CN105181191A - 一种可调谐光纤微型法布里-珀罗压力传感装置 - Google Patents

一种可调谐光纤微型法布里-珀罗压力传感装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种可调谐光纤微型法布里-珀罗压力传感装置,由石英管(6)、腐蚀单模光纤(7)、微球体(8)构成,其特征是:石英管(6)的一端***腐蚀单模光纤(7),另一端***微球体(8),腐蚀单模光纤(7)的端面和微球体(8)的后表面就形成了法布里-珀罗腔。本发明与现有装置相比的有益效果是:可调节腔长的长度,与其他光纤法布里-珀罗压力传感器相比,本发明的腔长不会随着压力而改变,而是可调节的。通过控制单模光纤和微球体之间的距离来改变腔长。同时本发明的结构微型、制造简单、体积小、低成本、高灵敏度、低的温度交叉灵敏度,本发明也可用于测量空气和其他气体折射率。

Description

一种可调谐光纤微型法布里-珀罗压力传感装置
技术领域
本发明属于光纤传感器领域,涉及一种可调谐光纤微型法布里-珀罗压力传感装置。
背景技术
近年来,光纤法布里-珀罗(F-P)传感器的迅速发展,使之成为了光纤传感器研究领域的一个重要分支,已应用于强电磁干扰、高温等恶劣环境。光纤传感器相对于传统传感器来说具有极高的灵敏度和分辨率,频带范围很宽,动态范围很大,不受电磁场干扰等优点,并在国防军事部、科研部门以及制造工业、能源工业、医疗等科学研究领域中都得到实际应用。传感器的发展趋势是灵敏、精确、适用性强、小巧和智能化。光纤法布里-珀罗(F-P)传感器可用于灵巧结构内应变、应力、温度、压力、变形、振动和位移等物理量的连续实时的安全检测,还可用于复合材料的固化状态的监测等,对于飞机、舰船、建筑物等安全使用及完整性的检测具有重要意义。在过去的几年中,基于光纤法布里-珀罗(F-P)腔的使用的光纤压力传感器越来越多。法布里-珀罗传感器可制成小直径,并以低成本制造,因为它们可以使用显微机械加工技术生产(微电子机械***=MEMS)。
基于法布里-珀罗的压力传感器因为被视为可用于多种应用的具有最佳潜力的压力传感器,并属于最适于导液管和导丝尖端压力测量的压力传感器。光纤FP干涉型压力传感器结构简单较易实现,是目前最常用的干涉型光纤压力传感器。它不仅具有一般光纤传感器可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀等特点,还具有测量精度高、动态范围大、线性度好等优良特性。根据干涉仪结构的不同,光纤FP传感器大致可分为二类:本征型光纤法珀干涉传感器(IntrinsicFabry-Perotinterferometric,IFPI)和非本征型光纤法珀干涉传感器(ExtrinsicFabry-Perotinterferometrie,EFPI)。本征型光纤FP传感器中,两反射面之间的干涉仪由单模光纤或多模光纤构成;而非本征光纤FP传感器中,干涉仪由空气或其他非光纤的固体介质(如中空的石英玻璃管)构成。以上光纤FPI的测量原理都是利用待测量的改变引起腔长长度的变化,从而使光程差发生变化,再将干涉信号经由探测器转变为电信号进行处理,求出腔长的变化量从而得出待测量的变化的。
发明内容
本发明提出了一种可调谐光纤微型法布里-珀罗压力传感装置。
本发明的技术方案如下:一种可调谐光纤微型法布里-珀罗压力传感装置,装置采用非本征型光纤法布里-珀罗干涉仪,包括宽带光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤传感头(3)、光电探测器(4)、可调谐滤波器(5),其连接方式为宽带光源(1)可调谐滤波器(5)分别和光纤耦合器(2)的一端连接,光纤传感头(3)和光纤耦合器(2)的另一端连接,可调谐滤波器(5)的另一端和光电探测器(4)相连接。
本发明提出了一种可调谐光纤微型法布里-珀罗压力传感器,由石英管(6)、腐蚀单模光纤(7)、微球体(8)构成,其特征是:石英管(6)的一端***腐蚀单模光纤(7),另一端***微球体(8),通过胶水固定后,腐蚀单模光纤(7)的端面和微球体(8)的后表面就形成了法布里-珀罗腔。本发明结构会形成三个端面,第一个端面是由腐蚀单模光纤(7)的末端和单模光纤(7)到微球体(8)之间空腔的空气组成,第二个端面由腐蚀单模光纤(7)到微球体(8)之间空腔的空气和微球体(8)的前端面组成,第三个端面由微球体(8)的后端面和空气组成。三个端面会形成3个腔长,由于端面一和端面三之间的光路最长,会形成间距最小的条纹结构。在本发明的实验中证明,最主要的条纹结构的确是由端面一和端面三决定的。
所述光纤耦合器(2)为2*1的耦合器。
所属的光纤传感头(3)的参数如下:石英管(6)的内外直径分别为75和127um;腐蚀单模光纤(7)的外直径为72um;微球体(8)的直径为63~75um,材料为钛酸钡,折射率为1.9;
所述光纤传感头(3)的腔长是可调节的。通过控制腐蚀单模光纤(7)和微球体(8)之间的距离来改变腔长。
所述腐蚀单模光纤(7)要处于40%的HF溶液中腐蚀28分钟。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
1、可调节腔长的长度,与其他光纤法布里-珀罗压力传感器相比,本发明的腔长不会随着压力而改变,而是可调节的。通过控制单模光纤和微球体之间的距离来改变腔长。
2、结构微型、制造简单、体积小、低成本、高灵敏度
3、低的温度交叉灵敏度
4、本发明也可用于测量空气和其他气体折射率。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为本发明的实验测量装置图;
1:宽带光源2:光纤耦合器3:光纤传感头4:光电探测器
5:可调谐滤波器
图2为本发明的光纤传感头的结构示意图
6:石英管7:腐蚀单模光纤8:微球体
图3为本发明在常压下不同腔长的反射光谱。
图4为本发明在不同气压下腔长为550um的反射光谱。
具体实施方法
图1所示为本发明的实验测量图,包括宽带光源1、光纤耦合器2、光纤传感头3、光电探测器4,其连接方式为宽带光源1,可调谐滤波器5分别和光纤耦合器2的一端连接,光纤传感头3和光纤耦合器2的另一端连接,可调谐滤波器5的另一端和光电探测器4相连接。
图1所示为本发明的实验测量图,其工作方式为:宽带光源1发出的信号光输入光纤耦合器2,光纤耦合器2另一端连接着光纤传感头3,当被测压力作用于光纤传感头3上面时,光在纤芯(F-P腔)的两侧端面间多次反射,形成多光束干涉条纹后经过可调谐滤波器5后被光电探测器4所检测到。
图2所示的本发明的光纤传感头3的结构示意图,由石英管6、腐蚀单模光纤7、微球体8构成,其特征是:石英管6的一端***腐蚀单模光纤7,另一端***微球体8,通过胶水固定后,腐蚀单模光纤7的端面和微球体8的后表面就形成了法布里-珀罗腔。本发明结构会形成三个端面,第一个端面是由腐蚀单模光纤的末端和单模光纤到微球体之间空腔的空气组成,第二个端面由单模光纤到微球体之间空腔的空气和微球体的前端面组成,第三个端面由微球体的后端面和空气组成。三个端面会形成3个腔长,由于端面一和端面三之间的光路最长,会形成间距最小的条纹结构。在本发明的实验中证明,最主要的条纹结构的确是由端面一和端面三决定的。当被测压力作用于光纤传感头3上面时,宽带光源1发出的光经过光纤耦合器2到达光纤传感头3上,测量光波传输到腐蚀单模光纤7左侧端面时,部分入射光被纤芯(F-P腔)的左侧端面直接反射,其余入射光传输到微球体8的右侧端面后,测量光在两侧端面间多次反射而形成多光束干涉条纹,从而实现F-P干涉。
实施例1
一种可调谐光纤微型法布里-珀罗压力传感装置,图3所示的为在常压下不同腔长的反射光谱。图4所示为在不同气压下腔长为550um的反射光谱。
下面的表格列举了不同的腔长长度、自由光谱范围和灵敏度的关系:
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,本领域的技术人员可对其进行简单的孰知地替换。
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,应被理解的是,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 (4)

1.一种可调谐光纤微型法布里-珀罗压力传感装置,装置采用非本征型光纤法布里-珀罗干涉仪,包括宽带光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤传感头(3)、光电探测器(4)、可调谐滤波器(5),其连接方式为宽带光源(1)可调谐滤波器(5)分别和光纤耦合器(2)的一端连接,光纤传感头(3)和光纤耦合器(2)的另一端连接,可调谐滤波器(5)的另一端和光电探测器(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐光纤微型法布里-珀罗压力传感装置,其特征在于,所述的光纤传感头(3),由石英管(6)、腐蚀单模光纤(7)、微球体(8)构成。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐光纤微型法布里-珀罗压力传感装置,其特征在于,所属的光纤传感头(3)的参数如下:石英管(6)的内外直径分别为75和127um;腐蚀单模光纤(7)的外直径为72um;微球体(8)的直径为63~75um,材料为钛酸钡,折射率为1.9。
4.根据权利要求1所述的一种可调谐光纤微型法布里-珀罗压力传感装置,其特征在于,所述光纤传感头(3)的腔长是可调节的。通过控制腐蚀单模光纤(7)和微球体(8)之间的距离来改变腔长。
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