CN102735273A - 基于法布里珀罗腔的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于法布里珀罗腔的光纤传感器，包括：探测光源；光纤法布里珀罗腔，位于探测光源的光路后端，其腔长随其所承受物理量的变化而变化，探测光在其两侧面多次反射形成干涉条纹，并从其远离探测光源的一端射出；光学探测器，位于光纤法布里珀罗腔的光路后端，用于接收从光纤法布里珀罗腔远离探测光源的一端射出的探测光；以及伺服电路模块，用于控制探测光源发射探测光，并利用光学探测器接收的探测光的强度，反演光纤法布里珀罗腔所承受物理量。本发明中，由于采用强度解调技术，不需要昂贵且大尺寸的波长相关器件，所以简化了整个传感器的尺寸，同时也减低了传感器的成本。

Description

基于法布里珀罗腔的光纤传感器

技术领域

本发明涉及光学行业传感器技术领域，尤其涉及一种基于法布里珀罗腔的光纤传感器。

背景技术

当前世界石油工业的发展面临严峻挑战，勘探开发环境越来越恶劣，勘探开发目标越来越复杂。石油公司希望通过测井作业，能够实时的采集数据，更快速的识别目的层的温度和压力等基本物理参数；同时要求测井作业能够在日益复杂的井筒条件下和更恶劣的环境中顺利实施；降低成本的压力，要求测井作业最少的占用井场时间，提高测井效率。正是在这样的需求形势下，随井探测技术作为一种先进的测井技术被广泛运用到人斜度井、多分支井、水平井等各种复杂情况下的石油勘探开发中。

随着石油勘探技术的发展，石油工业对随井探测技术提出了简单高效、低成本、高灵敏度的进一步需求，因此，随井探测仪器正将向着小尺寸、低成本、高灵敏度的方向发展。2012年1月沙特***国家石油公司首次报道了一种基于微型“***”的无线随井探测***，引起了石油探测领域的极大关注，该***的核心器件被称为“tracer”(***)，其尺寸直径小于1cm，其中微型化光学传感器属于关键模块。

光纤F-P压力传感器是微型化光学传感器的一种实现方式。基于非本征腔结构的光纤F-P型传感器具有较小的温度和压力交叉敏感度，可长期工作在高温高压环境，且具有测量响应快、可实时检测等优点，是石油勘探测量的研究热点。R.G.May和A.Wang等人从1999年起，将非本征型F-P传感器应用于油井下压力的测量研究中，展示出了该类传感器在油井应用中的广阔前景。2009年，S.H.Aref等人采用机械换能器实现了用于井下高压环境的非本征光纤F-P压力传感器。2011年，P.P.Anish等人采用金属膜片和单模光纤制成非本征F-P压力传感器。2011年，G.Fusiek等人报道了采用光纤和金属丝组成的新型F-P型传感器。如图1所示，现有技术的F-P型传感器中，光纤和金属丝被固定在套管内，光纤和金属丝的光滑端面形成一F-P腔，当外界压力变化时，引起腔长变化，从而使得谐振波长发生变化，通过检测谐振波长的变化可以实现压力测量。

申请人发现现有技术基于F-P传感器的光纤传感器采用波长调制技术，需要可调谐激光器或者光谱仪等波长相关设备，难以实现解调部分微型化。此外，解调信号的传输采用有线传输方式，故障率和成本均较高，并且使用不方便。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种基于法布里珀罗腔的光纤传感器，以采用波长调制以外的方式实现物理量测量。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于法布里珀罗腔的光纤传感器，包括：探测光源；光纤法布里珀罗腔，位于探测光源的光路后端，其腔长随其所承受物理量的变化而变化，探测光在其两侧面多次反射形成干涉条纹，并从其远离探测光源的一端射出；光学探测器，位于光纤法布里珀罗腔的光路后端，用于接收从光纤法布里珀罗腔远离探测光源的一端射出的探测光；以及伺服电路模块，用于控制探测光源发射探测光，并利用光学探测器接收的探测光的强度，反演光纤法布里珀罗腔所承受物理量。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于光纤法布里珀罗腔的光纤传感器具有以下有益效果：

(1)本发明中，由于采用强度解调技术，不需要昂贵且大尺寸的波长相关器件，所以简化了整个传感器的尺寸，同时也减低了传感器的成本；

(2)由于采用了混合集成电路技术，把驱动电路、光电探测电路、数据处理和无线收发电路进行了整合，实现了光信号到电信号的转化，进而摆脱了光纤传感器必须依赖有线传输的工作方式。

附图说明

图1是现有技术基于法布里珀罗腔的光纤传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例基于法布里珀罗腔的光纤传感器的结构示意图；

图3是本发明实施例基于法布里珀罗腔的光纤传感器的传感原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

为了更好的描述本发明，首先对本发明所涉及的各组成部分、元件编号如下：

1-发光二极管；                 2-滤光片；

3-光纤法布里珀罗(F-P)腔；      4-光电探测器；

5-伺服电路模块；               6-灌封胶。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种基于法布里珀罗(F-P)腔的光纤传感器。图2是本发明实施例基于法布里珀罗腔的光纤传感器的结构示意图。如图2所示，该基于法布里珀罗腔的光纤传感器包括：探测光源，包括发光二极管1和滤光片2，用于产生探测光；光纤法布里珀罗(F-P)腔3，位于探测光源的光路后端，所述探测光在其两侧面多次反射形成干涉条纹，并从其远离探测光源的一端射出，该光纤法布里珀罗(F-P)腔的腔长随其所承受物理量的变化而变化；光学探测器4，位于光纤法布里珀罗腔的光路后端，用于接收从光纤法布里珀罗(F-P)腔远离探测光源的一端射出的探测光；伺服电路模块5，与所述探测光源和所述光学探测器4电性连接，用于控制所述探测光源发射探测光，并利用所述光学探测器4接收的探测光的强度，反演所述光纤法布里珀罗(F-P)腔所承受物理量。

其中，所述探测光源、光纤法布里珀罗(F-P)腔3和光学探测器通过光学胶粘结固定，构成透射式线性结构，该透射式线性结构和所述伺服电路模块通过灌装胶6进行整体封装。

本实施例中，所述物理量为压力、温度或其他物理量。通过检测法布里珀罗(F-P)腔腔长的变化，就可以反演出该光纤传感器周围的温度、压力等参数，从而实现了随井探测，由于采用强度解调技术，不需要昂贵且大尺寸的波长相关器件，所以简化了整个传感器的尺寸，同时也减低了传感器的成本。同时，本发明还具有测量响应快、可实时检测等优点。

以下分别对其中的部件进行详细说明。

如图2所示，探测光源由发光二极管1和滤光片2构成，两者之间通过光学胶进行粘结固定。其中，该发光二极管1所发出的光，其中心波长优选为850nm，带宽35nm，强度1mW。所述滤光片为窄带滤光片，其中心频率为850nm，带宽小于10nm。

光纤法布里珀罗(F-P)腔(3)为基于光纤端面反射形成的弱反射法布里珀罗(F-P)腔。图3是本发明实施例基于法布里珀罗腔的光纤传感器的传感原理示意图。以下结合图3，介绍一下强度解调型的光纤F-P腔传感原理。

如图3左侧所示，在光垂直入射F-P腔时，光经两反射面多次反射形成干涉条纹，透射光的光强表示为：

$T=1-\frac{{2r}_1{r}_2(1-\cos \mathrm{\φ})}{1+r_1^2{r}_2^2-2r_1{r}_2\cos \mathrm{\φ}}---\left(1\right)$

其中，r₁和r₂分别是两个界面反射率，φ＝4πnd/λ是相邻光束之间的相位差，n为腔内的有效折射率，d为两反射面的间距，λ为入射光的波长。

当外界温度/压力等物理量变化时，引起腔长d的变化，进而改变干涉光强。进一步地，如果界面反射率较低，则式错误！未找到引用源。可以简化为

$T=1-2r_1{r}_2(1-\cos \frac{2\mathrm{\πnd}}{\mathrm{\λ}})---\left(2\right)$

如图3右侧所示，此时，由光纤法布里珀罗(F-P)腔输出光强随腔长的变化呈单调变化形式，从而可以简化后续伺服电路模块的反演难度。在本发明优选的实施方式中，选择的腔长为0.1mm，腔两端的反射率4％，有效折射率为1.000。

伺服电路模块采用混合集成电路，包括：发光二极管驱动电路、光电探测器电路、数据处理电路和无线收发电路等。其中，发光二极管驱动电路，与发光二极管电性连接，用于为其提供驱动电流；光电探测器电路，与光学探测器相电性连接，用于将外界物理量变化引起的光强信号转化为电学信号；数据处理电路，与光电探测器电路电性连接，用于将电学信号进行数据编码；信号发送电路，用于将编码后的数据传输出去，优选地采用无线的方式。

此外，该伺服电路模块还可以包括：电池单元，用于为发光二极管驱动电路、光电探测器电路、数据处理电路和无线收发电路提供功率；放大单元，位于所述光电探测器电路和数据处理电路之间，用于将微弱的电学信号进行电压放大。

本发明中，为实现传感模块的微型化，首先需要保证器件的小型化，目前上述商用器件的几何尺寸如表1所示。宽带光电二极管和光电探测器采用的是贴片式微型封装，高度都在0.8mm，所有器件无间隔封装，则整个传感器的总长度不到3mm，横向尺寸仅为1.6×0.8mm，如果采用裸片则传感器的尺寸可进一步减小。光学胶不仅用于固定光学器件，同时还具有高的透射率，保证光的传输。商用高性能耐温紫外固化光学胶工作温度可达到150℃，热膨胀系数只有13ppm，可有效降低了温度效应导致的器件间相对位移。

表1  基于F-P腔的光纤传感器中光学组件的几何尺寸

传感器光学组件的集成化封装过程相对简单，首先不同器件在光学显微镜下完成对准，之后在间隙处涂抹紫外光学胶，最后采用紫外光进行固化。由于采用紫外固化方式，因此不存在传统高温热固化时，夹具的热膨胀效应导致的光耦合效率下降的问题。固化后的传感器光学模块预留电学接口，通过焊接与混合集成电路连成一体。混合集成电路根据需要来设计功能，对于该传感器，需要包括供电电源、发光二极管驱动电路，光电探测器电路，放大电路，数据处理电路和无线收发电路等，主要作用是把外界物理量变化引起的光强信号转化为电学信号，并经过信号调理进行数据存储和数据的无线收发。最后，对基于光纤法布里珀罗(F-P)腔的微型传感器进行注胶封装，采用灌封胶对光学和电学部分进行整体密封，提高整个传感器的可靠性。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

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，凡在本发明的精神和原则之内，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)

1.一种基于法布里珀罗腔的光纤传感器，包括：

探测光源，用于产生探测光；

光纤法布里珀罗腔，位于所述探测光源的光路后端，其腔长随其所承受物理量的变化而变化，所述探测光在其两侧面多次反射形成干涉条纹，并从其远离探测光源的一端射出；

光学探测器，位于所述光纤法布里珀罗腔的光路后端，用于接收从所述光纤法布里珀罗腔远离探测光源的一端射出的探测光；以及

伺服电路模块，与所述探测光源和所述光学探测器电性连接，用于控制所述探测光源发射探测光，并利用所述光学探测器接收的探测光的强度，反演所述光纤法布里珀罗腔所承受物理量。

2.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗腔的光纤传感器，其中，所述探测光源、光纤法布里珀罗腔和光学探测器通过光学胶依次粘结固定，构成透射式线性结构。

3.根据权利要求2所述的基于法布里珀罗腔的光纤传感器，其中，所述透射式线性结构和所述伺服电路模块通过灌装胶进行整体封装。

4.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗腔的光纤传感器，其中，所述光纤法布里珀罗腔为基于光纤端面反射形成的弱反射法布里珀罗腔。

5.根据权利要求4所述的基于法布里珀罗腔的光纤传感器，其中，所述光纤法布里珀罗腔满足：

$T=1-2r_1{r}_2(1-\cos \frac{2\mathrm{\πnd}}{\mathrm{\λ}})$

其中，r₁和r₁分别是两个界面反射率，φ＝4πnd/λ是相邻光束之间的相位差，n为腔内的有效折射率，d为两反射面的间距，λ为入射光的波长。

6.根据权利要求5所述的基于法布里珀罗腔的光纤传感器，其中：d＝0.1mm，r₁＝r₂＝4％，n＝1.000。

7.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗腔的光纤传感器，其中，所述探测光源包括：发光二极管和滤光片，两者通过光学胶进行粘结固定。

8.根据权利要求7所述的基于法布里珀罗腔的光纤传感器，其中，所述伺服电路模块采用混合集成电路，包括：

发光二极管驱动电路，与所述发光二极管电性连接，用于为其提供驱动电流；

光电探测器电路，与所述光学探测器相电性连接，用于将外界物理量变化引起的光强信号转化为电学信号；

数据处理电路，与所述光电探测器电路电性连接，用于将电学信号进行数据编码；以及

信号发送电路，与所述数据处理电路电性连接，用于将编码后的数据传输出去。

9.根据权利要求8所述的基于法布里珀罗腔的光纤传感器，其中：

所述信号发送电路，用于采用无线方式将编码后的数据进行传输出去。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的基于法布里珀罗腔的光纤传感器，其中，所述物理量为温度或压力。

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