CN109682513B - 一种基于侧抛式全光纤f-p结构的压力检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于侧抛式全光纤F‑P结构的压力检测方法，包括：利用化学腐蚀法腐蚀单模光纤一端，得到F‑P腔；使用侧面抛磨系统在F‑P腔两侧进行抛磨，得到侧抛式全光纤F‑P结构；将侧抛式全光纤F‑P结构与环形器、宽带光源、光谱分析仪组成压力测试系统；将侧抛式全光纤F‑P结构抛磨一端置于待测环境中，F‑P腔随外界压力变化产生轴向形变，根据压力、腔长、干涉光谱的变化关系，分析光谱分析仪采集的干涉光谱即可得到压力的大小。本发明压力检测方法采用化学腐蚀法制备的F‑P腔光滑且对比度、灵敏度高，并通过对F‑P腔侧面进行抛磨，使得腔体侧面变薄，对于气压更加敏感，能够用于临床医学检测气压，尤其是监测心脏稳定器对心脏吸附得压力。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于侧抛式全光纤F-P结构的压力检测方法。
背景技术
在做非体外循环冠状动脉搭桥手术的时候，由于心脏是处于搏动的状态，为了减少手术风险，提高手术成功率，需要使用心脏稳定器来固定心脏，使心脏手术做得更加精确，进展得更加顺利。心脏稳定器一端通过机械结构固定在钢铁支架上，另一端通过吸空吸盘中的空气，使之固定心脏组织上。但是如果吸盘的吸力过小，则无法牢固的固定心脏，如果吸盘的吸力过大，则会损伤心脏组织，使患者的病情恶化。因此，实时监测吸盘对心脏组织的吸附压力是十分有必要的。
全光纤F-P压力传感器具有抗电磁干扰，体积小，灵敏度高等优点，解决了传统的压力传感器存在的体积大、有电磁干扰和无毒无害的问题，能很好地应用到临床医学冠状动脉搭桥手术时实时监测心脏稳定器对心脏组织吸附的压力。全光纤F-P近些年国内外对此展开了广泛的研究，并取得了一些成就但也存在着一些问题。2004年，加拿大的Gao等人利用光纤套管在两段单模光纤之间形成空气F-P腔，当外界气压变化时，可以通过套管上的狭缝与F-P腔内进行气体交换，从而引起F-P腔折射率的变化。实验结果表明该传感器灵敏度为4.15nm/Mpa，但该结构封装麻烦。2010年，Deng等人报道了一种基于空芯毛细管和光子晶体光纤F-P型折射率传感器，通过将单模光纤与一段空芯毛细管相熔接，再在空芯毛细管另一侧熔接一段包层多孔结构的光子晶体光纤构成传感器的探头。当气压升高时，外界空气可以通过光子晶体光纤的气孔进入到空芯毛细管形成的F-P腔内，引起腔内折射率的变化，反射光谱发生漂移，可以计算出其压力灵敏度为4.46nm/MPa。灵敏度有所提升但制作成本比较高。2012年Chen等人提出使用壳聚糖作为反射隔膜进行压力和超声波探测，膜的厚度为1.5μm，该传感器最小可以探测到40kPa的压力。同年，Han课题组选用银膜来形成F-P腔的端面用来探测气压，获得了较高的灵敏度1.6nm/KPa。该传感器灵敏度得到大幅度的提升，但制作工艺复杂，价格昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于侧抛式全光纤F-P结构的压力检测方法，使用侧抛式全光纤F-P结构作为压力传感器，该传感器结构简单，制作成本较低，在临床医学上监测人体的压力具有重要意义。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种基于侧抛式全光纤F-P结构的压力检测方法，包括以下步骤：
步骤1、利用化学腐蚀法腐蚀单模光纤一端，得到F-P腔；使用侧面抛磨系统在F-P腔两侧进行抛磨，得到侧抛式全光纤F-P结构；
步骤2、将上述侧抛式全光纤F-P结构未抛磨一端与环形器的输出端连接，环形器的输入端与宽带光源连接，环形器的折射端与光谱分析仪连接，组成压力测试系统；
步骤3、将侧抛式全光纤F-P结构抛磨一端置于待测环境中，F-P腔随外界压力变化产生轴向形变，根据压力、腔长、干涉光谱的变化关系，分析光谱分析仪采集的干涉光谱即可得到压力的大小。
所述步骤3具体包括：
当宽带光源经过环形器到达侧抛式全光纤F-P结构，F-P腔进行双光束干涉，干涉光会返回环形器将光谱传到光谱分析仪上，根据光学平板双光束干涉原理，如果不考虑半波损失，两反射光会发生相干干涉，其光程差Δ和相位差δ可表示为：
Δ＝2nl
其中，n为F-P腔的折射率，l为腔长，λ为光源波长；
当光束入射时，反射光出射的光强Ir为：
其中，I0为入射光强，R为F-P结构光强反射率，δ为相位差；
当F-P腔受到外界压力的时候，腔体会发生轴向形变，根据不同压力与F-P腔长、光谱的变化关系，得到变形公式
式中，Δl为腔长变化量，ΔP为腔体内外压强差；l是腔长；ro、ri分别是腔体内、外半径；E为腔体的杨氏模量；μ为泊松比；
通过分析光谱分析仪采集的干涉光谱即可得到压力的大小。
作为本方案的一种优选，所述单模光纤采用美国康宁SMF28单模光纤。
作为本方案的一种优选，所述光谱分析仪采用YOKOGAWA光谱分析仪，型号为AQ6375，测量的波长1200～2400nm，分辨率可以到0.05nm。
本发明的有益效果是：本发明提供一种压力检测方法，该方法采用化学腐蚀法制备的F-P腔光滑且对比度、灵敏度高，并通过对F-P腔侧面进行抛磨，使得腔体侧面变薄，对于气压更加敏感，能够用于临床医学检测气压，尤其是监测心脏稳定器对心脏吸附得压力。
附图说明
图1为本发明侧抛式全光纤F-P结构的结构示意图；
图2为压力测试系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种基于侧抛式全光纤F-P结构的压力检测方法，包括以下步骤：
步骤1、利用化学腐蚀法腐蚀单模光纤一端，得到F-P腔；使用侧面抛磨系统在F-P腔两侧进行抛磨，得到侧抛式全光纤F-P结构，如图1所示；单模光纤采用美国康宁SMF28单模光纤。
步骤2、将上述侧抛式全光纤F-P结构未抛磨一端与环形器的输出端连接，环形器的输入端与宽带光源连接，环形器的折射端与光谱分析仪连接，组成压力测试系统，如图2所示；光谱分析仪采用YOKOGAWA光谱分析仪，型号为AQ6375，测量的波长1200～2400nm，分辨率可以到0.05nm。
步骤3、将侧抛式全光纤F-P结构抛磨一端置于待测环境中，F-P腔随外界压力变化产生轴向形变，根据压力、腔长、干涉光谱的变化关系，分析光谱分析仪采集的干涉光谱即可得到压力的大小。具体包括：
当宽带光源经过环形器到达侧抛式全光纤F-P结构，F-P腔进行双光束干涉，干涉光会返回环形器将光谱传到光谱分析仪上，根据光学平板双光束干涉原理，如果不考虑半波损失，两反射光会发生相干干涉，其光程差Δ和相位差δ可表示为：
Δ＝2nl
其中，n为F-P腔的折射率，l为腔长，λ为光源波长；
当光束入射时，反射光出射的光强Ir为：
其中，I0为入射光强，R为F-P结构光强反射率，δ为相位差；
当F-P腔受到外界压力的时候，腔体会发生轴向形变，根据不同压力与F-P腔长、光谱的变化关系，得到变形公式
式中，Δl为腔长变化量，ΔP为腔体内外压强差；l是腔长；ro、ri分别是腔体内、外半径；E为腔体的杨氏模量；μ为泊松比；
通过分析光谱分析仪采集的干涉光谱即可得到压力的大小。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
Claims (4)
1.一种基于侧抛式全光纤F-P结构的压力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用化学腐蚀法腐蚀单模光纤一端，得到F-P腔；使用侧面抛磨系统在F-P腔两侧进行抛磨，得到侧抛式全光纤F-P结构；
步骤2、将上述侧抛式全光纤F-P结构未抛磨一端与环形器的输出端连接，环形器的输入端与宽带光源连接，环形器的折射端与光谱分析仪连接，组成压力测试系统；
步骤3、将侧抛式全光纤F-P结构抛磨一端置于待测环境中，F-P腔随外界压力变化产生轴向形变，根据压力、腔长、干涉光谱的变化关系，分析光谱分析仪采集的干涉光谱即可得到压力的大小。
2.如权利要求1所述的一种基于侧抛式全光纤F-P结构的压力检测方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
当宽带光源经过环形器到达侧抛式全光纤F-P结构，F-P腔进行双光束干涉，干涉光会返回环形器将光谱传到光谱分析仪上，根据光学平板双光束干涉原理，如果不考虑半波损失，两反射光会发生相干干涉，其光程差Δ和相位差δ可表示为：
Δ＝2nl
其中，n为F-P腔的折射率，l为腔长，λ为光源波长；
当光束入射时，反射光出射的光强Ir为：
其中，I0为入射光强，R为F-P结构光强反射率，δ为相位差；
当F-P腔受到外界压力的时候，腔体会发生轴向形变，根据不同压力与F-P腔长、光谱的变化关系，得到变形公式
式中，Δl为腔长变化量，ΔP为腔体内外压强差；l是腔长；ro、ri分别是腔体内、外半径；E为腔体的杨氏模量；μ为泊松比；
通过分析光谱分析仪采集的干涉光谱即可得到压力的大小。
3.如权利要求1所述的一种基于侧抛式全光纤F-P结构的压力检测方法，其特征在于，所述单模光纤采用美国康宁SMF28单模光纤。
4.如权利要求1所述的一种基于侧抛式全光纤F-P结构的压力检测方法，其特征在于，所述光谱分析仪采用YOKOGAWA光谱分析仪，型号为AQ6375，测量的波长1200～2400nm，分辨率可以到0.05nm。
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