CN113959606A - 一种基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器，包括Fabry‑Perot干涉仪和Michelson干涉仪；将Michelson干涉仪当作传感部分，将Fabry‑Perot干涉仪当作参考部分，通过级联Fabry‑Perot干涉仪和Michelson干涉仪，并控制Fabry‑Perot干涉仪和Michelson干涉仪的FSR，使两个干涉信号叠加，形成大干涉包络；当外界环境变化使Fabry‑Perot干涉仪和Michelson干涉仪的干涉条纹向相反方向移动时，大干涉包络呈现出增强游标效应；解调叠加形成的大干涉包络的移动得到外界物理量的变化。本发明的压力传感器制作工艺简单、性能稳定、价格低廉、测量范围大、温度串扰低，可在复杂环境中测量横向压力，可以得到较高的横向压力灵敏度。

Description

一种基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体而言涉及一种基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器。
背景技术
光纤传感器具有应用方便、抗腐蚀、抗电磁干扰、结构紧凑、性能稳定、重量轻、灵敏度高等优点，已经广泛应用于各个传感领域，比如车事、航空航天、化学微检测、工业和电力传输等领域。
横向压力的测量对建筑结构健康监测起着重要作用。在目前报道的光纤横向压力传感器中，光纤布拉格光栅(FBG)传感器在横向压力传感中占主导地位，但是它们由于用到昂贵的高能量激光器，如准分子激光器或飞秒激光器，使其造价昂贵。目前还报道了基于空气微腔的级联光纤Fabry-Perot干涉仪用于横向压力传感。这些横向压力Fabry-Perot传感器通常具有高的横向压力灵敏度，但是它们的测量范围很小。最近基于特种光纤的传感器也被应用到横向压力测量领域，但已经报道的基于特种光纤的横向压力传感器不是灵敏度较低就是制作过程比较复杂。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器，制作工艺简单、性能稳定、价格低廉、测量范围大、温度串扰低，可在复杂环境中测量横向压力；同时通过分别控制Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪的自由光谱范围(FSR)可以得到较高的横向压力灵敏度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明实施例提出了一种基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器，所述混合型横向压力传感器包括Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪；
所述Fabry-Perot干涉仪包括依次熔接的第一单模光纤、第一空芯硅管和第二单模光纤；
所述Michelson干涉仪包括第三单模光纤，该第三单模光纤的其中一个端面与第二单模光纤远离第一单模光纤的端面采用锥形结构连接，该第三单模光纤的另一端为弧形端面；
其中，将Michelson干涉仪当作传感部分，将Fabry-Perot干涉仪当作参考部分，通过级联Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪，并控制Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪的FSR，使两个干涉信号叠加，形成大干涉包络；当外界环境变化使Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪的干涉条纹向相反方向移动时，大干涉包络呈现出增强游标效应；解调叠加形成的大干涉包络的移动得到外界物理量的变化。
进一步地，所述控制Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪的FSR，使两个干涉信号叠加，形成大干涉包络的过程包括以下步骤：
将Michelson干涉仪当作传感部分，将Fabry-Perot干涉仪当作参考部分，传感部分和参考部分的干涉强度和光程差分别表达为：
Figure BDA0003312562520000021
Figure BDA0003312562520000022
Figure BDA0003312562520000023
Figure BDA0003312562520000024
其中I1和I2分别是Michelson干涉仪中纤芯和包层模式的光强，Is为Michelson干涉仪中两光束发生干涉后的光强；I3和I4分别是M1和M2两个反射面的光强，IR为M1和M2两个反射面光束干涉后的光强；φ0为Michelson干涉仪中纤芯和包层模式的初始相位差；λ是真空中的波长；L2和L4分别是Michelson干涉仪和Fabry-Perot干涉仪的腔长；
Figure BDA0003312562520000025
和
Figure BDA0003312562520000026
是Michelson干涉仪纤芯模式和包层模式的有效折射率；δs和δR分别是Michelson干涉仪纤芯模式和包层模式间的光程差和空气腔Fabry-Perot干涉仪的光程差；n是微管中空气的折射率；D表示从干涉点到端面的距离；θ和φ表示包层模式光的偏转角和反射角；d表示第二单模光纤部末端与D形结构顶端的距离，e表示包层模式在微弧处的传播长度。
对于Michelson干涉仪，假设
Figure BDA00033125625200000211
当满足条件：
Figure BDA0003312562520000027
时，将出现干涉波谷；其中m为整数，λm为第m级干涉波谷对应的波长；
Michelson干涉仪的FSR1表示为：
Figure BDA0003312562520000028
其中λ(m-1)表示第(m-1)级干涉波谷对应的波长，λ(m)为第m级干涉波谷对应的波长。Fabry-Perot干涉仪的FSR2表示为：
Figure BDA0003312562520000029
通过改变两干涉仪传感器的腔长来实现FSR的改变；
Michelson干涉仪和Fabry-Perot干涉仪并联后得到的输出光谱产生的大干涉包络的自由光谱范围表达为：
Figure BDA00033125625200000210
其中FSRC，FSRs和FSRR分别为大干涉包络，Michelson干涉仪和Fabry-Perot干涉仪的自由光谱范围。通过追踪大干涉包络的波谷数据以实现灵敏度的放大。
进一步地，锥形结构的长度L1为450μm；Michelson干涉仪的腔长L2为1000μm；第一空芯硅管的腔长L4为85μm；第一空芯硅管距锥形结构的距离L5为1000μm。
进一步地，在弧形端面的外侧设置有第二空芯硅管。
进一步地，所述第二空芯硅管的长度L3为50μm。
第二方面，本发明实施例提出了一种基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括：
将如前所述的混合型横向压力传感器与用作支撑作用的第三空心硅管水平放置在两个平行的玻片之间并固定；耦合器的输入与输出两端分别连接光源和光谱分析仪，另一端连接到混合型横向压力传感器；
施加横向压力在混合型横向压力传感器上，记录叠加形成的大干涉包络的移动数据，计算得到外界物理量的变化。
第三方面，本发明实施例提出了一种如前所述的基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：
S1，制作光纤Fabry-Perot参考臂，包括：
将去除涂覆层并用酒精擦拭干净的第一单模光纤末端熔接一段内径为75μm外径为150μm的第一空心硅管；
将熔接第一空心硅管后的第一单模光纤固定在光纤调整架上，采用工业显微镜找到熔接点，转动光纤调整架的水平轴，转动至所需第一空心硅管长度的刻度，用光纤切割刀切割；
利用光纤熔接机将第一空心硅管远离第一单模光纤的一端和一段长度为8cm的第二单模光纤熔接在一起，形成一个单模光纤-HCST-单模光纤的Fabry-Perot空气腔，作为光纤Fabry-Perot参考臂；
S2，制作光纤Michelson传感臂，包括：
采用光纤钳剥去第二单模光纤距离第一空心硅管1cm处的涂覆层，用棉花蘸取酒精擦拭干净，采用工业显微镜找到第一空心硅管的中央，移动三维调节架1050μm后切平整并放入熔接机的一端；
取另一段第三单模光纤在距端面2cm左右处剥去涂覆层，用棉花蘸取酒精擦拭干净，采用光纤切割刀将第三单模光纤的端面切割平整放入熔接机的另一端；
选取拉锥的程序，设置参数后放电，以制作锥形结构；
将拉完锥的结构件固定于三维调节架上，采用工业显微镜找到锥形结构的中点，向第三单模光线方向移动三维调节架1000μm后切断；
将切好后的带有锥形结构的第三单模光纤放入熔接机的一端，调节光纤熔接机马达将切平端面置于光纤熔接机显示面板中央，设置参数后放电，将第三单模光纤远离第二单模光纤端面变换成弧形端面，以制作光纤Michelson结构。
进一步地，所述制作方法还包括：
在弧形端面外侧熔接一段长度为50μm的第二空心硅管。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过级联Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪，可以使两个干涉信号叠加，形成大干涉包络，解调叠加形成的大干涉包络的移动得到外界物理量的变化。这种横向压力传感器制作工艺简单、性能稳定、价格低廉，可在复杂环境中测量横向压力；同时在光纤传感***中引入级联增强游标效应，通过控制Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪的FSR可以得到较高的横向压力灵敏度。
(2)由于本发明中Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪对温度不敏感，所以这种横向压力传感器有极低的温度串扰。
(3)本发明传感器仅用到单模光纤(SMF)和空芯硅管(HCST)，且结构简单，因此不仅使得本发明性能稳定而且还大大降低了传感器的成本。
附图说明
图1是本发明实施例的光纤Fabry-Perot参考臂的结构示意图。
图2为本发明实施例的Michelson传感臂的结构示意图。
图3为本发明实施例的光纤Michelson传感臂末端的结构示意图。
图4为本发明实施例的基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器的结构示意图。
图5为本发明实施例的横向压力实验装置结构图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一
图4为本发明实施例的基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器的结构示意图。参见图4，该混合型横向压力传感器包括Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪。
Fabry-Perot干涉仪包括依次熔接的第一单模光纤、第一空芯硅管和第二单模光纤。
Michelson干涉仪包括第三单模光纤，该第三单模光纤的其中一个端面与第二单模光纤远离第一单模光纤的端面采用锥形结构连接，该第三单模光纤的另一端为弧形端面。
其中，将Michelson干涉仪当作传感部分，将Fabry-Perot干涉仪当作参考部分，通过级联Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪，并控制Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪的FSR，使两个干涉信号叠加，形成大干涉包络；当外界环境变化使Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪的干涉条纹向相反方向移动时，大干涉包络呈现出增强游标效应；解调叠加形成的大干涉包络的移动得到外界物理量的变化。
在本实施例中，将Michelson干涉仪当作传感部分，Fabry-Perot干涉仪当作参考部分，传感部分和参考部分的干涉强度和光程差可以分别表达如下：
Figure BDA0003312562520000051
Figure BDA0003312562520000052
Figure BDA0003312562520000053
Figure BDA0003312562520000054
其中I1和I2分别是Michelson干涉仪中纤芯和包层模式的光强；I3和I4分别是M1和M2两个反射面的光强；λ是真空中的波长；L2＝1500μm和L4＝85μm单模光纤的长度分别是Michelson干涉仪和Fabry-Perot干涉仪的腔长；
Figure BDA0003312562520000055
和
Figure BDA0003312562520000056
是Michelson干涉仪纤芯模式和包层模式的有效折射率；δs和δR分别是Michelson干涉仪纤芯模式和包层模式间的光程差和空气腔Fabry-Perot干涉仪的光程差；n是微管中空气的折射率。Michelson干涉仪末端其他参数如图3中所示。
对于Michelson干涉仪，假设
Figure BDA0003312562520000057
当满足条件：
Figure BDA0003312562520000058
将出现干涉波谷。其中m为整数，λm为第m级干涉波谷对应的波长。
本实施例的Michelson干涉仪的FSR1可以表示为：
Figure BDA0003312562520000059
本实施例的Fabry-Perot干涉仪的FSR2可以表示为：
Figure BDA00033125625200000510
游标效应的产生需要两个级联传感器之间的自由光谱范围差很小。从公式(6)和(7)中可以知道，FSR的改变可以通过改变两干涉仪传感器的腔长来实现。
FSR相近的两个传感器并联后的总输出频谱是两个单个传感器共同作用的结果。这个并联后得到的输出光谱会产生一个大的包络，其大包络的自由光谱范围可以表达如下：
Figure BDA0003312562520000061
通过追踪这个大包络的波谷数据而不是单个传感谱线的波谷数据可以实现灵敏度的放大。传统的游标效应实现方式为：仅使传感臂对所测量物理量敏感，参考臂对所测量物理量不敏感，因此其放大系数是：
Figure BDA0003312562520000062
本实施例突破了传统游标效应的限制，提出了一种增强游标效应。当外界环境变化使两个传感器干涉条纹向相反方向移动时，大包络呈现出增强游标效应，增强游标效应可以得到更大的放大系数。本实施例的增强游标效应工作机理为：当外界横向压力增大时，Michelson干涉仪光程差减小，反射谱线出现蓝移。Fabry-Perot干涉仪光程差增大，反射谱线出现蓝移，因此可以实现增强游标效应。
本实施例创新性地提出了基于级联游标效应的Michelson/Fabry-Perot混合型横向压力传感器。通过级联一个Fabry-Perot干涉仪和一个Michelson干涉仪实现游标效应，空气腔Fabry-Perot干涉仪用作参考，传感器末端制成的Michelson干涉仪用作横向压力传感，调整两个干涉仪的FSR得到较高的温度灵敏度。
实施例二
在横向压力传感实验中，耦合器(3dB coupler)的输入与输出两端分别连接光源(BBS)和光谱分析仪(OSA)，另一端连接到传感探头。在横向压力测量中，为了确保精确施加的横向压力均匀作用于传感光纤，我们将传感探头与另一根HCST(支持HCST)水平放置在两个平行的玻片之间并固定，如图5所示。当每根单模光纤上的横向压力从0N增加到5.5N时(步长为0.5N)，记录实验数据。
实施例三
本实施例提出了一种基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器的制作方法，该制作方法包括以下步骤：
一、光纤Fabry-Perot参考臂的制作
将去除涂覆层并用酒精擦拭干净的SMF末端熔接一段内径75μm外径150μm的HCST，接着将结构固定在光纤调整架上，在工业显微镜的帮助下找到熔接点，转动光纤调整架的水平轴，转动至所需HCST长度的刻度，然后用光纤切割刀切割，最后利用光纤熔接机将已制作好的单模光纤末端熔接HCST的结构和一段8cm左右的单模光纤熔接在一起，最后形成一个单模光纤-HCST-单模光纤的Fabry-Perot空气腔。这里我们制作的L4即参考腔长为85μm，Fabry-Perot参考臂如图1所示。
二、光纤Michelson传感臂的制作
在距空气腔L5处拉锥，其具体制作过程如下：首先用光纤钳剥去距离空气腔1em后SMF的涂覆层，用棉花蘸取酒精擦拭干净，在显微镜下找到空气腔的中央，移动三维调节架1050μm后切平整并放入熔接机的一端。取另一段长度合适的SMF在距端面2cm左右处剥去涂覆层，用棉花蘸取酒精擦拭干净，然后用光纤切割刀将端面切割平整放入熔接机的另一端。选取拉锥的程序，设置好合适的参数后放电，一个锥形结构制作完成。将拉完锥的SMF固定于三维调节架上，在显微镜下找到锥形结构的中央，移动三维调节架1000μm后切断，将切好后的带有锥形结构的SMF放入熔接机的一端，调节光纤熔接机马达将切平端面置于光纤熔接机显示面板中央，设置好合适的参数后放电，经过几次放电后，制作了一个光纤Michelson结构，最后在弧形结构之后熔接一段长度L3为50μm的HCST，其中HCST的作用是用来保护弧形端面，至此整个传感器制作完成。这里我们制作的锥形L1长450μm，Michelson传感臂腔长L2为1000μm，空气腔距锥L5为1000μm，Michelson传感臂结构如图2所示。图3为光纤Michelson传感臂末端示意图。图4为整个传感器结构图。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器，其特征在于，所述混合型横向压力传感器包括Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪；
所述Fabry-Perot干涉仪包括依次熔接的第一单模光纤、第一空芯硅管和第二单模光纤；
所述Michelson干涉仪包括第三单模光纤，该第三单模光纤的其中一个端面与第二单模光纤远离第一单模光纤的端面采用锥形结构连接，该第三单模光纤的另一端为弧形端面；
其中，将Michelson干涉仪当作传感部分，将Fabry-Perot干涉仪当作参考部分，通过级联Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪，并控制Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪的FSR，使两个干涉信号叠加，形成大干涉包络；当外界环境变化使Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪的干涉条纹向相反方向移动时，大干涉包络呈现出增强游标效应；解调叠加形成的大干涉包络的移动得到外界物理量的变化。
2.根据权利要求1所述的基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器，其特征在于，所述控制Fabry-Perot干涉仪和Michelson干涉仪的FSR，使两个干涉信号叠加，形成大干涉包络的过程包括以下步骤：
将Michelson干涉仪当作传感部分，将Fabry-Perot干涉仪当作参考部分，传感部分和参考部分的干涉强度和光程差分别表达为：
Figure FDA0003312562510000011
Figure FDA0003312562510000012
Figure FDA0003312562510000013
Figure FDA0003312562510000014
其中I1和I2分别是Michelson干涉仪中纤芯和包层模式的光强，Is为Michelson干涉仪中两光束发生干涉后的光强；I3和I4分别是M1和M2两个反射面的光强，IR为M1和M2两个反射面光束干涉后的光强；φ0为Michelson干涉仪中纤芯和包层模式的初始相位差；λ是真空中的波长；L2和L4分别是Michelson干涉仪和Fabry-Perot干涉仪的腔长；
Figure FDA0003312562510000015
和
Figure FDA0003312562510000016
是Michelson干涉仪纤芯模式和包层模式的有效折射率；δs和δR分别是Michelson干涉仪纤芯模式和包层模式间的光程差和空气腔Fabry-Perot干涉仪的光程差；n是微管中空气的折射率；D表示从干涉点到端面的距离；θ和φ表示包层模式光的偏转角和反射角；d表示第二单模光纤部末端与D形结构顶端的距离，e表示包层模式在微弧处的传播长度；
对于Michelson干涉仪，假设
Figure FDA0003312562510000025
当满足条件：
Figure FDA0003312562510000021
时，将出现干涉波谷；其中m为整数，λm为第m级干涉波谷对应的波长；
Michelson干涉仪的FSR1表示为：
Figure FDA0003312562510000022
其中λ(m-1)表示第(m-1)级干涉波谷对应的波长，λ(m)为第m级干涉波谷对应的波长；Fabry-Perot干涉仪的FSR2表示为：
Figure FDA0003312562510000023
通过改变两干涉仪传感器的腔长来实现FSR的改变；
Michelson干涉仪和Fabry-Perot干涉仪并联后得到的输出光谱产生的大干涉包络的自由光谱范围表达为：
Figure FDA0003312562510000024
其中FSRC，FSRS和FSRR分别为大干涉包络，Michelson干涉仪和Fabry-Perot干涉仪的自由光谱范围；通过追踪大干涉包络的波谷数据以实现灵敏度的放大。
3.根据权利要求1所述的基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器，其特征在于，锥形结构的长度L1为450μm；Michelson干涉仪的腔长L2为1000μm；第一空芯硅管的腔长L4为85μm；第一空芯硅管距锥形结构的距离L5为1000μm。
4.根据权利要求1所述的基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器，其特征在于，在弧形端面的外侧设置有第二空芯硅管。
5.根据权利要求4所述的基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器，其特征在于，所述第二空芯硅管的长度L3为50μm。
6.一种基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括：
将如权利要求1-5任一项所述的混合型横向压力传感器与用作支撑作用的第三空心硅管水平放置在两个平行的玻片之间并固定；耦合器的输入与输出两端分别连接光源和光谱分析仪，另一端连接到混合型横向压力传感器；
施加横向压力在混合型横向压力传感器上，记录叠加形成的大干涉包络的移动数据，计算得到外界物理量的变化。
7.一种如权利要求1-5任一项所述的基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：
S1，制作光纤Fabry-Perot参考臂，包括：
将去除涂覆层并用酒精擦拭干净的第一单模光纤末端熔接一段内径为75μm外径为150μm的第一空心硅管；
将熔接第一空心硅管后的第一单模光纤固定在光纤调整架上，采用工业显微镜找到熔接点，转动光纤调整架的水平轴，转动至所需第一空心硅管长度的刻度，用光纤切割刀切割；
利用光纤熔接机将第一空心硅管远离第一单模光纤的一端和一段长度为8cm的第二单模光纤熔接在一起，形成一个单模光纤-HCST-单模光纤的Fabry-Perot空气腔，作为光纤Fabry-Perot参考臂；
S2，制作光纤Michelson传感臂，包括：
采用光纤钳剥去第二单模光纤距离第一空心硅管1cm处的涂覆层，用棉花蘸取酒精擦拭干净，采用工业显微镜找到第一空心硅管的中央，移动三维调节架1050μm后切平整并放入熔接机的一端；
取另一段第三单模光纤在距端面2cm左右处剥去涂覆层，用棉花蘸取酒精擦拭干净，采用光纤切割刀将第三单模光纤的端面切割平整放入熔接机的另一端；
选取拉锥的程序，设置参数后放电，以制作锥形结构；
将拉完锥的结构件固定于三维调节架上，采用工业显微镜找到锥形结构的中点，向第三单模光线方向移动三维调节架1000μm后切断；
将切好后的带有锥形结构的第三单模光纤放入熔接机的一端，调节光纤熔接机马达将切平端面置于光纤熔接机显示面板中央，设置参数后放电，将第三单模光纤远离第二单模光纤端面变换成弧形端面，以制作光纤Michelson结构。
8.根据权利要求7所述的基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：
在弧形端面外侧熔接一段长度为50μm的第二空心硅管。
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