中，FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构6包括两端面相对的两段单模光纤8，填充在两段光纤之间的磁流体9，固定在一侧光纤截面上的磁致伸缩介质10，密封磁流体的导管11和固定光纤位置的支架12。宽带光源1的发射端与隔离器2的输入端连接，隔离器2的输出端与衰减器3的输入端连接，衰减器3的输出端与耦合器5输入端之间的光纤上设置有偏振控制器4。耦合器5中的光场通过单模光纤进入FP腔6，FP腔6反射光经耦合器5输出至光谱仪7的接收端。传感系统中宽带光源1、隔离器2、衰减器3、偏振控制器4、耦合器5、FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构6、光谱仪7之间的连接均采用光纤连接。气压-磁场转化装置包括气体导管13和固定在导管末端的膜片14及利用支架15固定在膜片上的永久磁铁16。气压变化导致永久磁铁16位置发生变化，进而导致与FP腔6光学特性相关的磁流体9及磁致伸缩介质10发生变化，通过光谱仪7测得的FP腔6输出光谱中心波长的移动可以解调出气压的变化。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的光学法布里－珀罗腔气压传感系统的进一步限定，所述的FP腔6中磁流体9可以不必全部填充，只要保证光在其中循环时可经过磁流体9，感受磁流体9的折射率变化即可。FP腔6所连接的磁致伸缩介质10可以是柱状或立方体形状等，磁致伸缩介质10右侧固定，只要在磁场作用下磁致伸缩介质10导致的FP腔光谱特定位置移动与磁流体9折射率变化所导致的腔的输出光谱移动方向一致即可。磁铁16的数量、位置及取向只要保证磁流体9和磁致伸缩介质10导致腔的输出光谱移动方向一致即可。

Claims (10)

1.光学法布里－珀罗腔气压传感系统，包括光学谐振腔磁场传感系统和气压-磁场转化装置；其特征在于：所述的光学谐振腔磁场传感系统包括宽带光源(1)、隔离器(2)、衰减器(3)、偏振控制器(4)、光纤耦合器(5)、FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构(6)、光谱仪(7)；FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构(6)包括两端面相对的两段单模光纤(8)、填充在两段单模光纤之间的磁流体(9)、固定在一侧单模光纤截面上的磁致伸缩介质(10)、密封磁流体的导管(11)和固定单模光纤位置的支架(12)；气压-磁场转化装置包括气体导管(13)、膜片(14)永久磁铁(16)；气体导管设有两个相对的末端，两个相对的末端通过膜片(14)密封，永久磁铁(16)利用支架(15)固定在膜片上；所述的FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构(6)的磁致伸缩介质(10)设置在永久磁铁(16)之间；宽带光源(1)的发射端与隔离器(2)的输入端连接，隔离器(2)的输出端与衰减器(3)的输入端连接，衰减器(3)的输出端与光纤耦合器(5)输入端之间的单模光纤上设置有偏振控制器(4)；光纤耦合器(5)中的光场通过单模光纤进入FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构(6)，FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构(6)的反射光经光纤耦合器(5)输出至光谱仪(7)的接收端；光学谐振腔磁场传感系统中宽带光源(1)、隔离器(2)、衰减器(3)、偏振控制器(4)、光纤耦合器(5)、FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构(6)、光谱仪(7)之间的连接均采用单模光纤连接；气压变化导致永久磁铁(16)位置发生变化，进而导致与FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构(6)光学特性相关的磁流体(9)及磁致伸缩介质(10)发生变化，通过光谱仪(7)测得的FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构(6)输出光谱中心波长的移动可以解调出气压的变化。
2.根据权利要求1所述的光学法布里－珀罗腔气压传感系统，其特征在于：所述的光纤耦合器(5)为1x2光纤耦合器或2x2光纤耦合器。
3.根据权利要求1所述的光学法布里－珀罗腔气压传感系统，其特征在于：所述的含膜片和永久磁铁的气体导管是外界环境气压感知单元，将感知的气压变化转化为磁场的变化。
4.根据权利要求1所述的光学法布里－珀罗腔气压传感系统，其特征在于：所述的FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构是传感单元，感知磁场的变化。
5.根据权利要求1所述的光学法布里－珀罗腔气压传感系统，其特征在于：所述的FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构中磁流体密封在导管(11)内，磁致伸缩介质与FP腔的一侧单模光纤截面相连接，且磁致伸缩介质位置固定，FP腔即导管内的腔体。
6.根据权利要求1所述的光学法布里－珀罗腔气压传感系统，其特征在于：所述的FP腔与磁流体和磁致伸缩介质复合结构中FP腔的腔长要满足测量的量程，当磁致伸缩介质伸缩时，仍保证FP腔的正常工作状态，FP腔即导管内的腔体。
7.根据权利要求1所述的光学法布里－珀罗腔气压传感系统，其特征在于：所述的磁流体为含有四氧化三铁的流体，或其它类型的磁流体，只要其折射率会随外界磁场变化发生变化；同时，磁流体在磁场作用下的折射率分布要保证光可以在FP腔内传输，FP腔即导管内的腔体。
8.根据权利要求1所述的光学法布里－珀罗腔气压传感系统，其特征在于：所述的磁致伸缩介质可以是Terfenol-D或其它的在磁场作用下能够伸缩的介质。
9.根据权利要求1所述的光学法布里－珀罗腔气压传感系统，其特征在于：所述的宽带光源的波段选用通讯波段，便于与其它的光学系统进行集成，且与光谱仪的接收波段相匹配。
10.根据权利要求1所述的光学法布里－珀罗腔气压传感系统，其特征在于：所述的单模光纤要保证所选波段内光信号的低损耗传输和易探测；所述的偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高；所述的光谱仪的分辨率选择要保证能分辨出FP腔输出光谱的移动。
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