CN112556595B - 一种光纤fpi传感器、测量装置及测量方法 - Google Patents

一种光纤fpi传感器、测量装置及测量方法 Download PDF

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CN112556595B CN202011385238.2A CN202011385238A CN112556595B CN 112556595 B CN112556595 B CN 112556595B CN 202011385238 A CN202011385238 A CN 202011385238A CN 112556595 B CN112556595 B CN 112556595B
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Abstract

本发明涉及一种光纤FPI传感器、测量装置及测量方法。本发明提供的纤FPI传感器、测量装置及测量方法，通过采用包含有依次级联的引导单模光纤、传感光纤毛细管、传感单模光纤和尾部光纤毛细管的光纤FPI传感器，直接对hybrid Vernier effect进行解调，并采用包络拟合的方式进行单腔信息的还原，进而放大灵敏度。同时，利用灵敏度矩阵，可以有效的消除交叉敏感，实现多参数同时测量。此外，本发明提供的光纤FPI传感器仅由引导单模光纤、传感光纤毛细管、传感单模光纤和尾部光纤毛细管进行级联即可，具有结构简单、成本低廉的特点。

Description

一种光纤FPI传感器、测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，特别是涉及一种光纤FPI传感器、测量装置及测量方法。
背景技术
Vernier effect是一种有效的在原理上提高灵敏度的方法，是利用两个干涉频率略有不同的干涉仪相组合产生周期性包络，对灵敏度有数量级的提升(目前能做到15倍以上)。该方法具有操作方便、成本低、灵敏度提升明显的突出优势。现有的Vernier效应传感器是利用干涉结构相组合而成，比如级联型Fabry–Perot干涉仪(Fabry–Perotinterferometer，FPI)结构，平行FPI结构，两个马赫曾德干涉仪组合，两个Sagnac环组合或者上述几种干涉仪相组合。但是存在着以下几种缺点：
存在严重的交叉串扰，影响测量精度。在测量过程中，分离型Vernier效应传感器结构，一个置于稳定环境充当参考干涉仪提供稳定光谱，另一个干涉仪置于测量环境，导致将传感参量灵敏度放大的同时，把其交叉敏感项也放大，造成更大的交叉串扰。而级联型的结构两个干涉仪都置于测量环境，所以两个腔对包络的漂移均有影响，所以不仅存在着多个参量间的交叉敏感，还存在着腔与腔之间的交叉串扰。因此，现有的Vernier效应传感器存在着严重的交叉串扰问题，无法对环境中的多个参量进行准确测量。
此外，Vernier效应传感器还存在以下缺点：
制备困难、费时费力：Vernier效应传感器的灵敏度越高则需要两个干涉仪的干涉频率越接近，这造成两个干涉仪的制作精度就需要越高。获得高灵敏度的制备工艺困难，间接造成成本高。
灵敏度放大倍率不高：包络的自由光谱范围(FSR)越大，灵敏度放大倍率就越高。现有的Vernier效应传感器需要在光谱仪中出现具有完整的FSR的包络才能有效的对包络进行有效追踪，导致灵敏度受到光谱仪或者光源波长的范围限制，放大倍率普遍在20倍以下。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于HybridVerniereffect的兼具灵敏度放大与双参数同时测量功能的光纤FPI传感器、测量装置及测量方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光纤FPI传感器，包括：单模光纤和光纤毛细管；
所述单模光纤包括：引导单模光纤和传感单模光纤；所述光纤毛细管包括：传感光纤毛细管和尾部光纤毛细管；
所述引导单模光纤、所述传感光纤毛细管、所述传感单模光纤和所述尾部光纤毛细管按照光传播方向依次级联；
所述引导单模光纤的外径、所述传感光纤毛细管的外径、所述传感单模光纤的外径和所述尾部光纤毛细管的外径均相等；
所述引导单模光纤的内径与所述传感单模光纤的内径相等；所述传感光纤毛细管的内径与所述尾部光纤毛细管的内径相等；所述引导单模光纤的内径和所述传感单模光纤的内径均小于所述传感光纤毛细管的内径和所述尾部光纤毛细管的内径；
所述单模光纤的腔体长度和所述单模光纤的折射率与所述光纤毛细管的的腔体长度和所述光纤毛细管的折射率满足公式L2n2＝i*L1n1+L；
其中，L1为传感光纤毛细管的的腔体长度，n1为传感光纤毛细管的折射率，L2为传感单模光纤的腔体长度，n2为传感单模光纤的折射率，i为L2n2/L1n1的最大整除数，L为L2n2/L1n1的余数。
优选的，所述引导单模光纤的外径、所述传感光纤毛细管的外径、所述传感单模光纤的外径和所述尾部光纤毛细管的外径均为125μm。
优选的，所述引导单模光纤的内径和所述传感单模光纤的内径均为9μm。
优选的，所述传感光纤毛细管的内径和所述尾部光纤毛细管的内径均为75μm。
一种测量装置，包括：宽带光源、传输单模光纤、环形器、光谱仪、处理单元和上述光纤FPI传感器；
所述光纤FPI传感器黏附在待测结构上；所述宽带光源发出的光经所述传输单模光纤进入到所述环形器；所述环形器将光传输给所述光纤FPI传感器；所述光纤FPI传感器将光进行反射后，由所述环形器传输给所述光谱仪；所述光谱仪记录反射光的光谱信息后传输给所述处理单元处理得到测量信息；所述测量信息包括所述待测结构的消除交叉敏感后的具有灵敏度放大倍率的应变变化量和温度变化量。
优选的，所述处理单元为计算机。
一种测量方法，应用于上述测量装置；所述测量方法包括：
将光纤FPI传感器黏附于待测结构上以获取光谱数据，并根据所述光谱数据绘制光谱图；
对所述光谱图中的所有峰值进行包络拟合得到上包络；
获取所述光谱图中所有峰值中的第一特定点进行包络拟合得到第一内包络；
获取所述光谱图中所有峰值中的第二特定点进行包络拟合得到第二内包络；
获取峰值波长位置值和交点位置值；所述峰值波长位置值为与所述上包络中任一峰值点相对应的波长的位置值；所述交点位置值为所述第一内包络与所述第二内包络交点的位置值；
获取初始上包络峰值位置波长值和初始交点位置波长值；所述初始位置波长值为温度值为初始温度、应变值为0με时上包络的峰值位置波长值；所述初始交点位置值为温度值为初始温度、应变值为0με时所述第一内包络与所述第二内包络交点的位置值；
根据待测应变下的光谱峰值位置波长值和所述初始峰值位置波长值确定峰值位置波长差值，根据待测应变下的交点位置值和所述初始交点位置值确定内包络交点波长差值；
获取灵敏度矩阵；
将所述峰值位置波长差值和所述内包络交点波长差值带入到所述灵敏度矩阵中确定消除交叉敏感后的具有灵敏度放大倍率的应变变化量和温度变化量。
优选的，所述获取灵敏度矩阵步骤之前，还包括：
获取所述光纤FPI传感器的应变灵敏度数据；所述应变灵敏度数据包括第一应变灵敏度数据和第二应变灵敏度数据；
获取所述光纤FPI传感器的温度灵敏度数据；所述温度灵敏度数据包括第一温度灵敏度数据和第二温度灵敏度数据；
根据所述应变灵敏度数据和所述温度灵敏度数据确定灵敏度矩阵。
优选的，所述获取所述光纤FPI传感器的应变灵敏度数据，具体包括：
获取所述光纤FPI传感器在不同应变条件下的光谱数据；
根据所述光纤FPI传感器在不同应变条件下的光谱数据绘制第一样本光谱图；
对所述第一样本光谱图中的所有峰值进行包络拟合得到第一样本上包络；
获取所述第一样本光谱图中所有峰值中的特定点进行包络拟合得到第一样本内包络；所述第一样本内包络包括：第一子样本内包络和第二子样本内包络；
获取所述第一样本上包络中的第一峰值点的波长值和所述第一样本上包络中的第一峰值点对应的应变量，并将所述第一样本上包络中的第一峰值点的波长值作为第一波长基准值；所述第一峰值点为所述第一样本上包络中的任一峰值点；
获取所述第一样本上包络中的第二峰值点的波长值和所述第一样本上包络中的第二峰值点对应的应变量；所述第一样本上包络中的第二峰值点为所述第一样本上包络中除所述第一样本上包络中的第一峰值点外的峰值点；所述第二峰值点的个数大于五个；
根据所述第一波长基准值和所述第二峰值点的波长值确定第一上包络漂移量；
将所述第一样本上包络中的第一峰值点的应变量和所述第一样本上包络中的第二峰值点的应变量与所述第一上包络漂移量进行线性拟合得到第一斜率应变；所述第一斜率应变即为第一应变灵敏度数据；
获取所述第一子样本内包络和所述第二子样本内包络中的交点的波长值和获取第一子样本内包络和所述第二子样本内包络中的所有交点的应变量，并将所述交点中的第一个交点的波长值作为第二波长基准值；
根据所述第二波长基准值、所述第一子样本内包络和所述第二样本内包络的所有交点的波长值确定第一内包络漂移量；
将所述第一子样本内包络和所述第二子样本内包络的交点的应变量与所述第一内包络漂移量进行线性拟合得到第二斜率应变；所述第二斜率应变即为第二应变灵敏度数据。
优选的，所述获取所述光纤FPI传感器的温度灵敏度数据，具体包括：
获取所述光纤FPI传感器在不同温度条件下的光谱数据；
根据所述光纤FPI传感器在不同温度条件下的光谱数据绘制第二样本光谱图；
对所述第二样本光谱图中的所有峰值进行包络拟合得到第二样本上包络；
获取所述第二样本光谱图中所有峰值中的特定点进行包络拟合得到第二样本内包络；所述第二样本内包络包括：第三子样本内包络和第四子样本内包络；
获取所述第二样本上包络中的第三峰值点的波长值和所述第二样本上包络中的第三峰值点的应变量，并将所述第二样本上包络中的第三峰值点的波长值作为第三波长基准值；所述第三峰值点与所述第一峰值点相同；
获取所述第二样本上包络中的第四峰值点的波长值和所述第二样本上包络中的第四峰值点的温度量；所述第二样本上包络中的第四峰值点为所述第二样本上包络中除所述第二样本上包络中的第三峰值点外的峰值点；
根据所述第三波长基准值和所述第四峰值点的波长值确定第二上包络漂移量；
将所述第二样本上包络中的第三峰值点的温度量和所述第二样本上包络中的第四峰值点的温度量与所述第二上包络漂移量进行线性拟合得到第三斜率应变；所述第三斜率应变即为第一温度灵敏度数据；
获取所述第三子样本内包络与第四子样本内包络的交点的波长值和第三子样本内包络与第四子样本内包络的交点的温度量，并将所有交点中的第一个交点的波长值作为第四波长基准值；
根据所述第四波长基准值和所述第三子样本内包络与第四子样本内包络的所有交点的波长值确定第二内包络漂移量；
将所述第三子样本内包络和所述第四子样本内包络的交点的温度量和所述第二内包络漂移量进行线性拟合得到第四斜率应变；所述第四斜率应变即为第二温度灵敏度数据。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的光纤FPI传感器、测量装置及测量方法，通过采用包含有依次级联的引导单模光纤、传感光纤毛细管、传感单模光纤和尾部光纤毛细管的光纤FPI传感器，直接对hybridVerniereffect进行解调，并采用包络拟合的方式进行单腔信息的还原，进而放大灵敏度。同时，利用灵敏度矩阵，可以有效的消除交叉敏感，实现多参数同时测量。此外，本发明提供的光纤FPI传感器仅由引导单模光纤、传感光纤毛细管、传感单模光纤和尾部光纤毛细管进行级联即可，具有结构简单、成本低廉的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的光纤FPI传感器的结构示意图；
图2为本发明提供的测量装置的第一结构示意图；
图3为本发明提供的测量方法的第一流程图；
图4为本发明提供的测量方法的第二流程图；
图5为本发明实施例中实际测量的光谱图；
图6为本发明实施例中进行包络拟合后的光谱图；
图7为本发明实施例中应变灵敏度相应图；其中，a)部分为上包络对应变的灵敏度处理结果图；b)部分为内包络对应变的灵敏度处理结果图；c)部分为应变灵敏度拟合结果图；
图8为本发明实施例中温度灵敏度相应图；其中，a)部分为上包络对温度的灵敏度处理结果图；b)部分为内包络对温度的灵敏度处理结果图；c)部分为温度灵敏度拟合结果图；
图9为本发明提供的测量装置的第二结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于HybridVernier effect的兼具灵敏度放大与双参数同时测量功能的光纤FPI传感器、测量装置及测量方法。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的光纤FPI传感器的结构示意图，如图1所示，一种光纤FPI传感器，包括：单模光纤和光纤毛细管。单模光纤的型号优选为SMF-28。
单模光纤包括：引导单模光纤和传感单模光纤。光纤毛细管包括：传感光纤毛细管和尾部光纤毛细管。
引导单模光纤、传感光纤毛细管、传感单模光纤和尾部光纤毛细管按照光传播方向依次级联。
引导单模光纤的外径、传感光纤毛细管的外径、传感单模光纤的外径和尾部光纤毛细管的外径均相等。
引导单模光纤的内径与传感单模光纤的内径相等。传感光纤毛细管的内径与尾部光纤毛细管的内径相等。引导单模光纤的内径和传感单模光纤的内径均大于传感光纤毛细管的内径和尾部光纤毛细管的内径。
单模光纤的腔体长度和单模光纤的折射率与光纤毛细管的的腔体长度和光纤毛细管的折射率满足公式L2n2＝i*L1n1+L。
其中，L1为光纤毛细管的的腔体长度，n1为光纤毛细管的折射率，L2为单模光纤的腔体长度，n2为单模光纤的折射率，i为L2n2/L1n1的最大整除数，L为L2n2/L1n1的余数。
本发明提供的光纤FPI传感器的参数设置具体如下：引导单模光纤的外径、传感光纤毛细管的外径、传感单模光纤的外径和尾部光纤毛细管的外径均优选为125μm。引导单模光纤的内径和传感单模光纤的内径均优选为9μm。传感光纤毛细管的内径和尾部光纤毛细管的内径均优选为75μm。传感光纤毛细管的长度优选为60μm，传感单模光纤的长度优选为380μm，尾部光纤毛细管的长度优选为0.5cm。单模光纤的腔体长度优选为380μm，单模光纤的折射率优选为1.456。光纤毛细管的的腔体长度优选为60μm，光纤毛细管的折射率优选为1.003。基于上述参数设置，i＝9，L＝20。
基于上述光纤FPI传感器参数的设置，该光纤FPI传感器为一种用来测量温度和应变的特例传感器，在实际应用时，可以根据不同的测量对象使用不同的材料和参数设置本发明上述结构的光纤FPI传感器。
对应于上述提供的光纤FPI传感器，本发明还提供了一种测量装置，如图2所示，该测量装置，包括：宽带光源(BBS，FiberLakeASE)、传输单模光纤、环形器(OC，500)、光谱仪(OSA，YOKOGAMAAQ6370C)、处理单元和上述光纤FPI传感器。
光纤FPI传感器黏附在待测结构上。宽带光源发出的光经传输单模光纤进入到环形器。环形器将光传输给光纤FPI传感器。光纤FPI传感器将光进行反射后，由环形器传输给光谱仪。光谱仪记录反射光的光谱信息后传输给处理单元处理得到测量信息。测量信息包括待测结构的应变变化量和温度变化量，得到的应变变化量与温度变化量具有消除二者间的交叉敏感和灵敏度放大的效果。其中，处理单元优选为计算机。
具体的，宽带光源为整个测量装置的起始结构，所发出的光经传输单模光纤即光路1进入到环形器，并由环形器的光路2至传感器探头。经由传感探头反射回的光携带传感探头的信息，经由环形器的光路3至光谱仪中，并经由光谱仪记录光谱数据后经处理单元分析处理后得到测量信息。
此外，本发明还提供了一种测量方法，其应用于上述测量装置。如图3所示，该测量方法包括：
步骤100：将上述光纤FPI传感器黏附于待测结构上以获取光谱数据，并根据光谱数据绘制光谱图。
步骤101：对光谱图中的所有峰值进行包络拟合得到上包络。
步骤102：获取光谱图中所有峰值中的第一特定点进行包络拟合得到第一内包络。
步骤103：获取光谱图中所有峰值中的第二特定点进行包络拟合得到第二内包络。
步骤104：获取峰值波长位置值和交点波长位置值。波长位置值为与上包络中任一峰值点相对应的波长的位置值。交点位置值为第一内包络与第二内包络交点的位置值。
步骤105：获取初始波长位置值和初始交点位置值。初始位置波长值为温度值为初始温度、应变值为0με时上包络的峰值位置波长值。初始交点位置值为温度值为初始温度、应变值为0με时第一内包络与第二内包络交点的位置值。
步骤106：根据待测应变下的光谱峰值位置波长值和初始峰值位置波长值确定峰值位置波长差值，根据待测应变下的交点位置值和初始交点位置值确定内包络交点波长差值。
步骤107：获取灵敏度矩阵。
步骤108：将峰值位置波长差值和内包络交点波长差值带入到灵敏度矩阵中确定消除交叉敏感后的具有灵敏度放大倍率的应变变化量和温度变化量。
优选的在本发明提供的步骤107之前，还包括构建灵敏度矩阵的过程，该过程具体包括：
获取光纤FPI传感器的应变灵敏度数据。应变灵敏度数据包括第一应变灵敏度数据和第二应变灵敏度数据。
获取光纤FPI传感器的温度灵敏度数据。温度灵敏度数据包括第一温度灵敏度数据和第二温度灵敏度数据。
根据应变灵敏度数据和温度灵敏度数据确定灵敏度矩阵。
其中，获取光纤FPI传感器的应变灵敏度数据具体包括：
获取光纤FPI传感器在不同应变条件下的光谱数据。
根据光纤FPI传感器在不同应变条件下的光谱数据绘制第一样本光谱图。
对第一样本光谱图中的所有峰值进行包络拟合得到第一样本上包络。
获取第一样本光谱图中所有峰值中的特定点进行包络拟合得到第一样本内包络。第一样本内包络包括：第一子样本内包络和第二子样本内包络。
获取第一样本上包络中的第一峰值点的波长值和第一样本上包络中的第一峰值点的应变量，并将第一样本上包络中的第一峰值点的波长值作为第一波长基准值。第一峰值点为第一样本上包络中的任一峰值点。
获取第一样本上包络中的第二峰值点的波长值和第一样本上包络中的第二峰值点的应变量。第一样本上包络中的第二峰值点为第一样本上包络中除第一样本上包络中的第一峰值点外的峰值点。
根据第一波长基准值和第二峰值点的波长值确定第一上包络漂移量。
将第一样本上包络中的第一峰值点的应变量和第一样本上包络中的第二峰值点的应变量与第一上包络漂移量进行线性拟合得到第一斜率应变。第一斜率应变即为第一应变灵敏度数据。
获取第一子样本内包络和第二子样本内包络的交点的波长值和第一子样本内包络和第二子样本内包络的交点的应变量，并将第一子样本内包络和第二子样本内包络的交点中的第一个交点的的波长值作为第二波长基准值。
根据第二波长基准值和第一子样本内包络和第二子样本内包络的所有交点的波长值确定第一内包络漂移量。
将第一子样本内包络和第二子样本内包络的交点的应变量和第一内包络漂移量进行线性拟合得到第二斜率应变。第二斜率应变即为第二应变灵敏度数据。
获取光纤FPI传感器的温度灵敏度数据具体包括：
获取光纤FPI传感器在不同温度条件下的光谱数据。
根据光纤FPI传感器在不同温度条件下的光谱数据绘制第二样本光谱图。
对第二样本光谱图中的所有峰值进行包络拟合得到第二样本上包络。
获取第二样本光谱图中所有峰值中的特定点进行包络拟合得到第二样本内包络。第二样本内包络包括：第三子样本内包络和第四子样本内包络。
获取第二样本上包络中的第三峰值点的波长值和第二样本上包络中的第三峰值点的应变量，并将第二样本上包络中的第三峰值点的波长值作为第三波长基准值。第三峰值点为第二样本上包络中的任一峰值点。
获取第二样本上包络中的第四峰值点的波长值和第二样本上包络中的第四峰值点的温度量。第二样本上包络中的第四峰值点为第二样本上包络中除第二样本上包络中的第三峰值点外的峰值点。
根据第三波长基准值和第四峰值点的波长值确定第二上包络漂移量。
将第二样本上包络中的第三峰值点的温度量和第二样本上包络中的第四峰值点的温度量与第二上包络漂移量进行线性拟合得到第三斜率应变。第三斜率应变即为第一温度灵敏度数据。
获取第三子样本内包络与第四子样本内包络的交点的波长值和第三子样本内包络与第四子样本内包络的交点的温度量，并将所有交点中的第一个交点的波长值作为第四波长基准值。
根据第四波长基准值和第三子样本内包络和第四子样本内包络的所有交点的波长值确定第二内包络漂移量。
将第三子样本内包络和第四子样本内包络的交点的应变量第二内包络漂移量进行线性拟合得到第四斜率应变。第四斜率应变即为第二温度灵敏度数据。
下面提供一个具体实施案例进一步说明本发明的方案，本发明具体实施案例中以上述参数设置的光纤FPI传感器，以图2所示的测量装置和如图3所示的测量方法的具体流程为例进行阐述，在具体应用时，本发明的方案也适用于其他参数设置的光纤FPI传感器。
根据如图2所示的测量装置及如图1所示的光纤FPI传感器，光谱仪将采集到具有hybrid Vernier effect的反射光谱图。该测量过程如图4所示，包括：
步骤1：将光纤FPI传感器黏附于待测结构上。可用环保胶水涂于传感探头的引导单模光纤与尾部光纤毛细管上，之后将传感探头黏附于两个可移动的位移平台之间。然后通过位移平台对传感器施加应变，每次应变的增量为100με，记每次应变量为S1、S2、S3、S4…S7，共七组数据。
步骤2：数据采集。用计算机记录每次应变下的数据，共七组，分别记为G1、G2、G3、G4…G7，并记录此时的温度值T0。采集到的数据其中一组数据G1，包含原始的波长(单位nm)与光强数据(单位dB)。其光谱图如图5所示，可由公式(1)表示：
Figure BDA0002809471850000131
记光纤毛细管的腔体为FP1，单模光纤的腔体为FP2，毛细管-单模光纤混合腔体为FP3，其中n1、n2分别为FP1与FP2的折射率，L1、L2分别为FP1与FP2的长度。在上述光纤FPI传感器结构中，光纤毛细管腔的长度为L1＝60um，折射率n1＝1.003，单模光纤腔的长度L2＝380um，折射率n1＝1.456。所以在这个结构中，L2n2＝9*L1n1+L，其中，i为L2n2/L1n1的最大整除数，L为余数，所以FP2有效光程远大于FP1其中Ein为入射光的振幅，R1、R2、R3分别为图1中M1、M2、M3位置处的反射率，α1、α2分别为FP1与FP2传输损耗，φ1、φ2、φ1+φ2分别为FP1、FP2、FP3的传输相位变化，由φi＝2πniLi/λ表示。所以反射光强可以用公式(2)表示为：
Figure BDA0002809471850000132
其中，A＝R1+(1-α1)2(1-R1)2R2+(1-α1)2(1-α2)2(1-R1)2R3
Figure BDA0002809471850000133
Figure BDA0002809471850000134
Figure BDA0002809471850000141
步骤3：对采集到的应变数据进行光谱进行内包络与上包络的拟合。如图6所示，对光谱中的所有峰值进行包络拟合处理，可以得到上包络。
同时对内包络的拟合则取峰值中特定点，方法为取间隔为i个的所有峰值将它们作为一组，然后利用matalab中的插值函数可以拟合一条内包络。在上述光纤FPI传感器中i＝9，所以峰值间隔为9。每组光谱数据需要拟合出两个内包络，两个内包络将存在交点，如图6所示。
步骤4：得到上包络与内包络交点的波长漂移量。光谱数据G1在进行包络拟合之后。可以追踪其任意一点峰值，得到其波长值，并将该波长值作为波长基准值，所以变化量为0记为W1，与之对应的应变量记为S1。同理得到剩余的光谱数据上包络峰值点，并与基准值比较，即可得到各应变下的上包络漂移量W2、W3…W7，如图7的a)部分所示。将S1-S7与W1-W7进行线性拟合，即可得到线性拟合的斜率应变K11，K11＝3.8pm/με。该斜率应变K11即为光纤FPI传感器上包络对应变的灵敏度，如图7的c)部分所示。
同理追踪得G1光谱数据得两个内包络的交点波长位置，并以交点波长位置为内包络交点波长基准值，所以变化量为0记为W11，与之对应的应变量也记为S1。同理得到剩余光谱数据内包络交点得到波长值，并与基准值比较，即可得到W22、W33…W77，如图7的b)部分所示。将S1-S7与W11-W77进行线性拟合，即可得到线性拟合的斜率应变K12，K12＝154.1pm/με。该斜率应变K12为内包络对应变的灵敏度，如图7的c)部分所示。
步骤5：将光纤FPI传感器放置到温度箱中(SIOM SG-XL，China)，进行温度的灵敏度测试，温度测试从室温35℃到125℃，每次温度上升的间隔为10℃，温度记为T1-T7，并对各个温度下的光谱进行采集，得到光谱数据g1、g2、g3…g7。
步骤6：同步骤3。对光谱中的所有峰值进行包络拟合处理，可以得到上包络。
同时对内包络的拟合则取峰值中特定点，方法为取间隔为i个的所有峰值将它们作为一组，然后利用matalab中的插值函数可以拟合一条内包络。每组光谱数据需要拟合出两个内包络，两个内包络将存在交点。
步骤7：同步骤4。追踪光谱数据g1中上包络的峰值位置，并记录其波长值，以该波长值作为基准值。所以其波长变化量也记为w1，与之对应的应变量为T1。同理得到剩余的光谱数据上包络峰值点，并与基准值比较，即可得到各应变下的上包络漂移量w2、w3…w7，如图8的a)部分所示。将T1-T7与w1-w7进行线性拟合，即可得到线性拟合的斜率应变K21，K21＝0.7pm/℃。斜率应变K21即为上包络对温度的灵敏度，如图8的c)部分所示。
同时对内包络的拟合则取峰值中特定点，方法为取间隔为i个的所有峰值将它们作为一组，然后利用matalab中的插值函数可以拟合一条内包络。每个应变下的光谱数据需要拟合出两个内包络，并得到两个内包络的交点波长位置W11，通过多组数据并将其进行线性拟合处理，即可得到w22、w33…w77。将S1-S7与w11-w77进行线性拟合，即可得到线性拟合的斜率应变K22，其中，K22＝-551.1pm/℃。斜率应变K22为内包络对温度的灵敏度，如图8的b)部分所示。
步骤8：利用步骤2-7得到的内包络及上包络各自对温度与应变的灵敏度数据K11、K21、K12和K22建立灵敏度矩阵。该灵敏度矩阵为：
Figure BDA0002809471850000151
步骤9：将光纤FPI传感器固定在待测结构上。用光纤熔接机将传感器与后端系统相连接，如图9所示。启动后端系统，对光谱仪接收到的数据G进行拟合，找出其中一个上包络的波长位置λupper1与其中一个内包络交点的位置λinternal1，并与温度值为T0，应变为0με的上包络λupper0与内包络的波长位置λinternal2比较，得出这两组数据的差值度Δλupper和Δλinternal。将差值度Δλupper和Δλinternal带入到公式(3)中即获得相应的应变变化量ΔS与温度变化量ΔT。
综上，本发明提供的技术方案相较于现有技术具有以下优点：
1、能有效消除灵敏度放大下的交叉敏感地消除。传统Verniereffect使用上包络对灵敏度进行放大，但是两个腔都会对上包络漂移有贡献，这种方式存在巨大的交叉串扰。本发明直接在hybridVerniereffect的基础上进行解调，用上包络进行单腔信息的还原，而利用内包络进行灵敏度放大。同时将上包络与内包络的漂移带入到灵敏度矩阵中，可以有效的消除交叉敏感，实现多参数同时测量。
2、传感器制备难度低，灵敏度高。相比于现有的Vernier效应传感器，传感器的灵敏度更高。所以要获得相同的放大倍率，对FP1与FP2的有效光程差的匹配度(即n2L2与n1L1匹配关系)可以大大减低，降低传感器制备的难度，也更容易获得高倍率。
3、灵敏度放大极高。传统Verniereffect传感器的包络追踪需要完整的包络FSR，所以放大倍率受到光谱仪波长范围的限制。而本发明的光纤FPI传感器可以通过两个包络的交点进行内包络的漂移追踪，包络FSR远大于光谱仪波长范围，同时可进行包络的追踪，能够突破仪器波长范围限制，获得极高的灵敏度放大倍率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光纤FPI传感器，其特征在于，包括：单模光纤和光纤毛细管；
所述单模光纤包括：引导单模光纤和传感单模光纤；所述光纤毛细管包括：传感光纤毛细管和尾部光纤毛细管；
所述引导单模光纤、所述传感光纤毛细管、所述传感单模光纤和所述尾部光纤毛细管按照光传播方向依次级联；
所述引导单模光纤的外径、所述传感光纤毛细管的外径、所述传感单模光纤的外径和所述尾部光纤毛细管的外径均相等；
所述引导单模光纤的内径与所述传感单模光纤的内径相等；所述传感光纤毛细管的内径与所述尾部光纤毛细管的内径相等；所述引导单模光纤的内径和所述传感单模光纤的内径均大于所述传感光纤毛细管的内径和所述尾部光纤毛细管的内径；
所述单模光纤的腔体长度和所述单模光纤的折射率与所述光纤毛细管的腔体长度和所述光纤毛细管的折射率满足公式L2n2＝i*L1n1+L；
其中，L1为光纤毛细管的腔体长度，n1为光纤毛细管的折射率，L2为单模光纤的腔体长度，n2为单模光纤的折射率，i为L2n2/L1n1的最大整除数，L为L2n2/L1n1的余数。
2.根据权利要求1所述的光纤FPI传感器，其特征在于，所述引导单模光纤的外径、所述传感光纤毛细管的外径、所述传感单模光纤的外径和所述尾部光纤毛细管的外径均为125μm。
3.根据权利要求1所述的光纤FPI传感器，其特征在于，所述引导单模光纤的内径和所述传感单模光纤的内径均为9μm。
4.根据权利要求1所述的光纤FPI传感器，其特征在于，所述传感光纤毛细管的内径和所述尾部光纤毛细管的内径均为75μm。
5.一种测量装置，其特征在于，包括：宽带光源、传输单模光纤、环形器、光谱仪、处理单元和如权利要求1-4任意一项所述的光纤FPI传感器；
所述光纤FPI传感器黏附在待测结构上；所述宽带光源发出的光经所述传输单模光纤进入到所述环形器；所述环形器将光传输给所述光纤FPI传感器；所述光纤FPI传感器将光进行反射后，由所述环形器传输给所述光谱仪；所述光谱仪记录反射光的光谱信息后传输给所述处理单元处理得到测量信息；所述测量信息包括所述待测结构的应变变化量和温度变化量。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述处理单元为计算机。
7.一种测量方法，其特征在于，应用于如权利要求5-6任意一项所述的测量装置；所述测量方法包括：
将如权利要求1-4任意一项所述的光纤FPI传感器黏附于待测结构上以获取光谱数据，并根据所述光谱数据绘制光谱图；
对所述光谱图中的所有峰值进行包络拟合得到上包络；
获取所述光谱图中所有峰值中的第一特定点进行包络拟合得到第一内包络；
获取所述光谱图中所有峰值中的第二特定点进行包络拟合得到第二内包络；
获取峰值波长位置值和交点波长位置值；所述峰值波长位置值为与所述上包络中任一峰值点相对应的波长的位置值；所述交点波长位置值为第一内包络与第二内包络交点的位置值；
获取初始波长位置值和初始交点位置值；所述初始波长位置值为温度值为初始温度、应变值为0με时上包络的峰值位置波长值；所述初始交点位置值为温度值为初始温度、应变值为0με时所述第一内包络与所述第二内包络交点的位置值；
根据待测应变下的光谱峰值位置波长值和所述初始峰值位置波长值确定峰值位置波长差值，根据待测应变下的交点位置值和所述初始交点位置值确定内包络交点波长差值；
获取灵敏度矩阵；
将峰值位置波长差值和所述内包络交点波长差值带入到所述灵敏度矩阵中确定消除交叉敏感后的具有灵敏度放大倍率的应变变化量和温度变化量。
8.根据权利要求7所述的一种测量方法，其特征在于，所述获取灵敏度矩阵之前，还包括：
获取所述光纤FPI传感器的应变灵敏度数据；所述应变灵敏度数据包括第一应变灵敏度数据和第二应变灵敏度数据；
获取所述光纤FPI传感器的温度灵敏度数据；所述温度灵敏度数据包括第一温度灵敏度数据和第二温度灵敏度数据；
根据所述应变灵敏度数据和所述温度灵敏度数据确定灵敏度矩阵。
9.根据权利要求8所述的一种测量方法，其特征在于，所述获取所述光纤FPI传感器的应变灵敏度数据，具体包括：
获取所述光纤FPI传感器在不同应变条件下的光谱数据；
根据所述光纤FPI传感器在不同应变条件下的光谱数据绘制第一样本光谱图；
对所述第一样本光谱图中的所有峰值进行包络拟合得到第一样本上包络；
获取所述第一样本光谱图中所有峰值中的特定点进行包络拟合得到第一样本内包络；第一样本内包络包括：第一子样本内包络和第二子样本内包络；
获取所述第一样本上包络中的第一峰值点的波长值和所述第一样本上包络中的第一峰值点的应变量，并将所述第一样本上包络中的第一峰值点的波长值作为第一波长基准值；所述第一峰值点为第一样本上包络中的任一峰值点；
获取所述第一样本上包络中的第二峰值点的波长值和所述第一样本上包络中的第二峰值点的应变量；所述第一样本上包络中的第二峰值点为所述第一样本上包络中除所述第一样本上包络中的第一峰值点外的峰值点；所述第二峰值点的个数大于五个；
根据所述第一波长基准值和所述第二峰值点的波长值确定第一上包络漂移量；
将所述第一样本上包络中的第一峰值点的应变量和所述第一样本上包络中的第二峰值点的应变量与所述第一上包络漂移量进行线性拟合得到第一斜率应变；所述第一斜率应变即为第一应变灵敏度数据；
获取所述第一子样本内包络和所述第二子样本内包络的交点的波长值和所述第一子样本内包络和所述第二子样本内包络的交点的应变量，并将所述交点中的第一个交点的波长值作为第二波长基准值；
根据所述第二波长基准值、所述第一子样本内包络和所述第二子样本内包络的所有交点的波长值确定第一内包络漂移量；
将所述第一子样本内包络和所述第二子样本内包络的交点的应变量和所述第一内包络漂移量进行线性拟合得到第二斜率应变；所述第二斜率应变即为第二应变灵敏度数据。
10.根据权利要求9所述的一种测量方法，其特征在于，所述获取所述光纤FPI传感器的温度灵敏度数据具体包括：
获取所述光纤FPI传感器在不同温度条件下的光谱数据；
根据所述光纤FPI传感器在不同温度条件下的光谱数据绘制第二样本光谱图；
对所述第二样本光谱图中的所有峰值进行包络拟合得到第二样本上包络；
获取所述第二样本光谱图中所有峰值中的特定点进行包络拟合得到第二样本内包络；所述第二样本内包络包括：第三子样本内包络和第四子样本内包络；
获取所述第二样本上包络中的第三峰值点的波长值和所述第二样本上包络中的第三峰值点的应变量，并将所述第二样本上包络中的第三峰值点的波长值作为第三波长基准值；所述第三峰值点与所述第一峰值点相同；
获取所述第二样本上包络中的第四峰值点的波长值和所述第二样本上包络中的第四峰值点的温度量；所述第二样本上包络中的第四峰值点为第二样本上包络中除第二样本上包络中的第三峰值点外的峰值点；
根据所述第三波长基准值和所述第四峰值点的波长值确定第二上包络漂移量；
将所述第二样本上包络中的第三峰值点的温度量和所述第二样本上包络中的第四峰值点的温度量与第二上包络漂移量进行线性拟合得到第三斜率应变；第三斜率应变即为第一温度灵敏度数据；
获取所述第三子样本内包络与第四子样本内包络的交点的波长值和第三子样本内包络与第四子样本内包络的交点的温度量，并将所有交点中的第一个交点的波长值作为第四波长基准值；
根据所述第四波长基准值和所述第三子样本内包络和所述第四子样本内包络的所有交点的波长值确定第二内包络漂移量；
将所述第三子样本内包络和所述第四子样本内包络的交点的温度量和所述第二内包络漂移量进行线性拟合得到第四斜率应变；第四斜率应变即为第二温度灵敏度数据。
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