CN109580546B - 利用光纤法珀气体折射率和温度传感系统实现的测量方法 - Google Patents
利用光纤法珀气体折射率和温度传感系统实现的测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109580546B CN109580546B CN201811556114.9A CN201811556114A CN109580546B CN 109580546 B CN109580546 B CN 109580546B CN 201811556114 A CN201811556114 A CN 201811556114A CN 109580546 B CN109580546 B CN 109580546B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- refractive index
- optical fiber
- perot
- fabry
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 53
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 28
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims abstract 2
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 28
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N Acetaminophen Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 22
- 239000005297 pyrex Substances 0.000 claims description 22
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 10
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 3
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 2
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 238000012742 biochemical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000007526 fusion splicing Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
- G01D5/35309—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
- G01D5/35312—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Fabry Perot
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
- G01N2021/458—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods using interferential sensor, e.g. sensor fibre, possibly on optical waveguide
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种光纤法珀气体折射率和温度传感器及系统、测量方法，包括光纤法珀气体折射率和温度传感器(18)及其构成的测量系统；所述SLD光源(16)发出的光经过环形器(17)进入光纤法珀气体折射率和温度传感器(18)，传感器(18)三个反射面反射的光形成干涉，反射信号经过环形器(17)被光谱仪(19)接收，计算机(20)记录反射回的干涉光谱信号并进行计算处理；所述恒温箱(22)控制压力舱里的温度扫描变化；空气压力舱(21)中的压力通过压力控制系统控制压力的变化，使得舱内压力进行变化扫描，实现温度、气体折射率的同时测量，且实现了温度补偿。与现有技术相比，本发明实现高精度测量，具有结构性能稳定，成本低、可批量加工等优势。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种可同时测量气体折射率和温度的测量方法。
背景技术
气体折射率是生物化学分析和以气体为传播介质的激光系统中的重要光学参数之一。光纤法布里-珀罗(F-P)传感器以其紧凑的尺寸、抗电磁干扰和高灵敏度的特点，引起了大量用于气体折射率传感的研究。如MingDeng等(MingDeng,ChangpingTang,Tao Zhu,etal.,Refractive index measurement usingphotonic crystal fiber-based Fabry–Perot interferometer,AppliedOptics,2010,49(9):1593-1598)在单模光纤与光子晶体之间熔接一段中空芯光纤,构建了一种新型的法珀气体折射率传感器。Mingran Quan等(Mingran Quan,Jiajun Tian,YongYao,Ultra-high sensitivity Fabry–Perotinterferometer gas refractive index fiber sensor based on photonic crystalfiber and Vernier effect,Optics Letters,2015,40(21):4891)提出了一种超高灵敏度的法珀气体折射率传感器，该传感器是通过将一段光子晶体光纤(PCF)与一段光纤管和一段单模光纤熔接而制备的。Ruohui Wang 等(Ruohui Wang and Xueguang Qiao，Gasrefractometer based on optical fiber extrinsic Fabry–Perot interferometerwith open cavity，Photonics Technology Letters，2015,27(3):245-248)研究了一种基于法珀干涉的气体折射率传感器，该传感器是由一段较短的毛细管两端分别与单模光纤和带侧孔的光纤熔接而成的。这些传感器由于其全二氧化硅或温度不敏感材料而具有相对低的温度灵敏度，但是由热膨胀引起的温度交叉灵敏度仍然大大降低了折射率的测量精度。此外，大多数材料的折射率是与温度有关的，因此有必要同时测量出折射率和温度。RuohuiWang等(Ruohui Wang and Xueguang Qiao，Applied Optics，2014,53(32):7724-7728)提出了一种混合微型光纤F-P干涉仪，能够同时测量气体折射率和温度。通过熔接两个不同内径的毛细管和单模光纤，使三部分串联起来构成混合法珀干涉仪。一个由大内径毛细管形成的空腔构成的非本征型干涉仪，和一个由一小段小内径毛细管构成的本征型干涉仪。干涉光谱中不同的峰对气体折射率和温度的变化表现出不同的反应，基于此特点，可以同时测量温度与折射率。但此传感器的温度敏感材料为二氧化硅，因此温度敏感度受到其低热光系数的限制。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提出了一种利用光纤法珀气体折射率和温度传感系统实现的测量方法，可同时测量气体折射率和温度的光纤珐珀传感器及其测量方法。
本发明的一种利用光纤法珀气体折射率和温度传感系统实现的测量方法，所述光纤法珀气体折射率和温度传感器测量系统，包括SLD光源16、环形器17、光纤法珀气体折射率和温度传感器18、光谱仪19、计算机20、空气压力舱21、恒温箱22以及压力控制系统；其中，所述光纤法珀气体折射率和温度传感器18置于空气压力舱21内，所述空气压力舱21是密封的、且置于所述恒温箱22内；所述压力控制系统由压力控制仪23、真空泵24和空气压缩机25构成，所述压力控制系统和所述空气压力舱21之间、以及所述压力控制系统的各部件之间通过气管26连接；所述SLD光源16、所述光谱仪19通过环形器17与空气压力舱21连接；其中：
所述SLD光源16发出的光经过所述环形器17进入光纤法珀气体折射率和温度传感器18，传感器18三个反射面反射的光形成干涉，反射信号经过环形器17被光谱仪19接收，计算机20与光谱仪19连接，记录反射回的干涉光谱信号并进行计算处理；所述恒温箱22控制压力舱里的温度扫描变化；所述空气压力舱21中的压力通过压力控制系统控制压力的变化，使得舱内压力进行变化扫描；
所述光纤法珀气体折射率和温度传感器18，包括单模光纤5、光纤插芯4和传感头芯片，单模光纤5固定在光纤插芯4中，光纤插芯4与传感头芯片连接在一起，单模光纤5的端面与双面抛光单晶硅片1下表面紧贴，起到光传输作用；其中：
传感头芯片采用三层结构，第一层的双面抛光单晶硅片1、第二层的Pyrex玻璃片2和第三层的单面抛光单晶硅片3；
所述双面抛光单晶硅片1的下表面和上表面作为两个反射面即第一反射面8、第二反射面9，构成作为温度敏感元件的第一法珀腔FP1，腔长为双面抛光单晶硅片1的厚度；
所述Pyrex玻璃片2中心设置圆形通孔6，使得光束直接穿过Pyrex玻璃片2，圆形通孔6侧面设置矩形通槽7，使得光束穿过圆形通孔6的中线；
所述双面抛光单晶硅片1的上表面和所述单面抛光单晶硅片3的下表面作为两个反射面即第二反射面9、第三反射面10，构成作为气体折射率敏感元件的第二法珀腔FP2，腔长为Pyrex玻璃片2的厚度；
该测量方法包括以下步骤：
第一步，在常压下，进行传感器法珀腔FP1温度标定试验：通过对恒温箱温度t进行扫描，采集每个温度下的干涉光谱信号，解调出对应第一法珀腔FP1的第一干涉光程差ΔFP1，对温度t和第一干涉光程差ΔFP1进行线性拟合，得到拟合直线的公式ΔFP1＝St·t+ΔFP10，由此得到温度计算公式
t＝(ΔFP1-ΔFP10)/St (1)
其中，ΔFP10表示拟合直线的截距，St表示拟合直线的斜率；
第二步，进行传感器法珀腔FP2温度、折射率标定试验，利用压力变化引起的空气折射率变化进行标定：空气折射率ngas与空气压力P关系的表达式为
气体折射率与气体压强成线性关系变化；分别在温度t1、t2、t3和t4下，对空气压力舱内压力P进行扫描，采集每个测量点下的干涉光谱信号，解调出对应第二法珀腔FP2的第二干涉光程差ΔFP2，分别对每个温度下的压力P和光程差进行线性拟合，得到t1、t2、t3和t4下拟合直线的公式
和
其中，
和
分别表示温度t1、t2、t3和t4下拟合直线的截距，
分别表示温度t1、t2、t3和t4下拟合直线的斜率；
第三步，对第二步中得到的温度t1、t2、和t4下拟t3合直线的截距
和
与对应温度t1、t2、t3和t4进行线性拟合，得到拟合直线的公式为：
Kt＝Stc·t+K0 (2)
其中，Kt表示温度t时拟合直线的截距的标定值，K0表示拟合直线的截距，Stc表示拟合公式的斜率。
第四步，将传感器置于待测气体折射率、温度环境中，采集此时的干涉光谱信号，分别解调出第一法珀腔FP1的第一干涉光程差ΔFP1和第二法珀腔FP2的第二干涉光程差ΔFP2，将待测折射率表示为：
ngas＝ΔFP2/Kt (3)
根据公式(1)、(2)、(3)实现温度、气体折射率的同时测量，且实现了温度补偿。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、能够实现温度和气体折射率双参量的同时测量；
2、具有较高的气体折射率灵敏度和分辨率；
3、在测量温度的基础上，能够对气体折射率测量时温度交叉敏感引起的误差进行校正，实现高精度测量；
4、具有结构性能稳定，成本低、可批量加工等优势。
附图说明
图1为本发明中光纤珐珀气体折射率和温度传感器结构示意图；
图2为本发明中光纤珐珀气体折射率和温度传感头芯片阵列式批量生产时结构示意图；
图3为本发明中气体折射率和温度测量方法所使用系统结构示意图；
图4为传感器输出的反射光谱；
图5为传感器输出反射光谱经过傅里叶变换后的空间频谱；
图6为滤波后提取出的独立干涉光谱，其中(a)为法珀腔FP1的干涉光谱；(b)为法珀腔FP2的干涉光谱；
图7为法珀腔FP1干涉光程差解调结果与温度关系图；
图8为法珀腔FP2干涉光程差解调结果与压力关系图；
图9为拟合曲线截距随温度变化曲线图。
图中：1、双面抛光单晶硅片，2、Pyrex玻璃片，3、单面抛光单晶硅片，4、光纤插芯，5、单模光纤，6、圆形通孔，7、矩形通槽，8、第一反射面R1，9、第二反射面R2，10、第三反射面R3，11、双面抛光单晶硅晶圆片，12、Pyrex玻璃晶圆片，13、单面抛光单晶硅晶圆片，14、圆形通孔阵列，15、矩形通槽阵列，16、SLD光源，17、环形器，18、光纤法珀气体折射率和温度传感器，19、光谱仪，20、计算机，21、空气压力舱，22、恒温箱，23、压力控制仪，24、真空泵，25、空气压缩机，26、气管。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
实施例1：一种光纤法珀气体折射率和温度传感器的具体实施方式
如图1所示，该光纤法珀气体折射率和温度传感器由光纤插芯4、单模光纤5和传感头芯片构成。传感头芯片由三层结构构成，第一层为双面抛光单晶硅片1，第二层为Pyrex玻璃片2，第三层为单面抛光的单晶硅片3。
如图2所示为光纤法珀气体折射率和温度传感器中传感头芯片的批量制作的一部分示意图。在厚度为480μm～520μm的4英寸Pyrex玻璃晶圆片12上采用喷砂的方法加工出圆形通孔阵列14，圆形通孔直径在1000μm～2000μm之间，圆形通孔的深度贯穿整个Pyrex玻璃晶圆片12，阵列中相邻两个通孔之间的间距为2500μm；在Pyrex玻璃晶圆片12的表面采用喷砂的方法加工矩形沟槽阵列15，矩形沟槽宽度为150～200μm，矩形沟槽深度贯穿整个Pyrex玻璃晶圆片12，阵列中相邻两个通槽之间的间距同样为2500μm，并且每一个矩形沟槽的中线都与一列圆形通孔的中线对齐；将厚度为290μm～310μm的双面抛光的4英寸单晶硅晶圆片11清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，在350℃下键合单晶硅晶圆片11与Pyrex玻璃晶圆片12的下表面；将厚度为100μm～200μm的单面抛光的4英寸单晶硅晶圆片13清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，在350℃下键合单晶硅晶圆片13的抛光面Pyrex玻璃晶圆片12的上表面，至此形成三层整体结构；使用划片机将4英寸传感头芯片阵列晶圆片进行划片处理，切割成表面是正方形，边长是2500μm的单个传感头单元。采用这种制作方法，可以实现批量生产，节约成本的同时，还可以保证每个传感头芯片的结构参数相同。
光纤插芯4采用Pyrex玻璃加工，其中间钻有轴向通孔。将传感头芯片的第二层Pyrex玻璃片2中圆形通孔6与光纤插芯4通孔对中，单模光纤5从光纤插芯4后端插入，顶紧到第一层的双面抛光单晶硅片1的下表面。并用环氧树脂胶将光纤插芯4与传感头芯片以及单模光纤5粘接在一起，完成传感器的制作。
第一层的双面抛光单晶硅片1的下表面和上表面分别构成第一个法珀腔FP1的两个反射面(即第一反射面8和第二反射面9，腔长为双面抛光单晶硅片1的厚度L1；第一层的双面抛光单晶硅片1的上表面R29和第三层单晶硅片3的下表面R310分别构成第二个法珀腔FP2的两个反射面，腔长为Pyrex玻璃片2的厚度L2；法珀腔FP1作为温度敏感元件，利用硅的热光效应和热膨胀效应，在不同的温度环境中，第一层的双面抛光单晶硅片1的折射率nsi和厚度即腔长L1均发生变化，从而改变法珀腔FP1的干涉相位
其中λ是输入光的波长，实现温度测量转化为光程差测量，FP1的光程差表示为
其中αsi是硅的热膨胀系数，
是硅的热光系数，dT是温度变化量；法珀腔FP2作为气体折射率敏感元件，待测气体通过通槽7进入圆形通孔6中，在不同的气体环境中，气体折射率ngas即法珀腔FP2的折射率发生变化，从而改变法珀腔FP2的干涉相位，实现气体折射率测量转化为光程差测量。此外，温度变化时，第二层Pyrex玻璃片2的厚度即腔长L2也发生变化，同样影响法珀腔FP2的干涉相位
FP2的光程差可以表示为ΔFP2＝2ngasL2(1+αg·dT)，其中αg是Pyrex玻璃的热膨胀系数。所以从传感器的反射光谱中分别提取出两个法珀腔的干涉光谱，并分别解调出两个法珀腔的光程差，可以实现气体折射率和温度的同时测量。
实施例2：光纤法珀气体折射率和温度传感器测量方法的具体实施方式
如图3所示，测量系统包括SLD光源16、环形器17、光纤法珀气体折射率和温度传感器(18)、光谱仪19、计算机20、空气压力舱21、恒温箱22、压力控制系统。其中，所述光纤法珀气体折射率和温度传感器18置于空气压力舱21内，并将空气压力舱21密封；所述空气压力舱21置于恒温箱22内，恒温箱(22)控制压力舱里的温度扫描变化；所述空气压力舱21中的压力通过压力控制系统控制压力的变化，使得舱内压力进行变化扫描，所述压力控制系统由压力控制仪23、真空泵24和空气压缩机25构成，所述压力控制系统和所述空气压力舱21之间、以及所述压力控制系统的各部件之间通过气管26联接；SLD光源16发出的光经过环形器17进入传感器18，传感器18三个反射面反射的光形成干涉，反射信号经过环形器17被光谱仪19接收，计算机20与光谱仪19连接，记录反射回的干涉光谱信号并进行计算处理。干涉光谱信号的总光强可以表示为
其中，I1,I2和I3是三束反射光的光强，反射光谱是具有三种不同光谱频率成分的余弦函数的线性叠加，分别对应三个法珀腔FP1、FP2和FP1+FP2，采集到的干涉光谱如图4所示。经过傅里叶变换后的频率谱如图5所示，可以明显看到三个频率分量从左到右分别对应空气腔FP2、硅腔FP1、组合长腔FP1+FP2。求出法珀腔的粗略光程差Δ＝2k/Nδv，其中N是傅里叶变换的采样点数，k是对应法珀腔频率分量峰值的横坐标，δv＝δλ/λ2是傅里叶变换的采样间隔；构造理想带通滤波器，分离出法珀腔FP1和FP2各自的干涉光谱。根据m＝Δ/λm计算一个特定干涉波峰λm的干涉级次m，将m取整后，记为m’，求出精确光程差Δ'＝m'λm；
第1步，在常压下，进行传感器法珀腔FP1温度标定试验：设定恒温箱(22)温度从10℃变化到60℃，间隔5℃进行扫描，采集每个温度下的干涉光谱信号，提取出珀腔FP1干涉光谱的漂移如图6(a)所示，随着温度的增加，干涉光谱逐渐向波长变长的方向移动。解调出对应法珀腔FP1的干涉光程差ΔFP1，如图7所示。对温度t和光程差ΔFP1＝113.309t+2174852.367进行线性拟合，得到拟合公式ΔFP1＝113.309t+2174852.367，由此得到温度计算公式
t＝(ΔFP1-2174852.367)/113.309 (2)
第2步，进行传感器法珀腔FP2温度、折射率标定试验，利用压力变化引起的空气折射率变化进行标定：空气折射率ngas与空气压力P关系的表达式为
压力单位为Pa，温度单位为℃，在一固定温度下，气体折射率与气体压强成线性关系变化。分别在温度10℃、20℃、30℃和40℃下，对空气压力舱(21)内压力P进行扫描，P从10kPa变化至280kPa，间隔10kPa，采集每个测量点下的干涉光谱信号，提取出珀腔FP2干涉光谱的漂移如图6(b)所示，随着压力的增加，干涉光谱逐渐向波长变长的方向移动。解调出对应法珀腔FP2的干涉光程差ΔFP2，如图8所示。分别对每个温度下的压力P和光程差进行线性拟合，得到10℃、20℃、30℃和40℃下的拟合公式ΔFP2＝2.77631P+1011669.954、ΔFP2＝2.68097P+1011704.161、ΔFP2＝2.59060P+1011740.911和ΔFP2＝2.50878P+1011776.690；
第3步，对第2步中得到的四个拟合公式中的四个截距
和
与对应温度t1＝10℃、t2＝20℃、t3＝30℃和t4＝40℃进行线性拟合，如图9所示，得到拟合公式
Kt＝3.56957t+1011633.690 (3)
第4步，将传感器置于待测气体折射率、温度环境中，采集此时的干涉光谱信号，分别解调出法珀腔FP1和法珀腔FP2相应的干涉光程差ΔFP1和ΔFP2，根据公式(2)能够计算出待测温度t；将计算出的温度t代入到公式(3)中算出Kt，待测折射率可以表示为
ngas＝ΔFP2/Kt (4)
综上，根据公式(2)、(3)、(4)能够实现温度、气体折射率的同时测量，且实现了温度补偿。
Claims (1)
1.一种利用光纤法珀气体折射率和温度传感测量系统实现的测量方法，其特征在于，所述光纤法珀气体折射率和温度传感测量系统，包括SLD光源(16)、环形器(17)、光纤法珀气体折射率和温度传感器(18)、光谱仪(19)、计算机(20)、空气压力舱(21)、恒温箱(22)以及压力控制系统；其中，所述光纤法珀气体折射率和温度传感器(18)置于空气压力舱(21)内，所述空气压力舱(21)是密封的、且置于所述恒温箱(22)内；所述压力控制系统由压力控制仪(23)、真空泵(24)和空气压缩机(25)构成，所述压力控制系统和所述空气压力舱(21)之间、以及所述压力控制系统的各部件之间通过气管(26)连接；所述SLD光源(16)、所述光谱仪(19)通过环形器(17)与空气压力舱(21)连接；其中：
所述SLD光源(16)发出的光经过所述环形器(17)进入光纤法珀气体折射率和温度传感器(18)，传感器(18)三个反射面反射的光形成干涉，反射信号经过环形器(17)被光谱仪(19)接收，计算机(20)与光谱仪(19)连接，记录反射回的干涉光谱信号并进行计算处理；所述恒温箱(22)控制压力舱里的温度扫描变化；所述空气压力舱(21)中的压力通过压力控制系统控制压力的变化，使得舱内压力进行变化扫描；
所述光纤法珀气体折射率和温度传感器(18)，包括单模光纤(5)、光纤插芯(4)和传感头芯片，单模光纤(5)固定在光纤插芯(4)中，光纤插芯(4)与传感头芯片连接在一起，单模光纤(5)的端面与双面抛光单晶硅片(1)下表面紧贴，起到光传输作用；其中：
传感头芯片采用三层结构，第一层的双面抛光单晶硅片(1)、第二层的Pyrex玻璃片(2)和第三层的单面抛光单晶硅片(3)；
所述双面抛光单晶硅片(1)的下表面和上表面作为两个反射面即第一反射面(8)、第二反射面(9)，构成作为温度敏感元件的第一法珀腔FP1，腔长为双面抛光单晶硅片(1)的厚度；
所述Pyrex玻璃片(2)中心设置圆形通孔(6)，使得光束直接穿过Pyrex玻璃片(2)，圆形通孔(6)侧面设置矩形通槽(7)，使得光束穿过圆形通孔(6)的中线；
所述双面抛光单晶硅片(1)的上表面和所述单面抛光单晶硅片(3)的下表面作为两个反射面即第二反射面(9)、第三反射面(10)，构成作为气体折射率敏感元件的第二法珀腔FP2，腔长为Pyrex玻璃片(2)的厚度；
该测量方法包括以下步骤：
第一步，在常压下，进行传感器法珀腔FP1温度标定试验：通过对恒温箱温度t进行扫描，采集每个温度下的干涉光谱信号，解调出对应第一法珀腔FP1的第一干涉光程差ΔFP1，对温度t和第一干涉光程差ΔFP1进行线性拟合，得到拟合直线的公式ΔFP1＝St·t+ΔFP10，由此得到温度计算公式
t＝(ΔFP1-ΔFP10)/St (1)
其中，ΔFP10表示拟合直线的截距，St表示拟合直线的斜率；
第二步，进行传感器法珀腔FP2温度、折射率标定试验，利用压力变化引起的空气折射率变化进行标定：空气折射率ngas与空气压力P关系的表达式为
气体折射率与气体压强成线性关系变化；分别在温度t1、t2、t3和t4下，对空气压力舱内压力P进行扫描，采集每个测量点下的干涉光谱信号，解调出对应第二法珀腔FP2的第二干涉光程差ΔFP2，分别对每个温度下的压力P和光程差进行线性拟合，得到t1、t2、t3和t4下拟合直线的公式
和
其中，
和
分别表示温度t1、t2、t3和t4下拟合直线的截距，
分别表示温度t1、t2、t3和t4下拟合直线的斜率；
第三步，对第二步中得到的温度t1、t2、t3和t4下拟合直线的截距
和
与对应温度t1、t2、t3和t4进行线性拟合，得到拟合直线的公式为：
Kt＝Stc·t+K0 (2)
其中，Kt表示温度t时拟合直线的截距的标定值，K0表示拟合直线的截距，Stc表示拟合公式的斜率；
第四步，将传感器置于待测气体折射率、温度环境中，采集此时的干涉光谱信号，分别解调出第一法珀腔FP1的第一干涉光程差ΔFP1和第二法珀腔FP2的第二干涉光程差ΔFP2，将待测折射率表示为：
ngas＝ΔFP2/Kt (3)
根据公式(1)、(2)、(3)实现温度、气体折射率的同时测量，且实现了温度补偿。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811556114.9A CN109580546B (zh) | 2018-12-19 | 2018-12-19 | 利用光纤法珀气体折射率和温度传感系统实现的测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811556114.9A CN109580546B (zh) | 2018-12-19 | 2018-12-19 | 利用光纤法珀气体折射率和温度传感系统实现的测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109580546A CN109580546A (zh) | 2019-04-05 |
| CN109580546B true CN109580546B (zh) | 2021-07-20 |
Family
ID=65929996
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811556114.9A Active CN109580546B (zh) | 2018-12-19 | 2018-12-19 | 利用光纤法珀气体折射率和温度传感系统实现的测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109580546B (zh) |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110441265A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-11-12 | 武汉理工大学 | 基于一氧化碳敏感材料的光纤一氧化碳检测系统及其应用 |
| CN110793938A (zh) * | 2019-09-05 | 2020-02-14 | 天津大学 | 同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器及其测量方法 |
| CN110440951B (zh) * | 2019-09-05 | 2020-07-03 | 大连理工大学 | 一种等离子气体的温度测量装置 |
| CN110726374B (zh) * | 2019-09-17 | 2021-12-07 | 天津大学 | 基于单模光纤的光纤法珀应变传感器及制作方法、测量方法 |
| CN110954144B (zh) * | 2019-12-17 | 2021-06-11 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 光纤fp传感器的全光谱信号拟合解调方法及装置 |
| CN111175253B (zh) * | 2020-01-08 | 2022-08-23 | 天津大学 | 混合式蓝宝石晶体双法珀腔光纤折射率传感器及测量方法 |
| WO2021156731A1 (en) * | 2020-02-03 | 2021-08-12 | Onpoint Technologies, Llc | Temperature sensor and temperature-measurement method |
| CN111879435B (zh) * | 2020-02-27 | 2022-06-07 | 重庆大学 | 吸气式光纤法珀总温探针及其测量系统 |
| CN111208088A (zh) * | 2020-03-17 | 2020-05-29 | 广东海洋大学 | 一种基于法布里-珀罗干涉的光纤重离子传感器 |
| CN112525257B (zh) * | 2020-11-19 | 2021-09-07 | 哈尔滨理工大学 | 一种监测磁场和温度的双参量光纤传感装置及实现方法 |
| CN112525259B (zh) * | 2020-11-19 | 2021-09-07 | 哈尔滨理工大学 | 一种监测电流和温度的双参量光纤传感装置及实现方法 |
| CN112484906A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-03-12 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 一种气体压力光学测量温度补偿方法 |
| CN113639921B (zh) * | 2021-08-24 | 2023-05-12 | 北京理工大学 | 一种基于拓扑光子高q腔的mems压力传感器 |
| CN113945542B (zh) * | 2021-09-10 | 2023-11-14 | 汕头大学 | 一种光纤传感器、基于光纤传感器的检测装置及其应用 |
| CN114486731B (zh) * | 2021-12-27 | 2024-05-03 | 西安理工大学 | 基于法珀腔的光纤气体传感器 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102384809A (zh) * | 2011-08-09 | 2012-03-21 | 天津大学 | 无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法 |
| CN102607761A (zh) * | 2012-03-22 | 2012-07-25 | 天津大学 | 双法-珀光纤压力传感器温度自校正及其制作方法 |
| CN102778306A (zh) * | 2012-07-13 | 2012-11-14 | 南京信息工程大学 | 光子晶体光纤折射率温度传感器、制作方法及测量系统 |
| CN103115698A (zh) * | 2013-03-06 | 2013-05-22 | 东北大学 | 一种基于酒精填充的光纤fp温度传感器 |
| CN105043588A (zh) * | 2015-06-03 | 2015-11-11 | 北京理工大学 | 一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器 |
| CN106197492A (zh) * | 2016-06-29 | 2016-12-07 | 南京航空航天大学 | 基于光纤复合法珀腔结构的法珀腔长与折射率计算方法 |
| CN107560755A (zh) * | 2017-07-17 | 2018-01-09 | 西北工业大学 | 蓝宝石基光纤f‑p温度压力复合传感器及其制备方法 |
| CN107664548A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-02-06 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 一种efpi光纤压力传感器及其制作方法 |
| CN107764441A (zh) * | 2017-09-12 | 2018-03-06 | 天津大学 | 光纤mems压力传感器f‑p腔内残余压力测量系统及方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2481039A (en) * | 2010-06-09 | 2011-12-14 | Rolls Royce Plc | Temperature, Pressure and Neutron Fluence Measurment |
-
2018
- 2018-12-19 CN CN201811556114.9A patent/CN109580546B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102384809A (zh) * | 2011-08-09 | 2012-03-21 | 天津大学 | 无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法 |
| CN102607761A (zh) * | 2012-03-22 | 2012-07-25 | 天津大学 | 双法-珀光纤压力传感器温度自校正及其制作方法 |
| CN102778306A (zh) * | 2012-07-13 | 2012-11-14 | 南京信息工程大学 | 光子晶体光纤折射率温度传感器、制作方法及测量系统 |
| CN103115698A (zh) * | 2013-03-06 | 2013-05-22 | 东北大学 | 一种基于酒精填充的光纤fp温度传感器 |
| CN105043588A (zh) * | 2015-06-03 | 2015-11-11 | 北京理工大学 | 一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器 |
| CN106197492A (zh) * | 2016-06-29 | 2016-12-07 | 南京航空航天大学 | 基于光纤复合法珀腔结构的法珀腔长与折射率计算方法 |
| CN107560755A (zh) * | 2017-07-17 | 2018-01-09 | 西北工业大学 | 蓝宝石基光纤f‑p温度压力复合传感器及其制备方法 |
| CN107764441A (zh) * | 2017-09-12 | 2018-03-06 | 天津大学 | 光纤mems压力传感器f‑p腔内残余压力测量系统及方法 |
| CN107664548A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-02-06 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 一种efpi光纤压力传感器及其制作方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Hybrid Miniature Fabry–Perot Sensor with Dual Optical Cavities for Simultaneous Pressure and Temperature Measurements;Hyungdae Bae et al.;《Journal of Lightwave Technology》;20140415;第32卷(第8期);第1585-1593页 * |
| Measurement of high pressure and high temperature using a dual-cavity Fabry–Perot interferometer created in cascade hollow-core fibers;Zhe Zhang et al.;《Optics Letters》;20181215;第43卷(第24期);第6009-6012页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109580546A (zh) | 2019-04-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109580546B (zh) | 利用光纤法珀气体折射率和温度传感系统实现的测量方法 | |
| CN108225657B (zh) | 一种具有光学游标效应的光纤fp气压传感器及其制备方法 | |
| US7244926B2 (en) | Microresonator-based high-performance high-pressure sensor and system | |
| US5392117A (en) | Fabry-Perot optical sensing device for measuring a physical parameter | |
| CN101832832B (zh) | 光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法 | |
| CN102721492B (zh) | 具有光纤光栅温度补偿的光纤法珀压力传感器及制作方法 | |
| Yin et al. | Batch-producible fiber-optic Fabry–Pérot sensor for simultaneous pressure and temperature sensing | |
| CN108195555B (zh) | 光纤天平气动力测量系统及测量方法 | |
| CN103234672B (zh) | 基于双折射晶体温度补偿的光纤压力传感器及其制作方法 | |
| CN206618528U (zh) | 一种基于多个法布里‑珀罗微腔的光纤气压传感装置 | |
| CN111220188B (zh) | 基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器 | |
| CN108759983B (zh) | 一种开腔压差式光纤法珀液位传感器及其液位测量方法 | |
| Pechstedt | Fibre optic pressure and temperature sensor for applications in harsh environments | |
| CN107843291A (zh) | 一种光纤温度压力复合传感器 | |
| CN112326060A (zh) | 一种高灵敏并行双f-p腔光纤温度传感装置 | |
| CN204788749U (zh) | 带有复合介质薄膜的f-p压力传感器 | |
| Guo et al. | High sensitivity gas pressure sensor based on two parallel-connected Fabry–Perot interferometers and Vernier effect | |
| CN115808191A (zh) | 一种高温自补偿光纤f-p腔mems振动传感器及其制造方法 | |
| CN106289570A (zh) | 光纤法珀温度传感器 | |
| CN113295193B (zh) | 一种用于深海勘测的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器的制作方法 | |
| CN210036956U (zh) | 一种光纤光栅双边沿校正解调振动测量装置 | |
| Xiao-qi et al. | An optical fibre MEMS pressure sensor using dual-wavelength interrogation | |
| CN115435885A (zh) | Mems光纤悬臂梁声传感器及制备方法 | |
| CN115096341A (zh) | 一种侧边对光的复合光纤法布里-珀罗传感器 | |
| CN1632489A (zh) | 光纤微电子机械系统压力传感器及其复用结构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |