一种光纤FPI传感器、测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种光纤FPI传感器、测量装置及测量方法。本发明专利技术提供的纤FPI传感器、测量装置及测量方法，通过采用包含有依次级联的引导单模光纤、传感光纤毛细管、传感单模光纤和尾部光纤毛细管的光纤FPI传感器，直接对hybrid Vernier effect进行解调，并采用包络拟合的方式进行单腔信息的还原，进而放大灵敏度。同时，利用灵敏度矩阵，可以有效的消除交叉敏感，实现多参数同时测量。此外，本发明专利技术提供的光纤FPI传感器仅由引导单模光纤、传感光纤毛细管、传感单模光纤和尾部光纤毛细管进行级联即可，具有结构简单、成本低廉的特点。成本低廉的特点。成本低廉的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤FPI传感器、测量装置及测量方法


[0001]本专利技术涉及光学测量
，特别是涉及一种光纤FPI传感器、测量装置及测量方法。

技术介绍

[0002]Vernier effect是一种有效的在原理上提高灵敏度的方法，是利用两个干涉频率略有不同的干涉仪相组合产生周期性包络，对灵敏度有数量级的提升(目前能做到15倍以上)。该方法具有操作方便、成本低、灵敏度提升明显的突出优势。现有的Vernier效应传感器是利用干涉结构相组合而成，比如级联型Fabry
–
Perot干涉仪(Fabry
–
Perot interferometer，FPI)结构，平行FPI结构，两个马赫曾德干涉仪组合，两个Sagnac环组合或者上述几种干涉仪相组合。但是存在着以下几种缺点：
[0003]存在严重的交叉串扰，影响测量精度。在测量过程中，分离型Vernier效应传感器结构，一个置于稳定环境充当参考干涉仪提供稳定光谱，另一个干涉仪置于测量环境，导致将传感参量灵敏度放大的同时，把其交叉敏感项也放大，造成更大的交叉串扰。而级联型的结构两个干涉仪都置于测量环境，所以两个腔对包络的漂移均有影响，所以不仅存在着多个参量间的交叉敏感，还存在着腔与腔之间的交叉串扰。因此，现有的Vernier效应传感器存在着严重的交叉串扰问题，无法对环境中的多个参量进行准确测量。
[0004]此外，Vernier效应传感器还存在以下缺点：
[0005]制备困难、费时费力：Vernier效应传感器的灵敏度越高则需要两个干涉仪的干涉频率越接近，这造成两个干涉仪的制作精度就需要越高。获得高灵敏度的制备工艺困难，间接造成成本高。
[0006]灵敏度放大倍率不高：包络的自由光谱范围(FSR)越大，灵敏度放大倍率就越高。现有的Vernier效应传感器需要在光谱仪中出现具有完整的FSR的包络才能有效的对包络进行有效追踪，导致灵敏度受到光谱仪或者光源波长的范围限制，放大倍率普遍在20倍以下。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于Hybrid Verniereffect的兼具灵敏度放大与双参数同时测量功能的光纤FPI传感器、测量装置及测量方法。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0009]一种光纤FPI传感器，包括：单模光纤和光纤毛细管；
[0010]所述单模光纤包括：引导单模光纤和传感单模光纤；所述光纤毛细管包括：传感光纤毛细管和尾部光纤毛细管；
[0011]所述引导单模光纤、所述传感光纤毛细管、所述传感单模光纤和所述尾部光纤毛细管按照光传播方向依次级联；
[0012]所述引导单模光纤的外径、所述传感光纤毛细管的外径、所述传感单模光纤的外径和所述尾部光纤毛细管的外径均相等；
[0013]所述引导单模光纤的内径与所述传感单模光纤的内径相等；所述传感光纤毛细管的内径与所述尾部光纤毛细管的内径相等；所述引导单模光纤的内径和所述传感单模光纤的内径均小于所述传感光纤毛细管的内径和所述尾部光纤毛细管的内径；
[0014]所述单模光纤的腔体长度和所述单模光纤的折射率与所述光纤毛细管的的腔体长度和所述光纤毛细管的折射率满足公式L2n2＝i*L1n1+L；
[0015]其中，L1为传感光纤毛细管的的腔体长度，n1为传感光纤毛细管的折射率，L2为传感单模光纤的腔体长度，n2为传感单模光纤的折射率，i为L2n2/L1n1的最大整除数，L为L2n2/L1n1的余数。
[0016]优选的，所述引导单模光纤的外径、所述传感光纤毛细管的外径、所述传感单模光纤的外径和所述尾部光纤毛细管的外径均为125μm。
[0017]优选的，所述引导单模光纤的内径和所述传感单模光纤的内径均为9μm。
[0018]优选的，所述传感光纤毛细管的内径和所述尾部光纤毛细管的内径均为75μm。
[0019]一种测量装置，包括：宽带光源、传输单模光纤、环形器、光谱仪、处理单元和上述光纤FPI传感器；
[0020]所述光纤FPI传感器黏附在待测结构上；所述宽带光源发出的光经所述传输单模光纤进入到所述环形器；所述环形器将光传输给所述光纤FPI传感器；所述光纤FPI传感器将光进行反射后，由所述环形器传输给所述光谱仪；所述光谱仪记录反射光的光谱信息后传输给所述处理单元处理得到测量信息；所述测量信息包括所述待测结构的消除交叉敏感后的具有灵敏度放大倍率的应变变化量和温度变化量。
[0021]优选的，所述处理单元为计算机。
[0022]一种测量方法，应用于上述测量装置；所述测量方法包括：
[0023]将光纤FPI传感器黏附于待测结构上以获取光谱数据，并根据所述光谱数据绘制光谱图；
[0024]对所述光谱图中的所有峰值进行包络拟合得到上包络；
[0025]获取所述光谱图中所有峰值中的第一特定点进行包络拟合得到第一内包络；
[0026]获取所述光谱图中所有峰值中的第二特定点进行包络拟合得到第二内包络；
[0027]获取峰值波长位置值和交点位置值；所述峰值波长位置值为与所述上包络中任一峰值点相对应的波长的位置值；所述交点位置值为所述第一内包络与所述第二内包络交点的位置值；
[0028]获取初始上包络峰值位置波长值和初始交点位置波长值；所述初始位置波长值为温度值为初始温度、应变值为0με时上包络的峰值位置波长值；所述初始交点位置值为温度值为初始温度、应变值为0με时所述第一内包络与所述第二内包络交点的位置值；
[0029]根据待测应变下的光谱峰值位置波长值和所述初始峰值位置波长值确定峰值位置波长差值，根据待测应变下的交点位置值和所述初始交点位置值确定内包络交点波长差值；
[0030]获取灵敏度矩阵；
[0031]将所述峰值位置波长差值和所述内包络交点波长差值带入到所述灵敏度矩阵中
确定消除交叉敏感后的具有灵敏度放大倍率的应变变化量和温度变化量。
[0032]优选的，所述获取灵敏度矩阵步骤之前，还包括：
[0033]获取所述光纤FPI传感器的应变灵敏度数据；所述应变灵敏度数据包括第一应变灵敏度数据和第二应变灵敏度数据；
[0034]获取所述光纤FPI传感器的温度灵敏度数据；所述温度灵敏度数据包括第一温度灵敏度数据和第二温度灵敏度数据；
[0035]根据所述应变灵敏度数据和所述温度灵敏度数据确定灵敏度矩阵。
[0036]优选的，所述获取所述光纤FPI传感器的应变灵敏度数据，具体包括：
[0037]获取所述光纤FPI传感器在不同应变条件下的光谱数据；
[0038]根据所述光纤FPI传感器在不同应变条件下的光谱数据绘制第一样本光谱图；
[0039]对所述第一样本光谱图中的所有峰值进行包络拟合得到第一样本上包络；
[0040]获取所述第一样本光谱图中所有峰值中的特定点进行包络拟合得到第一样本内包络；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤FPI传感器，其特征在于，包括：单模光纤和光纤毛细管；所述单模光纤包括：引导单模光纤和传感单模光纤；所述光纤毛细管包括：传感光纤毛细管和尾部光纤毛细管；所述引导单模光纤、所述传感光纤毛细管、所述传感单模光纤和所述尾部光纤毛细管按照光传播方向依次级联；所述引导单模光纤的外径、所述传感光纤毛细管的外径、所述传感单模光纤的外径和所述尾部光纤毛细管的外径均相等；所述引导单模光纤的内径与所述传感单模光纤的内径相等；所述传感光纤毛细管的内径与所述尾部光纤毛细管的内径相等；所述所述引导单模光纤的内径和所述传感单模光纤的内径均大于所述传感光纤毛细管的内径和所述尾部光纤毛细管的内径；所述单模光纤的腔体长度和所述单模光纤的折射率与所述光纤毛细管的的腔体长度和所述光纤毛细管的折射率满足公式L2n2＝i*L1n1+L；其中，L1为光纤毛细管的的腔体长度，n1为光纤毛细管的折射率，L2为单模光纤的腔体长度，n2为单模光纤的折射率，i为L2n2/L1n1的最大整除数，L为L2n2/L1n1的余数。2.根据权利要求1所述的光纤FPI传感器，其特征在于，所述引导单模光纤的外径、所述传感光纤毛细管的外径、所述传感单模光纤的外径和所述尾部光纤毛细管的外径均为125μm。3.根据权利要求1所述的光纤FPI传感器，其特征在于，所述引导单模光纤的内径和所述传感单模光纤的内径均为9μm。4.根据权利要求1所述的光纤FPI传感器，其特征在于，所述传感光纤毛细管的内径和所述尾部光纤毛细管的内径均为75μm。5.一种测量装置，其特征在于，包括：宽带光源、传输单模光纤、环形器、光谱仪、处理单元和如权利要求1
‑
4任意一项所述的光纤FPI传感器；所述光纤FPI传感器黏附在待测结构上；所述宽带光源发出的光经所述传输单模光纤进入到所述环形器；所述环形器将光传输给所述光纤FPI传感器；所述光纤FPI传感器将光进行反射后，由所述环形器传输给所述光谱仪；所述光谱仪记录反射光的光谱信息后传输给所述处理单元处理得到测量信息；所述测量信息包括所述待测结构的应变变化量和温度变化量。6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述处理单元为计算机。7.一种测量方法，其特征在于，应用于如权利要求5
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6任意一项所述的测量装置；所述测量方法包括：将如权利要求1
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4任意一项所述的光纤FPI传感器黏附于待测结构上以获取光谱数据，并根据所述光谱数据绘制光谱图；对所述光谱图中的所有峰值进行包络拟合得到上包络；获取所述光谱图中所有峰值中的第一特定点进行包络拟合得到第一内包络；获取所述光谱图中所有峰值中的第二特定点进行包络拟合得到第二内包络；获取峰值波长位置值和交点波长位置值；所述波长位置值为与所述上包络中任一峰值点相对应的波长的位置值；所述交点位置值为第一内包络与第二内包络交点的位置值；获取初始波长位置值和初始交点位置值；所述初始位置波长值为温度值为初始温度、
应变值为0με时上包络的峰值位置波长值；所述初始交点位置值为温度值为初始温度、应变值为0με时所述第一内包络与所述第二内包络交点的位置值；根据待测应变下的光谱峰值位置波长值和所述初始峰值位置波长值确定峰值位置波长差值，根据待测应变下的交点位置值和所述初始交点位置值确定内包络交点波长差值；获取灵敏度矩阵；将峰值位置波长差值和所述内包络交点波长差值带入到所述灵敏度矩阵中确定消除交叉敏感后的具有灵敏度放大倍率的应变变化量和温度变化量。8.根据权利要求7所述的一种测量方法，其特征在于，所述获取灵敏度矩阵之前，还包括：获取所述光纤FPI传感器的应变灵敏度数据；所述应变灵敏度数据包括第一应变灵敏度数据和第二应变灵敏度数据；获...

【专利技术属性】
技术研发人员：田佳峻，周程，周倩，陈鹏辉，周盛楠，姚勇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：