CN109738667A - 一种基于微光纤复合结构的加速度检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微光纤复合结构的加速度检测方法，包括：紧固件、外壳、密封圈、塑封剂、光源、光学探测器、微光纤锥、光纤微球、三角棱镜、支撑架、支撑架、折射率匹配液。光源发出1520‑1580nm的近红外宽谱光信号，通过底面涂敷半透半反膜的三角棱镜后入射到微光纤锥中。微光纤锥的端面和光纤微球的表面构成一个F‑P干涉腔，光信号一部分在微光纤锥的出射端直接反射回去，另一部分则出射到达光纤微球的表面，并被反射回去进入微光纤锥，与直接反射光信号干涉，在三角棱镜反射后由光学探测器接收，加速度变化时，可使光纤微球偏离结构轴心位置，改变F‑P干涉腔的腔长，通过解析两路干涉光信号可得出F‑P干涉腔等效长度的变化量，进而得到加速度的大小。本发明采用微光纤锥可产生光学消逝场，同时该消逝场对外界环境参数变化极为敏感的特性，有效提高了F‑P干涉仪的测量灵敏度。
Description
技术领域
本发明属光纤传感器技术，涉及一种基于微光纤锥球面反射型干涉仪结构，具体涉及一种基于微光纤复合结构的加速度检测方法。
背景技术
光纤传感器具有高分辨率、耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点，因此，将光纤应变传感器运用于工程结构监测已成为近几十年来各国学者研究的热点，期间设计了许多不同类型的光纤传感器。光纤F-P干涉仪早在20世纪80年代就被发明出来，它的工作机理是基于光波的干涉现象，经过一定长度F-P腔后的信号光会与原始参考光干涉，通过干涉信号的光谱解调可以获得F-P腔长的变化，因而可利用光波分干涉原理来精确测量小位移和细微的波长变化。在航空航天、工业生产、医疗卫生等领域，光纤F-P干涉仪都有着广泛的应用前景。光纤F-P干涉仪的结构形式多样，可以借助不同的制备技术和新型材料构建F-P干涉腔，以实现对光学信号的调制或者对外界环境参量变化的实时、精确监测。
传统的F-P干涉仪结构均是借助外界环境的影响，实现F-P腔长度的改变，一般的响应速度不高，只能实现对缓变参量的测量。现实生产生活中，很多场合要求实现对动态参量的实时监控，对响应时间的要求极为苛刻。例如对加速度的测量，传统F-P加速度传感器均是通过惯性质量块的移动改变F-P腔长度，其响应速度和准确性都难以满足精准测量的需要。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于微光纤复合结构的加速度检测装置及方法，可以实现对加速度的快速、高精度监测。
采用的技术方案是：
一种基于微光纤复合结构的加速度检测装置，微光纤锥7和光纤微球8微光纤锥7用环氧树脂胶的密封圈封装在二氧化硅毛细管内，低折射率匹配液作为缓冲液灌注到毛细管内，微光纤锥7的端面和光纤微球8构成一个F-P干涉腔。
所述的微光纤锥7由直径为200微米，纤芯直径为20微米的多模光纤经过高温熔融拉伸制作而成，其尖端用光纤切割笔切割平整，同时制作完成的微光纤锥7的尖端将形成锥形纤芯，可产生光学消逝场，有效提高F-P干涉仪的光学传输效率和用于传感测量的灵敏度。所述的光纤微球8是在直径外125微米的光纤锥尖端熔融制作而成，直径为40微米，表面镀厚度为100nm的金膜，以增强反射率，该微球的直径通过工艺参数进行调整。
所述的折射率匹配液12折射率可以采用1.37的低折射率匹配液。
光源5发出1520-1580nm的近红外宽谱光信号，通过底面涂敷1200-2000nm半透半反膜的三角棱镜9后入射到微光纤锥7中。微光纤锥7的端面和光纤微球8的表面构成一个F-P干涉腔，光信号一部分在微光纤锥7的出射端直接反射回去，另一部分则出射到达光纤微球8的表面，并被反射回去进入微光纤锥7，与直接反射光信号干涉，在三角棱镜9反射后由光学探测器6接收，加速度变化时，可使光纤微球8偏离结构轴心位置，改变F-P干涉腔的腔长，通过解析两路干涉光信号可得出F-P干涉腔等效长度的变化量，进而得到加速度的大小。
所述的紧固件1的材质为不锈钢，加工凹槽用于固定光源5，通过螺纹与外壳2连接；所述的外壳2的材质为不锈钢，外形为圆柱形，直径为30mm、壁厚为5mm；密封圈3为环氧树脂胶；光学探测器6的响应波长范围为350-2000nm；微光纤锥7由直径为200微米，纤芯直径为20微米的多模光纤经过高温熔融拉伸制作而成，其尖端用光纤切割笔切割平整，同时制作完成的微光纤锥7的尖端将形成锥形纤芯，可产生光学消逝场，有效提高F-P干涉仪的光学传输效率和用于传感测量的灵敏度；所述的光纤微球8是在直径外125微米的光纤锥尖端熔融制作而成，直径为40微米，表面镀厚度为100nm的金膜，以增强反射率，该微球的直径可通过工艺参数进行调整；所述的支撑架10和支撑架11的材质为氟化镁，其折射率为1.37，可有效减小光学损耗；所述的折射率匹配液12折射率为1.37的低折射率匹配液，减小光学损耗的同时，有效缓冲微球的高频振荡，提高结构稳定性。
本发明的单模光纤周围充满折射率匹配液，减少光的反射回波损失，微细光纤维出射渐逝场光波可提高光纤接收光纤球信号的性能，这极大地保证了信号的完整性；复合光纤结构的周围通过塑封剂，以及不锈钢外壳保护，使外界因素对光纤性能的影响降低；环氧树脂胶对单模光纤起到支撑保护作用，提高了装置的实用性。
附图说明
附图1为一种基于微光纤复合结构的加速度检测方法的示意图。
附图2为光纤球移动时产生相位差的机理。
图中：1紧固件；2外壳；3密封圈；4塑封剂；5光源；6光学探测器；7单模微光纤锥；8光纤微球；9三角棱镜；10支撑架；11支撑架；12折射率匹配液；A为无加速度时球的状态；A’为有加速度时球的状态；a为入射光线和无加速度时的反射光光路；a’为反射光线光路。
具体实施方式
本发明提供了一种基于微光纤复合结构的加速度检测装置及方法，主要是基于单模微光纤锥和光纤微球构建了F-P干涉仪结构，本与传统F-P干涉仪结构相比，该结构采用微光纤锥可产生光学消逝场，同时该消逝场对外界环境参数变化极为敏感的特性，有效提高了F-P干涉仪的测量灵敏度；并且，该F-P干涉仪结构的另一个反射面为微球球面，与微光纤锥端面构成F-P腔，微光纤锥端面的消逝场可形成锥形势阱光场，而不是传统光纤出射的单个光斑，该光场在微球表面的可形成近似漫反射的效果，使光束不至偏离结构的轴心，可有效提高F-P结构的光学信号稳定性；该结构中的微光纤锥和微球均是由普通光纤采用简单的工艺制作而成，并用环氧树脂胶封装在二氧化硅毛细管内，使结构整体的成本极低；为了进一步提高结构的稳定性和光学耦合效果，将折射率为1.37的低折射率匹配液作为缓冲液灌注到毛细管内。
在进行加速度测量的过程中，该检测技术对应的传感器结构如图1所示，其中光源5发出1520-1580nm的近红外宽谱光信号，通过底面涂敷1200-2000nm半透半反膜的三角棱镜9后入射到直径为200微米，纤芯直径为20微米微光纤锥7中。微光纤锥7的端面和直径为40微米，表面镀厚度为100nm的金膜的光纤微球8构成一个F-P干涉腔，光信号一部分在微光纤锥7的出射端直接反射回去，另一部分则出射到达光纤微球8的表面，并被反射回去进入微光纤锥7，与直接反射光信号干涉，在三角棱镜9反射后由响应波长范围为350-2000nm光学探测器6接收。当待测的加速度发生变化时，可使光纤微球8偏离结构轴心位置，如图2所示，改变F-P干涉腔的腔长，通过解析两路干涉光信号可得出F-P干涉腔等效长度的变化量，进而得到加速度的大小。
所述的检测方法中，紧固件1的材质为不锈钢，加工凹槽用于固定光源5，通过螺纹与外壳2连接；所述的外壳2的材质为不锈钢，外形为圆柱形，直径为30mm、壁厚为5mm；密封圈3为环氧树脂胶；微光纤锥7由多模光纤经过高温熔融拉伸制作而成，其尖端用光纤切割笔切割平整，同时制作完成的微光纤锥7的尖端将形成锥形纤芯，可产生光学消逝场，有效提高F-P干涉仪的光学传输效率和用于传感测量的灵敏度；所述的光纤微球8的直径可通过工艺参数进行调整；所述的支撑架10和支撑架11的材质为氟化镁，其折射率为1.37，可有效减小光学损耗；所述的折射率匹配液12折射率为1.37的低折射率匹配液，减小光学损耗的同时，有效缓冲微球的高频振荡，提高结构稳定性。
Claims (10)
1.一种基于微光纤复合结构的加速度检测装置，其特征在于：微光纤锥7和光纤微球8微光纤锥7用密封圈封装在二氧化硅毛细管内，低折射率匹配液作为缓冲液灌注到毛细管内，微光纤锥7的端面和光纤微球8构成一个F-P干涉腔。
2.根据权利要求1所述的一种基于微光纤复合结构的加速度检测装置，其特征在于：所述的微光纤锥7由直径为200微米，纤芯直径为20微米的多模光纤经过高温熔融拉伸制作而成，其尖端用光纤切割笔切割平整，同时制作完成的微光纤锥7的尖端将形成锥形纤芯，可产生光学消逝场，有效提高F-P干涉仪的光学传输效率和用于传感测量的灵敏度。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于微光纤复合结构的加速度检测装置，其特征在于：所述的光纤微球8是在直径外125微米的光纤锥尖端熔融制作而成，直径为40微米，表面镀厚度为100nm的金膜，以增强反射率，该微球的直径通过工艺参数进行调整。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于微光纤复合结构的加速度检测装置，其特征在于：所述的折射率匹配液12折射率为1.37的低折射率匹配液。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的温度探头，其特征在于：所属的密封圈3为环氧树脂胶。
6.应用权利要求1-5任一所述加速度检测装置的方法，其特征在于：
(1)光源5发出光信号通过三角棱镜9后入射到微光纤锥7，一部分光信号在微光纤锥7的出射端直接反射回去，另一部分光信号则出射到达光纤微球8的表面，并被反射回去进入微光纤锥7，与直接反射光信号干涉，在三角棱镜9反射后由光学探测器6接收；
(2)加速度变化时，使光纤微球8偏离结构轴心位置，改变F-P干涉腔的腔长，通过解析两路干涉光信号得出F-P干涉腔等效长度的变化量，进而得到加速度的大小。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的光源5的近红外宽谱光信号位1520-1580nm。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的光学探测器6的响应波长范围为350-2000nm。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述的三角棱镜9的底面镀有反射半透射膜，工作范围为1200-2000nm。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述的紧固件1的材质为不锈钢，加工凹槽用于固定光源5，通过螺纹与外壳2连接；所述的外壳2的材质为不锈钢，外形为圆柱形，直径为30mm、壁厚为5mm；所述的支撑架10和支撑架11的材质为氟化镁，其折射率为1.37，有效减小光学损耗。
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