CN111024211A - 一种高灵敏度差动式光纤f-p微振动传感器及其解调方法 - Google Patents
一种高灵敏度差动式光纤f-p微振动传感器及其解调方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种高灵敏度差动式光纤F‑P微振动传感器及其解调方法，金属套管的一端开设有凹腔，反射膜片设置于金属套管该端的端部，所述凹腔作为第一F‑P腔，金属套管该端的端部连连接有光纤支撑架，第二单模光纤安装于所述光纤支撑架，第二单模光纤的端部正对反射膜片的中心，第二单模光纤与反射膜片之间的空间作为第二F‑P腔；金属套管另一端的断面向内开设有用于安装第一单模光纤的通孔，所述通孔与所述凹腔连通，第一单模光纤设置于所述通孔中，第一单模光纤的端部正对反射膜片的中心；第一F‑P腔与第二F‑P腔的干涉谱线的漂移位移相等，但漂移方向相反。由于具有两个F‑P腔体，因此本发明的传感器具有高灵敏度的特性。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，涉及在线检测技术，更具体涉及一种高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器及其解调方法。
背景技术
近年来，光纤传感器由于具有体积小、质量轻、灵敏度高、反应迅速、抗电磁干扰强等独特的优势而迅速发展，被广泛研究并应用于各个领域。根据原理的不同，将光纤传感器分为迈克尔逊型、马赫-曾德型、萨格纳克型和法布里-珀罗(F-P)型，其中F-P型相对于其它三种来说，具有制作简单、结构紧凑、灵敏度高、响应速度快等优势，一直是研究的热点。基于F-P的光纤传感器的结构设计，是提高系统灵敏度关键的一部分，目前已报道的结构主要有两类：基于膜片式的光纤传感器、基于悬臂梁的光纤传感器，传感的基本原理都是当外界因素导致F-P的腔长，或者F-P腔内部光束的波长等参量发生变化时，干涉条纹也会随之变化，通过解调干涉条纹的变化，即可得到待检测信号。其中基于膜片式传感器的结构都很相似，通过光纤端面与膜片内表面形成F-P腔，不同点只是膜片材料以及制作工艺的区别，并且该结构在土木工程、工业工程、安全、航空航天的领域，由于环境恶劣，对微弱振动的检测是一个很大的挑战。
但现有的光纤传感器灵敏度还不够高，其应用受到一定的限制，因此亟需一种灵敏度更高的光纤传感器。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于一种高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器及其解调方法，本发明的传感器的灵敏度更高。
本发明为实现其目的采用以下技术方案：
一种高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器，包括第一单模光纤、第二单模光纤、金属套管、反射膜片和光纤支撑架；金属套管的一端开设有凹腔，反射膜片设置于金属套管该端的端部，所述凹腔作为第一F-P腔，金属套管该端的端部连连接有光纤支撑架，第二单模光纤安装于所述光纤支撑架，第二单模光纤的端部正对反射膜片的中心，第二单模光纤与反射膜片之间的空间作为第二F-P腔；
金属套管另一端的断面向内开设有用于安装第一单模光纤的通孔，所述通孔与所述凹腔连通，第一单模光纤设置于所述通孔中，第一单模光纤的端部正对反射膜片的中心；
第一F-P腔与第二F-P腔的干涉谱线的漂移位移相等，但漂移方向相反。
优选的，第一F-P腔的腔长与第二F-P腔的腔长相等。
优选的，第一F-P腔的腔长与第二F-P腔的腔长为80-100μm。
优选的，金属套管上在凹腔处开设有气孔。
优选的，反射膜片采用聚二甲基硅氧烷膜片。
优选的，反射膜片的厚度为9-11μm。
优选的，金属套管的形状为圆柱形，所述凹腔为与金属套管同轴的圆形凹腔；金属套管的另一端为实心部，所述通孔设沿实心部的轴心设置，所述反射膜片的形状为圆形。
所述高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器的解调方法，包括如下过程：
采用强度解调方案，直接探测光强的变化，将所述高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器的初始工作点控制在线性区域的正交相位点，此时输出光强与第一F-P腔腔长的变化以及第二F-P腔腔长的变化具有线性关系；
根据光强的变化得到第一F-P腔腔长的变化与第二F-P腔腔长的变化，实现对待测物理量的测量。
本发明与现有技术相比具有以下的主要的技术优势:
本发明的高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器具有两个F-P腔体，并且两腔体产生的干涉强度变化量相同，分别将两腔体的干涉强度叠加以解调信号，理论上其灵敏度为现有光纤F-P振动传感器的2倍以上，因此本发明的传感器具有高灵敏度的特性。由本发明传感器的结构可以看出，该传感器还具有结构简单的特点。
附图说明
图1为本发明高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器的结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为该结构的立体图；
图4为基于强度解调的F-P光纤传感器工作原理图；
图5为差动式算法解调框图。
图1中：1为第一单模光纤，1-1为第二单模光纤，2为金属套管，2-1为凹腔，3为反射膜片，4为光纤支撑架，5为气孔，6为第一F-P腔，7为第二F-P腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
本发明根据F-P干涉仪的基本原理，设计了一种具有双腔结构的差动式光纤微振动传感器，该传感器通过使用两根单模光纤分别与具有高弹性的PDMS膜片构成两个F-P腔体，通过设定PDMS膜片的直径与厚度，使传感器具有较高的灵敏度。当外界待测物理量(如振动)作用到膜片上时将导致膜片发生形变，从而改变双腔的腔长以及由传感头返回的光强，通过检测光强的变化实现对外界信号的测量。
具体参照图1-图3，本发明的高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器，包括第一单模光纤1、第二单模光纤1-1、金属套管2、反射膜片3和光纤支撑架4；金属套管2的一端开设有凹腔，反射膜片3设置于金属套管2该端的端部，所述凹腔作为第一F-P腔6，金属套管2该端的端部连连接有光纤支撑架4，第二单模光纤1-1安装于所述光纤支撑架4，第二单模光纤1-1的端部正对反射膜片3的中心，第二单模光纤1-1与反射膜片3之间的空间作为第二F-P腔7；
金属套管2另一端的断面向内开设有用于安装第一单模光纤1的通孔，所述通孔与所述凹腔连通，第一单模光纤1设置于所述通孔中，第一单模光纤1的端部正对反射膜片3的中心；
第一F-P腔6与第二F-P腔7的干涉谱线的漂移位移相等，但漂移方向相反。
作为本发明优选的实施方案，参照图1，第一F-P腔6的腔长与第二F-P腔7的腔长相等。
作为本发明优选的实施方案，第一F-P腔6的腔长与第二F-P腔7的腔长80-100um。
作为本发明优选的实施方案，参照图1和图3，金属套管2上在凹腔处开设有气孔5。气孔5的作用是为了保证腔内空气的排除，提高传感器的灵敏度。
作为本发明优选的实施方案，反射膜片3采用聚二甲基硅氧烷膜片，聚二甲基硅氧烷膜片具有低杨氏模量且弹性高的特点，反射膜片3的半径越大，厚度越小，其灵敏度越高。
作为本发明优选的实施方案，反射膜片3的厚度为9-11μm。
作为本发明优选的实施方案，参照图1和图3，金属套管2的形状为圆柱形，所述凹腔为与金属套管2同轴的圆形凹腔；金属套管2的另一端为实心部，所述通孔设沿实心部的轴心设置，所述反射膜片3的形状为圆形。
本发明高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器的解调方法，包括如下过程：
采用强度解调方案，直接探测光强的变化，将所述高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器的初始工作点控制在线性区域的正交相位点，此时输出光强与第一F-P腔6腔长的变化以及第二F-P腔7腔长的变化具有线性关系；
根据光强的变化得到第一F-P腔6腔长的变化与第二F-P腔7腔长的变化，实现对待测物理量的测量。
实施例
如图1和图3所示，本实施例的高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器包括两根单模光纤(即第一单模光纤1和第二单模光纤1-1)、聚二甲基硅氧烷膜片(即PDMS膜片)、金属套管2和光纤支撑架4，金属套管2的形状为圆柱形，金属套管2右端面向内同轴开设有圆形的凹腔，PDMS膜片的形状为圆形，熔接固定在金属套管2的右端面，PDMS膜片将所述凹腔封住，形成第一F-P腔6，金属套管2在其设置凹腔2-1的侧壁上开设气孔5，气孔5将凹腔2-1与外界连通；金属套管2的右端为实心部，用于安装第一单模光纤1的通孔沿着金属套管2实心部的轴心设置，第一单模光纤1的右端位于所述凹腔的底部；PDMS膜片的形状为圆形，PDMS膜片与金属套管2同轴，PDMS膜片的直径为15mm、厚度为10μm。光纤支撑架4为一L形支撑架，光纤支撑架4一边通过紫外粘合剂固定在金属套管2的右端，第二单模光纤1-1通过紫外粘合剂固定在光纤支撑架4另一边的端部，第二单模光纤1-1的端部正对反射膜片3的中心，保证光纤端面与振膜面较好的平行度，第二单模光纤1-1与PDMS膜片之间的空间作为第二F-P腔7；第二单模光纤1-1与PDMS膜片之间的距离与第一单模光纤1与PDMS膜片按的距离相等，即第一F-P腔6与第二F-P腔7的腔长相等。第一F-P腔6与第二F-P腔7的腔长均为90μm，组成F-P腔的两个反射面分别是光纤端面与PDMS膜片表面。第一F-P腔6与第二F-P腔7在振动过程中产生的干涉强度变化量相同，即干涉谱线的漂移位移相等，但漂移方向相反。
以下对本发明高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器的解调算法做进一步描述。
当外界被测量作用于该传感器时，会使反射膜片发生形变，从而导致第一F-P腔6的腔长与第二F-P腔7的腔长发生改变，同时会使干涉信号的强度发生改变，最终通过对干涉信号强度的解调实现对待测量的测量。在该传感器中，使用强度解调方案，即直接探测光强的变化，其基本过程是将传感器的初始工作点控制在线性区域的正交相位点(Q点)，此时输出光强与腔长的变化具有很好的线性关系，根据光强的变化就可以得到相应腔长的变化，即可实现对待测物理量的测量。图4表示了强度解调的具体过程，与传统不同的是，基于提出的差动式结构，其最终输出的光强变化有两组，分别代表第一F-P腔6和第二F-P腔7输出的光强变化，并且在理想情况下，由于相位差的不同，其光强的变化如图4中所示，是相互对应的，最后将两组光强变化叠加，其光强变化是传统输出光强的两倍以上。
本发明提供的高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器其整个解调过程涉及窄带激光器、耦合器、光电探测器及F-P腔与数据处理单元。具体解调过程如图5所示，首先两个窄带激光器发出波长为λ1和λ2的激光，光束经过耦合器分别进入第一F-P腔6与第二F-P腔7，进入F-P腔体的光，首先会在光纤端面发生反射与透射，透射的光在反射膜片3面继续反射，重新耦合进入光纤，光束在F-P腔内经过多次的反射与透射，最后形成的多光束在光纤端面发生干涉，形成干涉光谱，由光纤端面与反射膜片反射面组成的F-P腔体，其干涉光谱的输出表达式为：
其中λ为光波长，R1和R2分别为光纤端面反射率和反射膜片端面反射率，n0＝1为空气腔的折射率，α为光路损耗(从光源经由F-P腔到达探测器)，L为F-P腔有效腔长，I0为初始光强，μ为光纤端面与反射膜片间的光耦合效率。
携带干涉信号的光经过耦合器出来分别进入光电探测器PD1和光电探测器PD2，将光信号转换为电信号，经数据处理单元进行处理，即可测出外界变量。例如当外界声波压力作用于反射膜片，会使反射膜片发生形变，从而导致F-P腔长发生变化，导致干涉谱线发生漂移，而反射膜片形变引起的干涉谱漂移会导致传输至光电探测器的光功率发生强弱变化，通过解调光强变化就能够得到声波信号的信息。
Claims (8)
1.一种高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器，其特征在于，包括第一单模光纤(1)、第二单模光纤(1-1)、金属套管(2)、反射膜片(3)和光纤支撑架(4)；金属套管(2)的一端开设有凹腔，反射膜片(3)设置于金属套管(2)该端的端部，所述凹腔作为第一F-P腔(6)，金属套管(2)该端的端部连连接有光纤支撑架(4)，第二单模光纤(1-1)安装于所述光纤支撑架(4)，第二单模光纤(1-1)的端部正对反射膜片(3)的中心，第二单模光纤(1-1)与反射膜片(3)之间的空间作为第二F-P腔(7)；
金属套管(2)另一端的断面向内开设有用于安装第一单模光纤(1)的通孔，所述通孔与所述凹腔连通，第一单模光纤(1)设置于所述通孔中，第一单模光纤(1)的端部正对反射膜片(3)的中心；
第一F-P腔(6)与第二F-P腔(7)的干涉谱线的漂移位移相等，漂移方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器，其特征在于，第一F-P腔(6)的腔长与第二F-P腔(7)的腔长相等。
3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器，其特征在于，第一F-P腔(6)的腔长与第二F-P腔(7)的腔长为80-100μm。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器，其特征在于，金属套管(2)上在凹腔处开设有气孔(5)。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器，其特征在于，反射膜片(3)采用聚二甲基硅氧烷膜片。
6.根据权利要求5所述的一种高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器，其特征在于，反射膜片(3)的厚度为9-11μm。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器，其特征在于，金属套管(2)的形状为圆柱形，所述凹腔为与金属套管(2)同轴的圆形凹腔；金属套管(2)的另一端为实心部，所述通孔设沿实心部的轴心设置，所述反射膜片(3)的形状为圆形。
8.权利要求1-7任意一项所述的高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器的解调方法，其特征在于，包括如下过程：
采用强度解调方案，直接探测光强的变化，将所述高灵敏度差动式光纤F-P微振动传感器的初始工作点控制在线性区域的正交相位点，此时输出光强与第一F-P腔(6)腔长的变化以及第二F-P腔(7)腔长的变化具有线性关系；
根据光强的变化得到第一F-P腔(6)腔长的变化与第二F-P腔(7)腔长的变化，实现对待测物理量的测量。
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