CN110243511B - 一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器及其传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，包括：宽带光源、隔离器、耦合器、偏振控制器、保偏光纤、空芯光纤和光谱仪；空芯光纤的两端均与单模光纤熔接，形成光纤法布里珀罗干涉仪(FPI)，光纤法布里珀罗干涉仪的一端连接偏振控制器后和耦合器的第三端口连接，光纤法布里珀罗干涉仪的另一端连接保偏光纤后和耦合器的第四端口连接，构成光纤塞格纳克环干涉仪(FSI)；宽带光源连接隔离器后和耦合器的第一端口连接，光谱仪和耦合器的第二端口连接。本发明无需借助二氧化碳等昂贵的加工设备，制作工艺简单，更加易于推广,且实现了应力测量灵敏度的大幅度提升。

Description

一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器及其传感方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器及其传感方法。

背景技术

光纤法布里珀罗干涉仪(FPI)应力传感器由于其体积小巧，性能稳定，抗干扰能力强等特点，被广泛运用于航天结构监测，建筑结构健康监测等领域。尤其是在高电压、强电磁场、易燃易爆、高温环境等恶劣环境中具有较好的应用优势。线型光纤FPI应力传感器的灵敏度性能与石英光纤的弹光系数有关，弹光系数表示光纤中由于应力扰动所引起的光纤有效折射率的变化量。石英光纤的弹光系数约为-4.2×10^-12/pa。受此影响，在线型FPI应力传感器灵敏度性能一般在1～5pm/με的量级，这在一些需要高精度测量的场合使用受限，行业内亟需一种高灵敏度的光纤应力传感器。

为了实现高灵敏度的光纤应力传感器，Duan等人通过电弧放电手段将两段单模光纤的端面制作成内凹陷型，然后将这两段光纤熔接到一起，通过中间形成的空气腔的作用，整个结构可以看成一个FPI，实现了4pm/με的灵敏度。然而这种方法需要极为精确的操控技术，并且实现的灵敏度也不高。Zhou K等人通过二氧化碳激光器雕刻加工，并通过改进的电弧放电法提出一种空气泡柱型FPI，得到的最大FPI灵敏度为56.69pm/με，这种方法虽然得到了较高的灵敏度，但是由于需要二氧化碳等激光加工设备，设备昂贵，工艺复杂，不利于推广。

综上所述，行业内急需研发一种结构简洁，制作简便且灵敏度高的光纤传感器。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器及其传感方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，包括：宽带光源、隔离器、耦合器、偏振控制器、保偏光纤、空芯光纤和光谱仪；空芯光纤的两端均与单模光纤熔接，形成光纤法布里珀罗干涉仪(FPI)，光纤法布里珀罗干涉仪的一端连接偏振控制器后和耦合器的第三端口连接，光纤法布里珀罗干涉仪的另一端连接保偏光纤后和耦合器的第四端口连接，构成光纤塞格纳克环干涉仪(FSI)；宽带光源连接隔离器后和耦合器的第一端口连接，光谱仪和耦合器的第二端口连接。

优选地，保偏光纤的长度L₁为0.5-2m，空芯光纤的长度L₂为20-400um。

一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器的传感方法，包括：

S1，宽带光源的光经过耦合器后被分为两路；

S2，第一路光经过偏振控制器后进入光纤法布里珀罗干涉仪，第一路光中的一部分光分别经空芯光纤的两个端面M1、M2反射后发生干涉，形成第一路法布里珀罗干涉信号；第二路光经过保偏光纤后进入光纤法布里珀罗干涉仪，第二路光中的一部分光分别经空芯光纤的两个端面M2、M1反射后发生干涉，形成第二路法布里珀罗干涉信号；第一路光中的另一部分光和第二路光中的另一部分光均透射过空芯光纤相向传输，后在耦合器发生干涉，形成塞格纳克环干涉信号；

S3，第一路法布里珀罗干涉信号、第二路法布里珀罗干涉信号和塞格纳克环干涉信号经耦合器第二端口输出至光谱仪；

S4，当光纤法布里珀罗干涉仪所受的应力变化时，光谱仪检测的周期性大包络的位置发生漂移，其中所述周期性的大包络由塞格纳克环干涉信号和任意一路的法布里珀罗干涉信号叠加形成；

S5，根据大包络的漂移量，计算出光纤法布里珀罗干涉仪所受的应力。

优选地，塞格纳克环干涉信号光谱的自由光谱区FSR_FSI为：

FSR_FSI＝λ²/BL₁

其中，λ为宽带光源输出的光波长，B是保偏光纤的双折射系数，L₁是保偏光纤的长度；

法布里珀罗干涉信号光谱的自由光谱区FSR_FPI为：

其中，L₂是光纤法布里珀罗干涉仪的腔长，n是在光纤法布里珀罗干涉仪的腔中的有效折射率，法布里珀罗干涉信号光谱的自由光谱区FSR_FPI为第一路法布里珀罗干涉信号或者第二路法布里珀罗干涉信号光谱的自由光谱区。

优选地，当塞格纳克环干涉信号光谱的第i级次的共振波长位置和法布里珀罗干涉信号光谱的第j级次的共振波长位置重合，且幅值相同时，在重合波长位置形成一个共同的共振波长极大值；当塞格纳克环干涉信号光谱的第i+m级次波长位置和法布里珀罗干涉信号光谱的第j+n级次波长位置幅值相反时，在重叠位置出现包络极小值下一次重合极大值位置又会在第i+o级次和j+p级次出现，以此循环，最终在叠加谱上形成周期性的大包络；

基于游标效应的叠加光谱的大包络的自由光谱区为：

当光纤法布里珀罗干涉仪结构受到应力作用时，光纤法布里珀罗干涉仪腔的长度随着应力增加而变化，光纤法布里珀罗干涉仪信号光谱发生变化，又因为塞格纳克环干涉信号光谱的位置不变，则法布里珀罗干涉信号光谱与塞格纳克环干涉信号光谱的叠加光谱的包络极大极小值的级次位置重新组合，包络的位置发生了漂移；

则包络波长漂移量相对于单个FPI的波长漂移放大的倍数为：

M为高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器的灵敏度。

优选地，塞格纳克环干涉信号的光强为：

其中

是保偏光纤中两束光的相位差；

塞格纳克环干涉信号的波谷满足：

其中，m是整数，λ_m1是塞格纳克环干涉信号的波谷对应的波长值。

优选地，法布里珀罗干涉信号的光强为：

I_FP＝R₁+(1-α)²(1-R₁)²R₂ ²+2(1-α)(1-R₁)R₁R₂cos(2φ)

其中，

为光在法布里珀罗干涉仪的谐振腔内传输导致的相位差，

法布里珀罗干涉信号的波谷满足：

其中，k是整数，λ_m2是法布里珀罗干涉信号的波谷对应的波长值。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

(1)本发明在FPI应力传感器的基础上，通过FSI的辅助，利用游标效应的放大作用，实现了应力测量灵敏度的大幅度提升，达到了65.1pm/με。

(2)本发明无需借助二氧化碳等昂贵的加工设备，制作工艺简单，更加易于推广。

(3)本发明通过将FPI内置于FSI中，相比级联式组合，不需要环形器，光路更加简洁，光路损耗更低。

(4)本发明所提传感器灵敏度具有可调节性，可以根据实际使用需要制作符合场景需求的器件。

附图说明

图1是本发明的高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器的结构示意图。

图2是本发明的空心光纤的电子扫描图。

图3是本发明的高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器的传感方法的流程示意图。

图4为FSI信号和FPI信号的干涉光谱对比图；

图5为本发明的高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器的光谱仪检测到的干涉光谱包络图；

图6为游标效应原理说明图；

图7为本发明高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器与单个FPI灵敏度性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1、一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，包括：宽带光源11、隔离器12、耦合器13、偏振控制器14、保偏光纤18、空芯光纤17和光谱仪19；空芯光纤17的两端均与单模光纤16熔接，形成光纤法布里珀罗干涉仪(FPI)，光纤法布里珀罗干涉仪的一端连接偏振控制器14后和耦合器13的第三端口连接，光纤法布里珀罗干涉仪的另一端连接保偏光纤18后和耦合器13的第四端口连接，构成光纤塞格纳克环干涉仪(FSI)；宽带光源11连接隔离器12后和耦合器13的第一端口连接，光谱仪19和耦合器13的第二端口连接。

在本实施例，所提出的高灵敏度FPI应力传感器由FPI与FSI两部分组成，FPI内置于FSI中。空芯光纤17和单模光纤16的熔接操作在熔接机(FITELS178A)的手动熔接模式，熔接参数为放电强度A，放电时间T。

在本实施例，保偏光纤18的长度L₁为0.5-2m，空芯光纤17的长度L₂为20-400um。空芯光纤17电子扫描图如图2所示，其内径d，外径D。具体地，内径d为95um，其外径D为125um。

参见图3、上述的高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器的传感方法，其特征在于，包括：

S1，宽带光源11的光经过耦合器13后被分为两路；

S2，第一路光经过偏振控制器14后进入光纤法布里珀罗干涉仪，第一路光中的一部分光分别经空芯光纤17的两个端面M1、M2反射后发生干涉，形成第一路法布里珀罗干涉信号；第二路光经过保偏光纤18后进入光纤法布里珀罗干涉仪，第二路光中的一部分光分别经空芯光纤17的两个端面M2、M1反射后发生干涉，形成第二路法布里珀罗干涉信号；第一路光中的另一部分光和第二路光中的另一部分光均透射过空芯光纤17相向传输，后在耦合器13发生干涉，形成塞格纳克环干涉信号；第一路法布里珀罗干涉信号、第二路法布里珀罗干涉信号的干涉光谱和塞格纳克环干涉信号(sagnac)的干涉光谱如图4所示。

S3，第一路法布里珀罗干涉信号、第二路法布里珀罗干涉信号和塞格纳克环干涉信号经耦合器13第二端口输出至光谱仪19。光谱仪19接收的是FPI与FSI信号叠加的一个周期性的大包络。其中，而FSI信号的自由光谱区随应力变化保持不变，相当于游标卡尺中定标的主尺，而FPI干涉光谱的自由光谱区随应力扰动而变化，当受到应力扰动时，FPI与FSI信号进行叠加后的包络与叠加前的包络波长位置发生了波长漂移，这个波长漂移量是单一FPI波长漂移量的数倍，通过监测波长漂移量来监测应力的变化量，同时，实现了应力灵敏度的成倍提升。

S4，当光纤法布里珀罗干涉仪所受的应力变化时，光谱仪19检测到的周期性的大包络的位置发生漂移，其中所述周期性的大包络由塞格纳克环干涉信号和任意一路的法布里珀罗干涉信号叠加形成；所述周期性的大包络如图5所示。

S5，根据大包络的漂移量，计算出光纤法布里珀罗干涉仪所受的应力。

其中，所受的应力＝漂移量*灵敏度M。

需要说明的是，第一路法布里珀罗干涉信号、第二路法布里珀罗干涉信号均会被光谱仪19探测到，均会和FSI信号叠加的一个周期性的大包络。但是第一路法布里珀罗干涉信号、第二路法布里珀罗干涉信号的产生机理是一样的，在本方案的传感结构中视为一种类型的信号，因此，在实施例部分，只研究其中的一路法布里珀罗干涉信号，并将其称为法布里珀罗干涉信号。

在本实施例，塞格纳克环干涉信号光谱的自由光谱区FSR_FSI为：

FSR_FSI＝λ²/BL₁

其中，λ为宽带光源11输出的光波长，B是保偏光纤18的双折射系数，L₁是保偏光纤18的长度；

法布里珀罗干涉信号光谱的自由光谱区FSR_FPI为：

其中，L₂是光纤法布里珀罗干涉仪的腔长，n是在光纤法布里珀罗干涉仪的腔中的有效折射率，法布里珀罗干涉信号光谱的自由光谱区FSR_FPI为第一路法布里珀罗干涉信号或者第二路法布里珀罗干涉信号光谱的自由光谱区。

由上所述，FSI信号与FPI信号的自由光谱区大小由保偏光纤18长度以及空芯光纤17长度决定，通过调节两套自由光谱区相近，可以在输出光谱中形成游标效应。

在本实施例，如图7所示，当塞格纳克环干涉信号光谱的第i级次的共振波长位置和法布里珀罗干涉信号光谱的第j级次的共振波长位置重合，且幅值相同时，在重合波长位置形成一个共同的共振波长极大值；当塞格纳克环干涉信号光谱的第i+m级次波长位置和法布里珀罗干涉信号光谱的第j+n级次波长位置幅值相反时，在重叠位置出现包络极小值下一次重合极大值位置又会在第i+o级次和j+p级次出现，以此循环，最终在叠加谱上形成周期性的大包络；其中图6为游标效应原理说明图；基于游标效应的叠加光谱的大包络的自由光谱区为：

当光纤法布里珀罗干涉仪结构受到应力作用时，光纤法布里珀罗干涉仪腔的长度随着应力增加而变化，光纤法布里珀罗干涉仪信号光谱发生变化，又因为塞格纳克环干涉信号光谱的位置不变，则法布里珀罗干涉信号光谱与塞格纳克环干涉信号光谱的叠加光谱的包络极大极小值的级次位置重新组合，包络的位置发生了漂移；

则包络波长漂移量相对于单个FPI的波长漂移放大的倍数为：

M为高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器的灵敏度。M表明，所提传感器灵敏度放大的倍数由FSI信号与FPI信号的自由光谱区决定，可以通过设计使|FSR_FPI-FSR_FSI|更小或者使FSR_FSI更大来获得更高的灵敏度。

在本实施例，塞格纳克环干涉信号的光强为：

其中

是保偏光纤18中两束光的相位差；

塞格纳克环干涉信号的波谷满足：

其中，m是整数，λ_m1是塞格纳克环干涉信号的波谷对应的波长值。

在本实施例，法布里珀罗干涉信号的光强为：

I_FP＝R₁+(1-α)²(1-R₁)²R₂ ²+2(1-α)(1-R₁)R₁R₂cos(2φ)

其中，

为光在法布里珀罗干涉仪的谐振腔内传输导致的相位差，

法布里珀罗干涉信号的波谷满足：

其中，k是整数，λ_m2是法布里珀罗干涉信号的波谷对应的波长值。

综上所述，本方案的提传感器的优点：1)实验上实现了灵敏度相比单个FPI应力传感器提升了19.7倍，并且灵敏度倍数可以根据需要灵活调节。2)结构组合上通过将FPI内置于FSI中，光路更加简洁，相比级联式的设计可以减少环形器的使用，减少光路损耗。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，其特征在于，包括：宽带光源、隔离器、耦合器、偏振控制器、保偏光纤、空芯光纤和光谱仪；

空芯光纤的两端均与单模光纤熔接，形成光纤法布里珀罗干涉仪，光纤法布里珀罗干涉仪的一端连接偏振控制器后和耦合器的第三端口连接，光纤法布里珀罗干涉仪的另一端连接保偏光纤后和耦合器的第四端口连接，构成光纤塞格纳克环干涉仪；宽带光源连接隔离器后和耦合器的第一端口连接，光谱仪和耦合器的第二端口连接；

该应力传感器的传感方法，包括：

S1，宽带光源的光经过耦合器后被分为两路；

S2，第一路光经过偏振控制器后进入光纤法布里珀罗干涉仪，第一路光中的一部分光分别经空芯光纤的两个端面M1、M2反射后发生干涉，形成第一路法布里珀罗干涉信号；第二路光经过保偏光纤后进入光纤法布里珀罗干涉仪，第二路光中的一部分光分别经空芯光纤的两个端面M2、M1反射后发生干涉，形成第二路法布里珀罗干涉信号；第一路光中的另一部分光和第二路光中的另一部分光均透射过空芯光纤相向传输，后在耦合器发生干涉，形成塞格纳克环干涉信号；

S3，第一路法布里珀罗干涉信号、第二路法布里珀罗干涉信号和塞格纳克环干涉信号经耦合器第二端口输出至光谱仪；

S4，当光纤法布里珀罗干涉仪所受的应力变化时，光谱仪检测到的周期性的大包络的位置发生漂移，其中所述周期性的大包络由塞格纳克环干涉信号和任意一路的法布里珀罗干涉信号叠加形成；

S5，根据大包络的漂移量，计算出光纤法布里珀罗干涉仪所受的应力。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，其特征在于，保偏光纤的长度L₁为0.5-2m，空芯光纤的长度L₂为20-400um。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，其特征在于，塞格纳克环干涉信号光谱的自由光谱区FSR_FSI为：

FSR_FSI＝λ²/BL₁

其中，λ为宽带光源输出的光波长，B是保偏光纤的双折射系数，L₁是保偏光纤的长度；

法布里珀罗干涉信号光谱的自由光谱区FSR_FPI为：

其中，L₂是光纤法布里珀罗干涉仪的腔长，n是在光纤法布里珀罗干涉仪的腔中的有效折射率，法布里珀罗干涉信号光谱的自由光谱区FSR_FPI为第一路法布里珀罗干涉信号或者第二路法布里珀罗干涉信号光谱的自由光谱区。

4.根据权利要求3所述的高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，其特征在于，当塞格纳克环干涉信号光谱的第i级次的共振波长位置和法布里珀罗干涉信号光谱的第j级次的共振波长位置重合，且幅值相同时，在重合波长位置形成一个共同的共振波长极大值；当塞格纳克环干涉信号光谱的第i+m级次波长位置和法布里珀罗干涉信号光谱的第j+n级次波长位置幅值相反时，在重叠位置出现包络极小值下一次重合极大值位置又会在第i+o级次和j+p级次出现，以此循环，最终在叠加谱上形成周期性的大包络；

基于游标效应的叠加光谱的大包络的自由光谱区为：

当光纤法布里珀罗干涉仪结构受到应力作用时，光纤法布里珀罗干涉仪腔的长度随着应力增加而变化，光纤法布里珀罗干涉仪信号光谱发生变化，又因为塞格纳克环干涉信号光谱的位置不变，则法布里珀罗干涉信号光谱与塞格纳克环干涉信号光谱的叠加光谱的包络极大极小值的级次位置重新组合，包络的位置发生了漂移；

则包络波长漂移量相对于单个FPI的波长漂移放大的倍数为：

M为高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器的灵敏度。

5.根据权利要求3所述的高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，其特征在于，塞格纳克环干涉信号的光强为：

其中

是保偏光纤中两束光的相位差；

塞格纳克环干涉信号的波谷满足：

其中，m是整数，λ_m1是塞格纳克环干涉信号的波谷对应的波长值。

6.根据权利要求3所述的高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，其特征在于，法布里珀罗干涉信号的光强为：

I_FP＝R₁+(1-α)²(1-R₁)²R₂ ²+2(1-α)(1-R₁)R₁R₂cos(2φ)

其中，

为光在法布里珀罗干涉仪的谐振腔内传输导致的相位差，

法布里珀罗干涉信号的波谷满足：

其中，k是整数，λ_m2是法布里珀罗干涉信号的波谷对应的波长值。

Images