CN110319786B - 一种应变传感Fabry-Perot干涉仪及基于该干涉仪的应变传感方法 - Google Patents

一种应变传感Fabry-Perot干涉仪及基于该干涉仪的应变传感方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应变传感Fabry‑Perot干涉仪，包括第一单模光纤、第二单模光纤和毛细微管，所述毛细微管熔接于第一单模光纤和第二单模光纤之间。本发明提出的一种应变传感Fabry‑Perot干涉仪结构简单，制作方便便于且易于设计各种腔形。本发明的一种基于应变传感Fabry‑Perot干涉仪的应变传感方法利用光纤耦合器并联两个单腔光纤Fabry‑Perot干涉仪去实现游标效应，提高了应变传感的灵敏度。

Description

一种应变传感Fabry-Perot干涉仪及基于该干涉仪的应变传 感方法
技术领域
本发明涉及传感技术领域，具体涉及一种应变传感Fabry-Perot干涉仪及基于该干涉仪的应变传感方法。
背景技术
光纤传感器具有应用方便、抗腐蚀、抗电磁干扰、结构紧凑、稳定性好、灵敏度高等优点，已经广泛应用于各种传感领域，比如能源环保、工矿企业、国防、医药卫生等领域。
在众多光纤传感器当中，光纤Fabry-Perot干涉仪传感器由于制作简单、稳定性好和灵敏度高等独特优点，发展非常迅速，已经应用在温度、折射率、压力和磁场等传感领域。Fabry-Perot干涉仪由两块平行的平面玻璃板或石英板组成，两板内表面镀介质膜，以提高表面的反射率。多年来，制作光纤Fabry-Perot干涉仪主要是通过将两端镀膜的光纤和外接光纤熔接在一起，或是将两段端面切割平整的单模光纤封装在一段毛细管光纤或空心光纤内，这些方法难度都比较大，而且制作的光纤Fabry-Perot干涉仪稳定性比较差。通过熔接制作光纤Fabry-Perot干涉仪非常简便，制作的光纤Fabry-Perot干涉仪稳定性非常好，已经成为一种非常有效方法。
为了提高灵敏度，类似游标卡尺的效应，即游标效应，被应用到了光纤传感领域，用于提高传感系统传感灵敏度。游标效应也在光纤Fabry-Perot干涉仪传感器中实现，其中一个腔对传感量不灵敏作为参考腔，另一个腔对传感量灵敏作为传感腔，最后参考腔和传感腔的干涉信号叠加形成干涉包络，解调包络可以提高传感灵敏度。目前利用游标效应来提高光纤Fabry-Perot干涉仪灵敏度已经被报道。且已报道的光纤Fabry-Perot干涉仪传感器实传感现游标效应普遍是基于双腔或多腔串联结构实现，在传感时候参考腔也要放入传感环境，大大降低传感系统稳定性。同时，双腔或多腔串联结构光纤Fabry-Perot干涉仪在制作过程中，因为双腔或多腔都是紧紧贴在一起，所以不易于设计各种腔形，且串联结构灵敏度不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应变传感Fabry-Perot干涉仪来解决现有技术的干涉仪制作难度较大且稳定性较差的问题，还提供一种基于该干涉仪的应变传感方法来解决现有技术的干涉仪的双腔或多腔串联而不易于设计腔形，灵敏度也不高的问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：提供一种应变传感Fabry-Perot干涉仪，其创新点在于：包括第一单模光纤、第二单模光纤和毛细微管，所述毛细微管熔接于第一单模光纤和第二单模光纤之间。
进一步的，所述第一单模光纤的型号为SMF-28。
进一步的，所述毛细微管的内径为75μm，外径为150μm。
进一步的，所述第二单模光纤的长度为10cm。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案还提供一种基于上述的应变传感Fabry-Perot干涉仪的应变传感方法，其创新点在于：具体包括以下步骤：
(1)、使用两个毛细微管长度不同的应变传感Fabry-Perot干涉仪，毛细微管短的为传感干涉仪，毛细微管较长的为参考干涉仪，将两个应变传感Fabry-Perot干涉仪并联在3dB耦合器上；
(2)、将传感干涉仪的毛细微管两边的第一单模光纤和第二单模光纤均通过光纤钳剥离一小段涂覆层，将第一单模光纤和第二单模光纤剥离涂覆层的位置分别通过紫外固化胶固定在固定平台和移动平台上，毛细微管置于固定平台和移动平台之间；
(3)、在3dB耦合器另外两端分别连接宽带光源和光谱仪，光谱仪可显示应变传感Fabry-Perot干涉仪的干涉谱线；
(4)传感测试时，宽带光源发射出的光波经过3dB耦合器分别在传感干涉仪和参考干涉仪的第一单模光纤内传输，光波在第一单模光纤内传播至第一单模端面时一部分光被反射，另一部分光透过端面在传感腔内部传播，传播至传感腔远离第一单模光纤的端面时被反射，经过传感干涉仪第一单模光纤端面反射的光束和经过传感腔反射的光束会聚产生传感干涉谱线，在参考干涉仪第一单模光纤端面反射的光束和经过参考腔反射的光束会聚产生参考干涉谱线；传感干涉谱线的自由光谱范围表示为：
Figure GDA0002664643640000021
FSR为传感腔自由光谱范围，λ为入射光波长，n为空气折射率，L1为传感腔腔长；
参考干涉谱线的自由光谱范围表示为：
Figure GDA0002664643640000022
FSR'为参考腔自由光谱范围，L2为参考腔腔长；
传感干涉谱线和参考干涉谱线进行叠加并传至光谱仪显示，当传感腔和参考腔的谷值处于相同波长时，此波长处总输出频谱为谷值，所有的谷值形成一个新的频谱包络，所述频谱包络的自由光谱范围表示为：
Figure GDA0002664643640000031
FSRenvelope为两腔并联后的包络的自由光谱范围；
(5)、通过对移动平台轴向施加外力给传感干涉仪施加应变，即移动平台的移动使得传感腔的长度L1变长，传感腔的变长使得传感干涉谱线发生移动，发生移动的传感干涉谱线和未发生变化的参考干涉谱线不断叠加在光谱仪显示，同时保持之前的干涉谱线叠加情况；
(6)、随着L1长度的不断变化，参考干涉仪和传感干涉仪叠加的干涉谱线逐渐发生偏移，完成基于应变传感Fabry-Perot干涉仪的应变测量。
进一步的，所述步骤(1)中的两个应变传感Fabry-Perot干涉仪的毛细微管的长度L1和L2分别为50μm和70μm，且长度分别为50μm和70μm的毛细微管分别定义为传感腔和参考腔。
进一步的，所述步骤(2)中传感干涉仪的毛细微管两边被去除涂覆层的长度总共为20cm。
进一步的，所述步骤(5)中参考干涉仪和传感干涉仪的叠加的干涉谱线根据一放大因子发生偏移，所述放大因子M表示为：
Figure GDA0002664643640000032
本发明和现有技术相比，产生的有益效果为：
本发明提出的一种应变传感Fabry-Perot干涉仪结构简单，制作方便便于且易于设计各种腔形。
本发明的一种基于应变传感Fabry-Perot干涉仪的应变传感方法利用光纤耦合器并联两个单腔光纤Fabry-Perot干涉仪去实现游标效应，提高了应变传感的灵敏度。
附图说明
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种应变传感Fabry-Perot干涉仪的结构示意图。
图2为本发明的一种基于应变传感Fabry-Perot干涉仪的应变传感系统。
图3为本发明的应变传感Fabry-Perot干涉仪并联产生的并联应变谱线移动示意图。
图4为图3的并联应变谱线移动的拟合谱线示意图。
图5为本发明的应变传感Fabry-Perot干涉仪并联应变灵敏度示意图。
图6为本发明的单个应变传感Fabry-Perot干涉仪的应变谱线移动示意图。
图7为本发明的单个应变传感Fabry-Perot干涉仪并联应变灵敏度示意图。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种应变传感Fabry-Perot干涉仪，具体结构如图1所示，包括第一单模光纤1、第二单模光纤2和毛细微管3，毛细微管3熔接于第一单模光纤1和第二单模光纤2之间，第一单模光纤1的型号为SMF-28，毛细微管3的内径为75μm，外径为150μm。第二单模光纤2的长度为10cm，主要用于保护第一单模光纤1和毛细微管3，便于做应变传感实验。
本发明还提供一种基于上述的应变传感Fabry-Perot干涉仪的应变传感方法，具体包括以下步骤：
(1)、使用两个毛细微管长度不同的应变传感Fabry-Perot干涉仪，毛细微管短的为传感干涉仪，毛细微管较长的为参考干涉仪，将两个应变传感Fabry-Perot干涉仪并联在3dB耦合器上，形成传感系统，如图2所示，其中，两个应变传感Fabry-Perot干涉仪的毛细微管的长度L1和L2分别为50μm和70μm，且长度分别为50μm和70μm的毛细微管分别定义为传感腔和参考腔；
(2)、将传感干涉仪的毛细微管两边的第一单模光纤和第二单模光纤均通过光纤钳剥离一小段涂覆层，将第一单模光纤和第二单模光纤剥离涂覆层的位置分别通过紫外固化胶固定在固定平台和移动平台上，毛细微管置于固定平台和移动平台之间，其中，传感干涉仪的毛细微管两边被去除涂覆层的长度总共为20cm；
(3)、传感系统中在3dB耦合器另外两端分别连接宽带光源和光谱仪，光谱仪可显示应变传感Fabry-Perot干涉仪的干涉谱线；
(4)、传感测试时，宽带光源发射出的光波经过3dB耦合器分别在传感干涉仪和参考干涉仪的第一单模光纤内传输，光波在第一单模光纤内传播至第一单模端面时一部分光被反射，另一部分光透过端面在传感腔内部传播，传播至传感腔远离第一单模光纤的端面时被反射，经过传感干涉仪第一单模光纤端面反射的光束和经过传感腔反射的光束会聚产生传感干涉谱线，在参考干涉仪第一单模光纤端面反射的光束和经过参考腔反射的光束会聚产生参考干涉谱线，传感干涉谱线的自由光谱范围表示为：
Figure GDA0002664643640000041
FSR为传感腔自由光谱范围，λ为入射光波长，n为空气折射率，L1为传感腔腔长；参考干涉谱线的自由光谱范围表示为：
Figure GDA0002664643640000051
FSR'为参考腔自由光谱范围，L2为参考腔腔长；传感干涉谱线和参考干涉谱线进行叠加并传至光谱仪显示，当传感腔和参考腔的谷值处于相同波长时，此波长处总输出频谱为谷值，所有的谷值形成一个新的频谱包络，所述频谱包络的自由光谱范围表示为：
Figure GDA0002664643640000052
FSRenvelope为两腔并联后的包络的自由光谱范围；
(5)通过对移动平台轴向施加外力给传感干涉仪施加应变，即移动平台的移动使得传感腔的长度L1变长，传感腔的变长使得传感干涉谱线发生移动，发生移动的传感干涉谱线和未发生变化的参考干涉谱线不断叠加在光谱仪显示，同时保持之前的干涉谱线叠加情况；
(6)随着L1长度的不断变化，参考干涉仪和传感干涉仪叠加的干涉谱线逐渐发生偏移，完成基于应变传感Fabry-Perot干涉仪的应变测量，其中，参考干涉仪和传感干涉仪的叠加的干涉谱线根据一放大因子发生偏移，放大因子M表示为：
Figure GDA0002664643640000053
参考干涉仪和传感干涉仪的并联的干涉谱线结果如图3和4所示，参考干涉仪和传感干涉仪的并联的应变传感测量灵敏度如图5所示，灵敏度为1.9pm/με。
为了和本发明提出的一种基于上述的应变传感Fabry-Perot干涉仪的应变传感方法的优点对比，本发明还将传感干涉仪单独置于传感系统中进行传感测量，光谱仪显示的光谱线如图6所示，图7为传感干涉仪单独进行应变传感时的应变灵敏度，为1.9pm/με，传感干涉仪和参考干涉仪实现游标效应，图7和图5对比表明两个并联的光纤Fabry-Perot干涉仪灵敏度可以达到单个光纤Fabry-Perot干涉仪的3倍，线性度较好，即两个并联的光纤Fabry-Perot干涉仪进行应变测量可有效提高测量灵敏度。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (4)

1.一种基于应变传感Fabry-Perot干涉仪的应变传感方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、使用两个毛细微管长度不同的应变传感Fabry-Perot干涉仪，毛细微管短的为传感干涉仪，毛细微管较长的为参考干涉仪，将两个应变传感Fabry-Perot干涉仪并联在3dB耦合器上；
(2)、将传感干涉仪的毛细微管两边的第一单模光纤和第二单模光纤均通过光纤钳剥离一小段涂覆层，将第一单模光纤和第二单模光纤剥离涂覆层的位置分别通过紫外固化胶固定在固定平台和移动平台上，毛细微管置于固定平台和移动平台之间；
(3)、在3dB耦合器另外两端分别连接宽带光源和光谱仪，光谱仪可显示应变传感Fabry-Perot干涉仪的干涉谱线；
(4)、传感测试时，宽带光源发射出的光波经过3dB耦合器分别在传感干涉仪和参考干涉仪的第一单模光纤内传输，光波在第一单模光纤内传播至第一单模端面时一部分光被反射，另一部分光透过端面在传感腔内部传播，传播至传感腔远离第一单模光纤的端面时被反射，经过传感干涉仪第一单模光纤端面反射的光束和经过传感腔反射的光束会聚产生传感干涉谱线，在参考干涉仪第一单模光纤端面反射的光束和经过参考腔反射的光束会聚产生参考干涉谱线；传感干涉谱线的自由光谱范围表示为：
Figure FDA0002664643630000011
FSR为传感腔自由光谱范围，λ为入射光波长，n为空气折射率，L1为传感腔腔长；
参考干涉谱线的自由光谱范围表示为：
Figure FDA0002664643630000012
FSR'为参考腔自由光谱范围，L2为参考腔腔长；
传感干涉谱线和参考干涉谱线进行叠加并传至光谱仪显示，当传感腔和参考腔的谷值处于相同波长时，此波长处总输出频谱为谷值，所有的谷值形成一个新的频谱包络，所述频谱包络的自由光谱范围表示为：
Figure FDA0002664643630000013
FSRenvelope为两腔并联后的包络的自由光谱范围；
(5)、通过对移动平台轴向施加外力给传感干涉仪施加应变，即移动平台的移动使得传感腔的长度L1变长，传感腔的变长使得传感干涉谱线发生移动，发生移动的传感干涉谱线和未发生变化的参考干涉谱线不断叠加在光谱仪显示，同时保持之前的干涉谱线叠加情况；
(6)、随着L1长度的不断变化，参考干涉仪和传感干涉仪叠加的干涉谱线逐渐发生偏移，完成基于应变传感Fabry-Perot干涉仪的应变测量。
2.根据权利要求1所述的基于应变传感Fabry-Perot干涉仪的应变传感方法，其特征在于：所述步骤(1)中的两个应变传感Fabry-Perot干涉仪的毛细微管的长度L1和L2分别为50μm和70μm，且长度分别为50μm和70μm的毛细微管分别定义为传感腔和参考腔。
3.根据权利要求1所述的基于应变传感Fabry-Perot干涉仪的应变传感方法，其特征在于：所述步骤(2)中传感干涉仪的毛细微管两边被去除涂覆层的长度总共为20cm。
4.根据权利要求1所述的基于应变传感Fabry-Perot干涉仪的应变传感方法，其特征在于：所述步骤(5)中参考干涉仪和传感干涉仪的叠加的干涉谱线根据一放大因子发生偏移，所述放大因子M表示为：
Figure FDA0002664643630000021
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