CN112629744A - 一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器，它属于气压传感技术领域。本发明解决了由于现有研究中反射面处反射光损耗大，导致干涉谱的对比度低，气压检测的灵敏度低的问题。本发明第二透反膜的反射率明显高于第一透反膜，将石英腔为参考腔，其干涉谱不随被测气压的不同而改变，参考腔和传感腔干涉谱的相对移动即为传感腔干涉谱的频移；而现有研究中受空气腔损耗的影响，实际上是以石英腔和空气腔构成的复合腔为参考腔，其干涉谱会随被测气压的改变而改变，其变化量约为空气腔的1/2，导致参考腔和传感腔干涉谱的相对移动约为传感腔频移的1/2。因此，本发明的气压传感器的灵敏度约为现有方法的2倍。本发明可以应用于环境气压检测。
Description
技术领域
本发明属于气压传感技术领域，具体涉及一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器。
背景技术
气压传感器就是用于测量气体的绝对压强的器具，主要适用于与气体压强相关的物理实验，如气体定律等，也可以在生物和化学实验中测量干燥无腐蚀性的气体压强。气压传感器是一种检测装置，能感受到被测的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、标记录和控制等要求。它是实现自动化检测和控制的首要环节。
比如专利申请CN201810971799和CN201711315562中均对气压的检测展开了研究，但是现有研究中空气腔位于石英腔的前方，反射面处反射光损耗都非常大，导致干涉谱的对比度低，气压检测的灵敏度低。
发明内容
本发明的目的是为解决由于现有研究中反射面处反射光损耗大，导致干涉谱的对比度低，气压检测的灵敏度低的问题，而提出了一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器，所述气压传感器包括宽带光源、光纤环形器、级联珐珀干涉计传感头和光谱仪，其中：
宽带光源发射出的光信号经光纤环形器的第一端口入射到光纤环形器内，再经光纤环形器的第二端口入射到级联珐珀干涉计传感头；
经级联珐珀干涉计传感头反射回的光信号再经光纤环形器的第二端口入射到光纤环形器内，并经由光纤环形器的第三端口输出至光谱仪；
所述级联珐珀干涉计传感头包括第一单模光纤、第二单模光纤、石英管和双孔光纤；
所述第一单模光纤的一端与第二单模光纤的一端熔接，第二单模光纤的另一端与石英管的一端熔接，石英管的另一端与双孔光纤的一端熔接；
且第一单模光纤与第二单模光纤的熔接处设置有第一透反膜，第二单模光纤与石英管的熔接处设置有第二透反膜；
进一步地，所述光谱仪根据接收到的光信号的干涉谱包络平移量来检测气压的变化；
进一步地，所述第一单模光纤和第二单模光纤的外直径均为125微米；
进一步地，所述第一单模光纤和第二单模光纤的纤芯直径均为10微米；
进一步地，所述石英管的外直径为125微米，内直径为70-100微米；
进一步地，所述双孔光纤内设置有两个气孔，两个气孔对称分布于双孔光纤的纤芯的两侧；
进一步地，所述两个气孔的直径均为30-40微米，且两个气孔的间隔为30-60微米；
进一步地，所述第一透反膜的反射率为2％-4％，第二透反膜的反射率为6％-10％；
进一步地，所述第二单模光纤的长度为100-200微米，石英管的长度为100-300微米，双孔光纤的另一端的切割角度约为8度；
更进一步地，所述干涉谱包络平移量为：
其中：ΔλEnvelope为干涉谱包络平移量，M为包络放大因子，β为常数，ΔP为气压变化量。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器，本发明仅在第三个反射面的反射光损耗较大，而在第一和第二反射面的反射光几乎无损耗，因此反射光的损耗小，干涉谱的对比度高。本发明的第二透反膜的反射率明显高于第一透反膜，将石英腔为参考腔，其干涉谱不随被测气压的不同而改变，参考腔和传感腔干涉谱的相对移动即为传感腔干涉谱的频移；而现有研究中受空气腔损耗的影响，实际上是以石英腔和空气腔构成的复合腔为参考腔，其干涉谱会随被测气压的改变而改变，其变化量约为传感器(空气腔)的1/2，导致参考腔和传感腔干涉谱的相对移动约为传感腔频移的1/2。由于双腔级联珐珀干涉计的灵敏度与参考腔和传感腔的相对频移成正比，因此，本发明的气压传感器的灵敏度约为现有方法的2倍。
而且本发明的气压传感器结构相对简单、易于制备，不需要套管及胶固，结构稳定。使用双孔光纤取代了光子晶体光纤，由于双孔光纤的气孔直径远大于光子晶体光纤，熔接过程不容易塌陷，易于制备。
附图说明
图1是本发明的基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器的示意图；
图2是级联珐珀干涉计传感头的示意图；
图3是单模光纤的示意图；
图4是石英管的示意图；
图5是双孔光纤的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器的工作原理如下：
当宽带光源发出的入射光经光纤环形器入射至第一单模光纤与第二单模光纤之间的透反膜时，一部分入射光发生反射(该部分反射光称为第一束反射光)，而另一部分入射光继续传播，当传播到单模光纤与石英毛细管的界面时，由于界面两边介质折射率的不同，其中一部分入射光发生反射(该部分反射光称为第二束反射光)，而另一部分入射光继续传播，再继续传播的这部分光传播的石英毛细管与双孔光纤的界面时，其中一部分入射光发生反射(该部分反射光称为第三束反射光)，而其中另一部分光在继续传播，再继续传播的这部分光在双孔光纤的尾端损耗掉。以上三束反射光相互间产生干涉，第一束反射光与第二束反射光的干涉为石英腔珐珀干涉计内光束干涉，第二束和第三束光之间的干涉为空气腔珐珀干涉计内光束干涉，第一束光和第三束光之间的干涉为复合腔珐珀干涉计内光束干涉。三束光间相互干涉产生的干涉谱为空气腔、石英腔和复合腔干涉谱的叠加，考虑到第二透反膜的反射率明显大于第一透反膜，该传感器的干涉谱可近似为石英腔和空气腔的叠加，其中石英腔为参考腔，空气腔为传感腔。
制备过程
(1)将第一单模光纤镀透反膜M1(反射率为2％-4％)的一端与第二单模光纤的一端熔接；
(2)将第二单模光纤的另一端镀透反膜(反射率为6％-10％)，然后与内直径为70-100微米的石英毛细管熔接，第二单模光纤的长度(石英腔的长度)约为100-200微米；
(3)将石英毛细管的另一端与双孔光纤的一端熔接，石英毛细管的长度(空气腔的长度)约为100-300微米，且为了产生游标效应，石英毛细管的光程约等于单模光纤2的光程；
(4)双孔光纤的另一端的切割角度约为8度，目的是该端面的光不会发射回双腔内，对干涉谱造成影响。
当石英腔和空气腔的光程相近时，干涉谱就会出现包络，干涉谱包络的自由光谱范围为
FSRenvelope＝M·FSRair (1)
其中，M为包络放大因子，FSRair为石英腔的自由光谱范围，FSRsilica为空气腔的自由光谱范围。
当被测气压发生变化时，干涉谱包络的平移量Δλenvelope与空气腔干涉谱平移量Δλair和石英腔干涉谱平移量Δλsilica的关系可表示为
Δλenvelope＝M(Δλair-Δλsilica) (3)
对于该传感器，气压变化时，石英腔和空气腔干涉谱的平移量分别为
其中，α为可测的常数，也是单个空气腔的灵敏度，ΔP为气压的变化量。将公式(4)代入公式(3)得
Δλenvelope＝MΔλair＝M·α·ΔP (5)
由公式(5)可知，该传感器的气压灵敏度为Mα，由于单个空气腔气压灵敏度为α，因此，相对于单个空气腔，该传感器气压灵敏度提高了M倍。
由透反膜1、透反膜2和反射面M3反射回单模光纤1的三束光的复振幅E1、E2和E3分别为
其中，Φ1＝(4πnairLair)/λ，Φ2＝(4πnsilicaLsilica)/λ，A＝E0R1 1/2，B＝E0(1-R1)R2 1/2，C＝E0(1-α)(1-R1)(1-R2)R3 1/2；R1、R2分别为透反膜1和透反膜2的反射率，R1介于2％-4％之间，R2介于6％-10％之间；R3反射面M3的反射率，其值约为3％；α为空气腔的损耗，其值大于90％。因此，复振幅A、B、C的关系为B>A>C。
三束反射光在单模光纤内相互干涉，分别构成石英腔干涉谱(I1)、空气腔干涉谱(I2)和长腔干涉谱(I3)，即
该传感器的总干涉谱由以上三腔的干涉谱构成。由关系B>A>C，可知AB>BC>AC，即I1>I2>I3，因此，石英腔和空气腔对干涉谱包络的形状起决定性作用。
下面讨论空气腔和石英腔级联产生游标效应的原理，当空气腔光程与石英腔光程相近但不相等时，它们级联后就会产生干涉谱包络，干涉谱包络的自由光谱范围为
M为包络放大因子，FSRair为石英腔的自由光谱范围，FSRsilica为空气腔的自由光谱范围。
在气压作用下，当气体折射率发生变化时，干涉谱包络随之移动，其移动量ΔλEnvelope可近似表示为
ΔλEnvelope＝M(Δλair-Δλsilica)
其中，Δλair和Δλsilica分别为气压变化时空气腔和长腔干涉谱平移量，可表示为：
其中，β为常数，ΔP为气压变化量。
当气压变化时，干涉谱包络的平移量为空气腔干涉谱平移量的M倍，即级联双腔灵敏度为单个空气腔灵敏度的M倍。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器，其特征在于，所述气压传感器包括宽带光源、光纤环形器、级联珐珀干涉计传感头和光谱仪，其中：
宽带光源发射出的光信号经光纤环形器的第一端口入射到光纤环形器内，再经光纤环形器的第二端口入射到级联珐珀干涉计传感头；
经级联珐珀干涉计传感头反射回的光信号再经光纤环形器的第二端口入射到光纤环形器内，并经由光纤环形器的第三端口输出至光谱仪；
所述级联珐珀干涉计传感头包括第一单模光纤、第二单模光纤、石英管和双孔光纤；
所述第一单模光纤的一端与第二单模光纤的一端熔接，第二单模光纤的另一端与石英管的一端熔接，石英管的另一端与双孔光纤的一端熔接；
且第一单模光纤与第二单模光纤的熔接处设置有第一透反膜，第二单模光纤与石英管的熔接处设置有第二透反膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器，其特征在于，所述光谱仪根据接收到的光信号的干涉谱包络平移量来检测气压的变化。
3.根据权利要求2所述的一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器，其特征在于，所述第一单模光纤和第二单模光纤的外直径均为125微米。
4.根据权利要求3所述的一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器，其特征在于，所述第一单模光纤和第二单模光纤的纤芯直径均为10微米。
5.根据权利要求4所述的一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器，其特征在于，所述石英管的外直径为125微米，内直径为70-100微米。
6.根据权利要求5所述的一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器，其特征在于，所述双孔光纤内设置有两个气孔，两个气孔对称分布于双孔光纤的纤芯的两侧。
7.根据权利要求6所述的一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器，其特征在于，所述两个气孔的直径均为30-40微米，且两个气孔的间隔为30-60微米。
8.根据权利要求7所述的一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器，其特征在于，所述第一透反膜的反射率为2％-4％，第二透反膜的反射率为6％-10％。
9.根据权利要求8所述的一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器，其特征在于，所述第二单模光纤的长度为100-200微米，石英管的长度为100-300微米，双孔光纤的另一端的切割角度约为8度。
10.根据权利要求9所述的一种基于级联光纤珐珀干涉计的气压传感器，其特征在于，所述干涉谱包络平移量为：
其中：ΔλEnvelope为干涉谱包络平移量，M为包络放大因子，β为常数，ΔP为气压变化量。
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2020
- 2020-12-03 CN CN202011395752.4A patent/CN112629744A/zh active Pending
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