CN113970348B - 一种基于级联f-p干涉仪的多参量光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于级联F‑P干涉仪的多参量光纤传感器，该光纤传感器的单模光纤插入毛细玻璃管中，毛细玻璃管与位于前侧的石英支撑层固定，所述前侧的石英支撑层、中部的石英支撑层、硅膜片、后部的石英支撑层和PET膜片依次连接，前侧的石英支撑层、中部的石英支撑层和硅膜片上贯通一个通气小孔，硅膜片和PET膜片间设置有空气腔，通气小孔与空气腔连通。解决了对多参数测量的同时，克服各个参量之间的影响的技术问题。本发明采用级联双腔传感器并通过小孔连接空气腔与外界，可以减小动、静压测量时相互的影响，减小了反射光谱的复杂性，后续结合快速白光干涉方法，利于对腔长进行解调。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器，属于光纤传感器技术领域。
背景技术
近年来，光纤F-P传感器由于具有体积小、质量轻、灵敏度高、不受电气干扰等优势而发展迅速。光纤F-P传感器由于其独特的优势，如结构简单、体积小、抗电磁干扰、灵敏度高，在航空航天、军工船舶、生物医学和建筑等工业领域得到了广泛应用。特别是在海洋探测领域，测量水下某处声压时，需要同时对此处的水深及温度进行测量。
光纤F-P传感器的敏感部位是光纤F-P腔，当光入射时会在各反射面之间产生反射，形成干涉光谱，对外界待测量进行测量时，待测量改变，引起F-P腔腔长变化，从而引起干涉光谱发生变化，对干涉光谱进行解调，根据解调的腔长变化量，计算出待测量的值。
在同时对多参量进行测量时不同物理量之间会产生交叉敏感，为了克服这种问题多采用以下方法：
1.采用一个光纤传感器进行参考补偿，抵消其他参数对其产生的影响；
2.对待测量进行增敏处理，减小其他参数的影响；
3.设计复合传感器结构，同时测量多参数；
其中前两个方法耗费成本高，实现比较困难，既经济又容易实现的方法就是制作复合结构的多参量光纤传感器。
现有技术提出一种光纤传感器用来测量海洋温度、盐度、深度，实现对海洋多参数测量，实现了水下光纤传感器多参量的测量。但因为声压和静压同属于压力范畴，对敏感元件的作用相同，所以对声压、动压同时测量时会产生较大的耦合。
到目前为止还没有专利报道出在光纤传感领域，有动压、静压、温度同时测量的复合F-P传感器。
发明内容
本发明为了解决对多参数测量的同时，克服各个参量之间的影响的技术问题，提出一种基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器。
本发明提出一种基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器，包括单模光纤、毛细玻璃管、硅膜片、PET膜片、三层石英支撑层、通气小孔和空气腔，所述单模光纤插入毛细玻璃管中，所述毛细玻璃管与位于前侧的石英支撑层固定，所述前侧的石英支撑层、中部的石英支撑层、硅膜片、后部的石英支撑层和PET膜片依次连接，所述前侧的石英支撑层、中部的石英支撑层和硅膜片上贯通一个通气小孔，所述硅膜片和PET膜片间设置有空气腔，所述通气小孔与空气腔连通。
优选地，所述单模光纤由石英材料制成。
优选地，所述毛细玻璃管直径为1.8mm。
优选地，所述单模光纤除去涂覆层后插入毛细玻璃管接收反射光谱，并使用外胶粘合固定。
优选地，所述通气小孔的直径为0.1mm。
一种所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器的应用，所述基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器用于对动压、静压、温度同时进行测量。
一种所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器的测量方法，通过在前侧的石英支撑层、中部的石英支撑层和硅膜片上开孔的方式来实现不同的压力作用在硅膜片和PET膜片上，再根据测量得到的硅膜片和PET膜片变形，来实现对多参量同步测量。
所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器的测量方法，针对静压测量，在不同压力作用下的情况，空气腔压力与外界压力相同，压力使硅膜片产生形变，通过对硅膜片腔长的解调，实现对静压的测量。
所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器的测量方法，针对动压测量，压力作用于PET膜片外侧，压力改变会使PET膜片产生形变，通过对PET膜片腔长的解调，实现对动压的测量。
所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器的测量方法，在温度测量方面，不同温度下，硅膜片膨胀厚度不同，根据硅膜片膨胀厚度的变化得到温度的变化，进而实现对温度的测量。
本发明所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器的有益效果为：
1.本发明采用级联双腔传感器并通过小孔连接空气腔与外界，可以减小动、静压测量时相互的影响，减小了反射光谱的复杂性，后续结合快速白光干涉方法，利于对腔长进行解调。
2.本发明的传感器减小各个参量之间的交叉敏感，提高了各个参量之间的灵敏度，进而提高腔长的解调精度。
3.本发明的传感器尺寸小、结构紧凑、制作成本较低。
4.本发明可以同时对动压、静压、温度同时进行测量，操作便捷。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明所述的一种基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器的结构示意图；
其中，1-单模光纤；2-毛细玻璃管；3-硅膜片；4-PET膜片；5-石英支撑层；6-通气小孔；7-空气腔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器，包括单模光纤1、毛细玻璃管2、硅膜片3、PET膜片4、三层石英支撑层5、通气小孔6和空气腔7，所述单模光纤1插入毛细玻璃管2中，所述毛细玻璃管2与位于前侧的石英支撑层5固定，所述前侧的石英支撑层5、中部的石英支撑层5、硅膜片3、后部的石英支撑层5和PET膜片4依次连接，所述前侧的石英支撑层5、中部的石英支撑层5和硅膜片3上贯通一个通气小孔6，所述硅膜片3和PET膜片4间设置有空气腔7，所述通气小孔6与空气腔7连通。
所述单模光纤1由石英材料制作，所述单模光纤1剥去表面涂层插入直径为1.8mm的毛细玻璃管2中，石英支撑层5在几层膜片上打一个直径为0.1mm的通气小孔6，作用是连通空气腔与外界减少动压作用时对静压测量产生的影响。
所述硅膜片3和PET膜片4本身分别构成两个F-P腔，反射的干涉谱由不同频率信号叠加而成，用带通滤波器对每个频率分量信号进行分离，分别对其腔长进行解调，提高多参量测量中各个参量的解调精度。
本发明提出的传感器的结构为PET-空气-硅的夹层结构，硅膜片3和PET膜片4之间留有一个空气腔7，构成两个串联的F-P腔，空气腔7与外界通过一个很小的通气小孔6与外界相通。单模光纤1除去涂覆层后通过毛细玻璃管2接收反射光谱，并使用外胶(353nd胶)粘合，制成双腔式F-P传感器。
本发明所述的传感器主要是对动压、静压、温度进行同时测量，因为三个量都是通过测量膜片的形变量得到的，会产生耦合，需要对几者之间进行解耦，通过在前侧的石英支撑层5、中部的石英支撑层5和硅膜片3上开孔的方式来实现不同的压力作用在硅膜片3和PET膜片4上，再根据测量得到的硅膜片3和PET膜片4变形，来实现对多参量同步测量。
在静压测量方面，在不同压力作用下的情况，空气腔7压力与外界压力相同，压力使硅膜片3产生形变，通过对硅膜片3腔长的解调，实现对静压的测量。
在动压测量方面，压力作用于PET膜片4外侧，压力改变会使PET膜片4产生形变，通过对PET膜片4腔长的解调，实现对动压的测量。
在温度测量方面，不同温度下，硅膜片3膨胀厚度不同，根据膜片厚度的变化可以得到温度的变化，进而实现对温度的测量
该传感器，在动压作用的时，与大气连通的空气腔7起到缓冲作用，很大程度上减少了两者在测量时产生的相互影响。通过对传感器干涉谱的解调，可以在低串扰的情况下高效对腔长进行解调，实现对动压、静压、温度多参量的解调。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器，其特征在于，包括单模光纤(1)、毛细玻璃管(2)、硅膜片(3)、PET膜片(4)、三层石英支撑层(5)、通气小孔(6)和空气腔(7)，所述单模光纤(1)插入毛细玻璃管(2)中，所述毛细玻璃管(2)与位于前侧的石英支撑层(5)固定，位于前侧的石英支撑层(5)、位于中部的石英支撑层(5)、硅膜片(3)、位于后部的石英支撑层(5)和PET膜片(4)依次连接，位于前侧的石英支撑层(5)、位于中部的石英支撑层(5)和硅膜片(3)上贯通一个通气小孔(6)，所述硅膜片(3)和PET膜片(4)间有空气腔(7)，所述通气小孔(6)与空气腔(7)连通。
2.根据权利要求1所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器，其特征在于，所述单模光纤(1)由石英材料制成。
3.根据权利要求1所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器，其特征在于，所述单模光纤(1)除去涂覆层后插入毛细玻璃管(2)接收反射光谱，并使用外胶粘合固定。
4.根据权利要求1所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器，其特征在于，所述毛细玻璃管(2)直径为1.8mm。
5.根据权利要求1所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器，其特征在于，所述通气小孔(6)的直径为0.1mm。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器的应用，其特征在于，所述基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器用于对动压、静压、温度同时进行测量。
7.一种如权利要求1-5任一项所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器的测量方法，其特征在于，通过在位于前侧的石英支撑层(5)、位于中部的石英支撑层(5)和硅膜片(3)上开孔的方式来实现不同的压力作用在硅膜片(3)和PET膜片(4)上，再根据测量得到的硅膜片(3)和PET膜片(4)变形，来实现对多参量同步测量。
8.根据权利要求7所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器的测量方法，其特征在于，
针对静压测量，在不同压力作用下的情况，空气腔(7)压力与外界压力相同，压力使硅膜片(3)产生形变，通过对硅膜片(3)腔长的解调，实现对静压的测量。
9.根据权利要求7所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器的测量方法，其特征在于，
针对动压测量，压力作用于PET膜片(4)外侧，压力改变会使PET膜片(4)产生形变，通过对PET膜片(4)腔长的解调，实现对动压的测量。
10.根据权利要求7所述的基于级联F-P干涉仪的多参量光纤传感器的测量方法，其特征在于，
在温度测量方面，不同温度下，硅膜片(3)膨胀厚度不同，根据硅膜片(3)膨胀厚度的变化得到温度的变化，进而实现对温度的测量。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
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| 单模光纤照射反射式光纤位移传感实验系统;彭欢 等;《红外与激光工程》;第42卷(第4期);第1074-1078页 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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