CN111664880A - 一种基于法布里珀罗的光纤传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于法布里珀罗的光纤传感器及其应用，由第一单模光纤与第二单模光纤耦合构成，第一单模光纤的耦合端面和第二单模光纤的耦合端面分别从套管的两端插入套管内，第一单模光纤的耦合端面和第二单模光纤的耦合端面上均镀设高反射膜形成高反射面，两个高反射面之间设有谐振腔。应用基于法布里珀罗的光线传感器的频分复用系统包括基于法布里珀罗的光线传感器、耦合器、光电转换器以及相位解调器。本发明所述的基于法布里珀罗的光纤传感器及其应用具有结构简单合理、成本低、体积小、有效的保留了光在传感器中传输时的强度、提高感应的灵敏度的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器，特别涉及安装于建筑物上的一种基于法布里珀罗的光纤传感器及其应用。
背景技术
光纤传感不同于以往的光学传感器，具有抗电磁干扰的能力，本征无源，适用的范围广泛，维护成本低等优点，被广泛应用于石油运输、煤矿安全、工程结构等相关领域中，但是传统光纤的测量精度不稳，且复用效果不佳，在感应到的应力微弱时反应不灵敏，无法满足某些工程的要求。
发明内容
本发明的目的提供一种基于法布里珀罗的光纤传感器及其应用，解决上述技术问题中的一个或多个。
本发明提出一种基于法布里珀罗的光纤传感器，由第一单模光纤与第二单模光纤耦合构成，所述第一单模光纤的耦合端面和第二单模光纤的耦合端面分别从套管的两端插入套管内，所述第一单模光纤的耦合端面和第二单模光纤的耦合端面上均镀设高反射膜形成高反射面，分别为第一高反射面和第二高反射面，第一高反射面与第二高反射面之间设有谐振腔。
在某些实施方式中，所述第一单模光纤包括第一单模光纤纤芯和包裹于所述第一单模光纤纤芯外围的第一单模光纤纤芯包层，所述第二单模光纤包括第二单模光纤纤芯和包裹于所述第二单模光纤纤芯外围的第二单模光纤纤芯包层。
在某些实施方式中，所述第一高反射面向着第二高反射面的方向上的谐振腔的厚度为18-22μm。
在某些实施方式中，所述谐振腔采用干净、无杂质的腔体。
在某些实施方式中，所述谐振腔采用真空腔体。
在某些实施方式中，所述基于法布里珀罗的光纤传感器的输出信号采用相位解调器进行信号解调，其中相位解调器采用的是交叉相关解调算法。
应用一种基于法布里珀罗的光纤传感器的频分复用系统，包括基于法布里珀罗的光纤传感器、耦合器、光电转换器以及相位解调器，基于法布里珀罗的光纤传感器通过耦合器与光电转换器连接，光电转换器与相位解调器连接。
在某些实施方式中，所述相位解调器上设有报警装置。
频分复用系统的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、选用多个基于法布里珀罗的光纤传感器，并将所选用的基于法布里珀罗的光纤传感器上设有第二单模光纤的一侧安装贴合于监测对象上；
步骤2、调试确认，将安装好的基于法布里珀罗的光纤传感器与光源和光谱仪进行线路连接，进行设备调试确保基于法布里珀罗的光纤传感器成功安装至建筑物上；
步骤3、构建频分复用系统，将安装成功的基于法布里珀罗的光纤传感器通过耦合器和光电转换器与相位解调器连接；
步骤4、生成光信号，光信号由第一单模光纤通过，经过真空谐振腔，进入第二单模光纤中，在遇到高反射面后反射回去，当受到外界干扰信号时，第二高反射面随之发生变形，反射回去的光信号也随之携带变形信号；
步骤5、计算外界干扰信号的强度，携带变形信号的光信号经过耦合器和光电转换为相应的电信号后，进入相位解调器；采取相位解调中交叉相关解调算法得到输出光强，将检测基于法布里珀罗的光纤传感器干涉相位的变化来实现对被测信号的解调，进而能计算出基于法布里珀罗的光纤传感器所受的应力，应力超过阈值时，则发出报警信号，控制报警装置发出警报。
本发明所述的一种基于法布里珀罗的光纤传感器及其应用的优点为：结构简单合理，成本低，体积小，感应灵敏，有效的保留了光在传感器中传输时的强度，提高了信号的稳定性，有利于长距离传输，复用效果佳。
附图说明
图1为本发明的一种实施方式中基于法布里珀罗的光纤传感器的结构示意图；
图2为本发明的一种实施方式中基于法布里珀罗的光纤传感器的主视图；
图3为本发明的一种实施方式中频分复用系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明提出一种基于法布里珀罗的光纤传感器及其应用，基于法布里珀罗的光纤传感器11由单根的第一单模光纤1的一端和单根的第二单模光纤5的一端分别从套管8的两端插入套管8内耦合构成，第一单模光纤1的耦合端面与第二单模光纤5的耦合端面上均利用电镀S925银镀设高反射膜形成高反射面，分别为第一高反射面4和第二高反射面7，第一高反射面4和第二高反射面7之间设有干净、无杂质的谐振腔3，这样有利于光信号的反复折射，保持了信号强度，提高了信号的稳定性，有利于长距离传输，其中高反射膜的厚度小于0.5㎜；
其中第一单模光纤1包括第一单模光纤纤芯2和设置于所述第一单模光纤纤芯2外围的第一单模光纤纤芯包层；
第二单模光纤5另一端设为端面A，端面A与第二单模光纤5的耦合端面之间的距离小于等于5㎜，且端面A表面平整光滑，第二单模光纤5包括第二单模光纤纤芯6和设置于所述第二单模光纤纤芯6外围的第二单模光纤纤芯包层；
第一高反射面向着第二高反射面的方向上的谐振腔3的厚度为18-22μm，优选20μm。
本实施方式中的谐振腔3优选为真空腔体，这样的设置能够有效的避免不同密度的气体引起的信号光的散射，避免该基于法布里珀罗的光纤传感器在就那些应力感应时由于不同密度的气体对干扰感应的效果产生的影响(比如热胀冷缩现象对气体密度的影响)，增强光线传播的稳定性和信号感应的灵敏度，进一步的保证信号感应的可靠性。
本实施例中叙述的基于法布里珀罗的光纤传感器11的制作过程如下：去除第一单模光纤1和第二单模光纤5表面包层，用酒精清洗干净后，用光纤切割刀切平端面并做放电处理，将处理好后的第二单模光纤5中切割好的一头从套管8一端插入套管8中，并放在熔接机内，对切割处理好的第一单模光纤1的切割端面进行镀银处理，镀银之后从套管8的另一端插入套管8内，调节两根单模光纤(即第一单模光纤1和第二单模光纤5)的位置，调节其中一根单模光纤，使得第一单模光纤1的耦合端面与第二单模光纤5的耦合端面之间的距离达到熔接标准时，对两根单模光纤进行熔接，溶解过程中两根单模光纤与套管8接触的边缘部分受热膨胀，然后熔接，第一单模光纤1的耦合端面与第二单模光纤5的耦合端面之间形成谐振腔3。基于法布里珀罗的光纤传感器11便制作完成。
本实施例中基于法布里珀罗的光纤传感器的输出信号采用相位解调器进行信号解调，其中相位解调器采用的是交叉相关解调算法。
如图3所示，应用基于法布里珀罗的光纤传感器的频分复用系统包括基于法布里珀罗的光纤传感器11、耦合器12、光电转换器13以及相位解调器14，基于法布里珀罗的光纤传感器11中的第一单模光纤上与耦合端面相对的一端通过耦合器12与光电转换器13连接，光电转换器13与相位解调器14连接，
其中相位解调器14中设置存储模块，存储模块中存储阈值，且相位解调器14上设有报警装置。
本实施例中叙述的频分复用系统用于监测建筑物受力情况的使用方法包括如下步骤：
步骤1、明确建筑结构作为监测对象；
步骤2、选用多个基于法布里珀罗的光纤传感器11，并将所选用的基于法布里珀罗的光纤传感器11安装于建筑物上，且基于法布里珀罗的光纤传感器11上设有第二单模光纤5的一侧完全贴合于建筑物，排出建筑物的微小形变对传感器的影响，有利于信号的监测；
步骤3、调试确认，将步骤2中安装好的基于法布里珀罗的光纤传感器11与光源和光谱仪进行线路连接，进行设备调试，调试过程中用信号发生器给建筑以干扰信号，之后将光谱仪采集到的信号与信号发生器给出的信号进行对比，以检验光谱仪是否采集到干扰信号，确保基于法布里珀罗的光纤传感器11成功安装至建筑物上，并且保证信号的正确检测，排除干扰信号，为后面的信号处理步骤做准备；
步骤4、构建频分复用系统，将安装成功的基于法布里珀罗的光纤传感器11通过耦合器12和光电转换器13与相位解调器14连接，实现使用频分复用法方式进行基于法布里珀罗的光纤传感器的信号采集，即使用一个相位解调器14同时采集多个基于法布里珀罗的光纤传感器11的信号的目的，有利于后续的信号处理，节约了成本；
步骤5、由光源发出的光形成光信号，光信号由第一单模光纤通过，经过真空谐振腔3，进入第二单模光纤5中，在遇到第一高反射面和第二高反射面后反射回去，当第二单模光纤5受到应力时，导致第二高反射面7发生变化，从而导致谐振腔3的长度发生变化，第一高反射面和第二高反射面反射回去的光信号也随之携带变形信号，这个操作步骤通过腔体的变化来反映受力的情况，由于腔体的密封性能好，同时镀银，这些都有利于激光在里面的传输，受到干扰的能量的传递会变小，所以腔体解析应力就更准确，能够感应到微小的应力，有效的提高基于法布里珀罗的光纤传感器11的灵敏度；
步骤6、计算外界干扰信号的强度，携带变形信号的光信号经过耦合器和光电转换为相应的电信号后，进入相位解调器14；采取相位解调中交叉相关解调算法得到输出光强，将检测基于法布里珀罗的光纤传感器11干涉相位的变化来实现对被测信号的解调，基于法布里珀罗的光纤传感器11的输出光强I不仅与腔长d有关，还和波长λ有关，是d和λ的双参函数；腔长信息包含在输出的整体光谱中，不同的腔长d对应不同的光谱分布，而不同的光谱分布在相同的波长范围内相位信息也是完全不同的，其对应公式如下：
式中，R为反射率，d为传感器腔长，λ为波反射谱波长，Ir为反射光强，Ii为入射光强；
在得出基于法布里珀罗的光纤传感器11的输出光强后，基于交叉相关运算的波长域法布里珀罗传感器解调技术，得出离散的交叉相关函数如下：
式中，Gm是在测量范围内等间隔离散的腔长值序列，Vn是对应于第n个探测单元的光频率，x(n)是光谱仪测量的离散化频率与干涉谱归一化强度序列；
该方法能够实现高分辨率的绝对腔长解调,从而得到高分辨率的被测物理量信息，为了实现较高的腔长分辨率,就要求离散腔长值序列Gm的间隔尽量小,其次是交叉相关计算的光谱范围尽可能的大。结合此方法，实现了基于法布里珀罗的光纤传感器11的高精度解调，在1um的动态范围下达到小于0.2nm的解调分辨率。性能远超于常规光纤传感器；
步骤7：基于法布里珀罗的光纤传感器11焊在待测部件上，其中两个焊点之间的距离为L，腔长为d，设传感器内径为ri，外径为r0，得到解调信号即传感器最终的的输出光强后，与正常时的信号即步骤4中由光源发出的光射入传感器后反射出来的光信号进行对比，如果建筑收到外界干扰，则通过对比信号后发现改变得知腔长的变化：
式中，E是传感器材料的杨氏模量，u是材料泊松比，假设用的是熔融石英材料，E＝74FPa，u＝0.17，
进而能计算出基于法布里珀罗的光纤传感器11所受的应力，超过阈值时，则发出报警信号，控制报警装置发出警报。同时将数据存储至存储模块中，方便后期的传输和研究。
上述方法相较于传统的方法分辨率更高，响应更快，在感应到的应力微弱时也能够通过谐振腔精准传达。
以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干相似的变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于法布里珀罗的光纤传感器，其特征在于，由第一单模光纤(1)与第二单模光纤(5)耦合构成，第一单模光纤(1)的耦合端面和第二单模光纤(5)的耦合端面分别从套管(8)的两端插入套管(8)内，所述第一单模光纤(1)的耦合端面和第二单模光纤(5)的耦合端面上均镀设高反射膜形成高反射面，分别为第一高反射面(4)和第二高反射面(7)，所述第一高反射面(4)与第二高反射面(7)之间设有谐振腔(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于法布里珀罗的光纤传感器，其特征在于，所述第一单模光纤(1)的耦合端面和第二单模光纤(5)的耦合端面上。
3.根据权利要求1所述的一种基于法布里珀罗的光纤传感器，其特征在于，所述第一单模光纤(1)包括第一单模光纤纤芯(2)和包裹于所述第一单模光纤纤芯(2)外围的第一单模光纤纤芯包层,所述第二单模光纤(5)包括第二单模光纤纤芯(6)和包裹于所述第二单模光纤纤芯外围的第二单模光纤纤芯包层。
4.根据权利要求1所述的一种基于法布里珀罗的光纤传感器，其特征在于，所述第一高反射面向着第二高反射面的方向上的谐振腔(3)的厚度为18-22μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于法布里珀罗的光纤传感器，其特征在于，所述谐振腔(3)采用干净、无杂质的腔体。
6.根据权利要求5所述的一种基于法布里珀罗的光纤传感器，其特征在于，所述谐振腔(3)采用真空腔体。
7.根据权利要求1所述的一种基于法布里珀罗的光纤传感器，其特征在于，所述基于法布里珀罗的光纤传感器的输出信号采用相位解调器进行信号解调，其中相位解调器采用的是交叉相关解调算法。
8.应用权利要求1-7中任一项所述的一种基于法布里珀罗的光纤传感器的频分复用系统，其特征在于，包括基于法布里珀罗的光纤传感器(11)、耦合器(12)、光电转换器(13)以及相位解调器(14)，基于法布里珀罗的光纤传感器(11)通过耦合器(12)与光电转换器(13)连接，光电转换器(13)与相位解调器(14)连接。
9.根据权利要求8中叙述的频分复用系统，其特征在于，所述相位解调器(14)上设有报警装置。
10.权利要求8或9中叙述的频分复用系统的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、选用多个基于法布里珀罗的光纤传感器(11)，并将所选用的基于法布里珀罗的光纤传感器(11)上设有第二单模光纤(5)的一侧安装贴合于监测对象上；
步骤2、调试确认，将安装好的基于法布里珀罗的光纤传感器(11)与光源和光谱仪进行线路连接，进行设备调试确保基于法布里珀罗的光纤传感器(11)成功安装至建筑物上；
步骤3、构建频分复用系统，将安装成功的基于法布里珀罗的光纤传感器(11)通过耦合器(12)和光电转换器(13)与相位解调器(14)连接；
步骤4、生成光信号，光信号由第一单模光纤(1)通过，经过真空谐振腔(3)，进入第二单模光纤(5)中，在遇到高反射面后反射回去，当受到外界干扰信号时，第二高反射面(7)随之发生变形，反射回去的光信号也随之携带变形信号；
步骤5、计算外界干扰信号的强度，携带变形信号的光信号经过耦合器和光电转换为相应的电信号后，进入相位解调器(14)；采取相位解调中交叉相关解调算法得到输出光强，将检测基于法布里珀罗的光纤传感器(11)干涉相位的变化来实现对被测信号的解调，进而能计算出基于法布里珀罗的光纤传感器(11)所受的应力，应力超过阈值时，则发出报警信号，控制报警装置发出警报。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010512079.1A CN111664880A (zh) | 2020-06-08 | 2020-06-08 | 一种基于法布里珀罗的光纤传感器及其应用 |
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| CN202010512079.1A CN111664880A (zh) | 2020-06-08 | 2020-06-08 | 一种基于法布里珀罗的光纤传感器及其应用 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN111664880A true CN111664880A (zh) | 2020-09-15 |
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| CN (1) | CN111664880A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113188691A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-07-30 | 上海大学 | 一种光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器及制备方法 |
-
2020
- 2020-06-08 CN CN202010512079.1A patent/CN111664880A/zh active Pending
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