CN112924082A

CN112924082A - 一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器

Info

Publication number: CN112924082A
Application number: CN202110094621.0A
Authority: CN
Inventors: 杨玉强; 王骥; 刘洺辛
Original assignee: Guangdong Ocean University
Current assignee: Guangdong Ocean University
Priority date: 2021-01-25
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2041-01-25
Also published as: CN112924082B; WO2022156298A1

Abstract

本发明公开了一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器，包括，宽带光源、光纤环形器、传感头、光谱仪；光纤环形器与宽带光源、传感头、光谱仪连接；传感头包括单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤、边孔光纤；单模光纤通过所述多模光纤与悬浮芯光纤连接；多模光纤通过悬浮芯光纤与边孔光纤连接。本发明用于采用光纤熔接制备方法，制作简单；体积小、结构紧凑，便于使用；不需要胶粘，传感器稳定性好；双腔并联可产生游标效应，干涉谱对比度好，灵敏度高。

Description

一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器

技术领域

本发明属于光纤传感领域，涉及一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器。

背景技术

气压测量在医疗卫生、仪器仪表、气压计等工业设备中有着广泛的应用。基于法布里-珀罗干涉计(FPI)的光纤气压传感器具有体积小、重量轻、不受电磁干扰、耐腐蚀、测量精度高和可适用于各种极端环境等电子气压传感器所不具备的优势，受到了研究者的广泛关注。FPI气压传感器主要分为两类，第一类是通过测量FP腔的腔长变化实现气压测量的，这类传感器分为薄膜型和光纤气泡型，这两种型号均存在结构脆弱、易于破碎的缺点。第二类是通过光纤空气腔内折射率的变化实现气压测量的。该类气压传感器通常采用微结构光纤熔接的方式制备而成，利用微结构光纤的气孔构成开放空气腔，单个开放腔的气压灵敏度约为3.9nm/Mpa。利用双腔级联游标效应可进一步提高气压测量灵敏度，可提高1-2个数量级。但目前双腔级联均采用空气腔和石英腔依次串联的方式，该方式入射光损耗大，干涉谱对比度低。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明提供一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器，包括：

宽带光源、光纤环形器、传感头、光谱仪；

光纤环形器与宽带光源、传感头、光谱仪连接；

传感头包括单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤、边孔光纤；

单模光纤通过多模光纤与悬浮芯光纤连接；

多模光纤通过悬浮芯光纤与边孔光纤连接。

优选地，宽带光源的波段为1200nm-1600nm。

优选地，光纤环形器包括光纤环形器第一端、光纤环形器第二端、光纤环形器第三端；光纤环形器第一端与宽带光源连接；光纤环形器第二端与传感头连接；光纤环形器第三端与光谱仪连接；宽带光源通过光纤环形器第一端将波段信号传输到传感头进行处理；传感头通过光纤环形器第二端将处理后的波段信号传输到光谱仪。

优选地，单模光纤包括第一纤芯；多模光纤包括第二纤芯；悬浮芯光纤包括第三纤芯和第一气孔；边孔光纤包括第四纤芯和第二气孔。

优选地，单模光纤与多模光纤无错位熔接。

优选地，多模光纤长度为50-150微米。

优选地，多模光纤与悬浮芯光纤错位熔接，错位量为10-30微米；

第二纤芯与第三纤芯和第一气孔连接。

优选地，悬浮芯光纤的长度为200-300微米。

优选地，悬浮芯光纤与边孔光纤错位熔接；第三纤芯与第四纤芯对芯连接；第一气孔和第二气孔错位连接。

优选地，第三纤芯和第四纤芯的长度满足入射光在第三纤芯和第四纤芯中传输的光程总和为入射光在第一气孔中传输的光程的 1.9-1.99倍或2.01-2.10倍。

本发明的积极进步效果在于：

本发明用于采用光纤熔接制备方法，制作简单；体积小、结构紧凑，便于使用；不需要胶粘，传感器稳定性好；双腔并联可产生游标效应，干涉谱对比度好，灵敏度高。

附图说明

图1为本发明所述的传感系统；

图2为本发明所述的传感头；

图3为本发明所述的干涉谱包络产生示意图，其中，(a)空气腔干涉谱；(b)石英腔干涉谱；(c)并联干涉谱；

图4为本发明所述的游标效应示意图，其中，(a)石英腔光谱平移；(b)干涉谱包络光谱平移。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于游标效应增敏的全光纤气压传感器，该传感器制备简单，不需要昂贵设备。制备的光纤双腔为并联结构，该结构不仅可以实现游标效应，而且可调控双腔内入射光的比例，从而提高干涉谱对比度。相对于单个开放空气腔，该传感器灵敏度提高了1-2个数量级。

如图1所示，本发明提供一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器，包括：宽带光源、光纤环形器、传感头、光谱仪；光纤环形器与宽带光源、传感头、光谱仪连接；传感头包括单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤、边孔光纤；单模光纤通过多模光纤与悬浮芯光纤连接；多模光纤通过悬浮芯光纤与边孔光纤连接，宽带光源的波段为1200nm-1600nm，光纤环形器包括光纤环形器第一端、光纤环形器第二端、光纤环形器第三端；光纤环形器第一端与宽带光源连接；光纤环形器第二端与传感头连接；光纤环形器第三端与光谱仪连接；宽带光源通过光纤环形器第一端将波段信号传输到传感头进行处理；传感头通过光纤环形器第二端将处理后的波段信号传输到光谱仪。

单模光纤包括第一纤芯；多模光纤包括第二纤芯；悬浮芯光纤包括第三纤芯和第一气孔；边孔光纤包括第四纤芯和第二气孔。

单模光纤与多模光纤对芯熔接；第一纤芯与第二纤芯对芯连接。多模光纤长度为50-150微米。

多模光纤与悬浮芯光纤错位熔接，错位量为10-30微米；第二纤芯与第三纤芯和第一气孔连接。悬浮芯光纤的长度为200-300微米。

悬浮芯光纤与边孔光纤错位熔接；第三纤芯与第四纤芯对芯连接；第一气孔和第二气孔错位连接。

第三纤芯和第四纤芯长度满足入射光在第三纤芯和第四纤芯中传输的光程总和为入射光在第一气孔中传输的光程的1.9-1.99倍或 2.01-2.10倍。

传感器结构如图1所示，由宽谱光源(1200nm-1600nm)、光纤环形器、传感头和光谱仪构成。

传感头结构如图2所示，由单模光纤一端依次熔接一段多模光纤、一段悬浮芯光纤和一段边孔光纤构成。单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤和边孔光纤的外径均为125微米，单模光纤、悬浮芯光纤和边孔光纤的纤芯直径均为10微米，多模光纤的纤芯直径为30-50微米，悬浮芯光纤的气孔位于横截面中心，直径为50微米，悬浮芯光纤的纤芯位于气孔边缘，部分裸露于空气中，边孔光纤的纤芯位于截面中心，边孔直径为50微米，边孔中心与纤芯中心的距离为50微米。

传感头的制备过程：将单模光纤与多模光纤无错位熔接，然后将多模光纤切割，切割后的长度为50-150微米；

将多模光纤的切割端与悬浮芯光纤错位熔接，错位量为10-30微米，保证悬浮芯光纤的纤芯和气孔均与多模光纤的纤芯部分重叠，目的是使入射光一部分进入悬浮芯光纤的纤芯，另一部分进入悬浮芯光纤的气孔，然后将悬浮芯光纤切割，切割后的长度为200-300微米；

将切割后的悬浮芯光纤与边孔光纤错位熔接，错位熔接后悬浮芯光纤的纤芯与边孔的纤芯重合，且悬浮芯光纤和边孔光纤的气孔部分重叠，目的是使外界气体进入悬浮芯光纤气孔内，实现外界气压测量，然后切割边孔光纤，其长度由悬浮芯光纤的长度决定，保证入射光在悬浮芯光纤和边孔光纤纤芯中传输的光程约为在悬浮芯气孔中传输的光程的2倍，目的是使入射光产生游标效应。

实施例1：

入射光由单模光纤进入多模光纤，在多模光纤中扩束(多模光纤的作用：减小悬浮芯光纤错位熔接时错位量精度要求)；部分入射光被多模光纤和悬浮芯光纤气孔构成的界面M2反射，经光纤耦合器后被光谱仪接收，而另一部分光进入悬浮芯光纤；进入悬浮芯光纤的入射光在悬浮芯光纤中又分成两束，其中一束在纤芯中传输，另一束在气孔中传输；在悬浮芯纤芯中传输的光束进入边孔光纤的纤芯，然后由部分光束由单模光纤的界面M4反射回传感头，经光纤环形器后由光谱仪接收；在悬浮芯气孔中传输的光束，部分光被悬浮芯光纤气孔和边孔光纤构成的界面M3反射回传感头，然后经光纤耦合器被光谱仪接收。因此，界面M2和M3构成光纤空气腔，界面M2和M4构成光纤石英腔。以上两腔干涉谱分别表示为：

其中，λ为入射光波长，I_air(λ)、I_silica(λ)分别表示空气腔和石英腔的干涉谱，A、B、C分别为由界面M2、M3和M4反射回光谱仪中的反射光的复振幅，L₂、L₂+L₃分别为空气腔和石英腔的长度，n_air、 n_silica分别为空气腔和石英腔的折射率。空气腔和石英腔构成并联结构，光谱仪接收到的光谱为空气腔和石英腔干涉谱的叠加，表示为：

I_all(λ)＝I_air(λ)+I_silica(λ)

当石英腔的长度光程n_silica(L₂+L₃)约为空气腔光程n_airL₂的2倍，但不等于2倍时(即空气腔的自由光谱范围FSR_air约为石英腔自由光谱范围FSR_silica的2倍，但不等于2倍)，并联双腔的干涉谱就会产生包络，如图3所示，该包络可表示为：

其中，M为放大因子。当外界气压变化时，悬浮芯光纤气孔内的折射率随之发生变化，导致空气腔的干涉谱平移。由于石英腔的自由光谱范围约为空气腔的2倍，但不等于2倍，此时双腔并联干涉谱会产生游标效应，即当空气腔在气压的作用下干涉谱平移时，干涉谱包络的平移量为单个空气腔平移量的M倍，如图4所示。单个石英腔气压灵敏度S_air可表示为：

其中，α为气体折射率随气压的变化率，λ_m为峰值波长。并联双腔传感器气压灵敏度S_envelope可表示为：

双腔并联后温度灵敏度为单个空气腔的M倍。假设峰值波长为λ_m＝1550nm，空气折射率n_air＝1，放大倍率M＝50，系数α＝2.5×10^-3/MPa，则单个空气腔的气压灵敏度约为3.88nm/MPa，并联双腔传感器温度灵敏度为193.75nm/MPa。

本发明提供一种基于游标效应增敏的全光纤气压传感器，该传感器制备简单，不需要昂贵设备，制备的光纤双腔为并联结构，该结构不仅可以实现游标效应，而且可调控双腔内入射光的比例，从而提高干涉谱对比度，相对于单个开放空气腔，该传感器灵敏度提高了1-2 个数量级。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器，其特征在于，包括：

宽带光源、光纤环形器、传感头、光谱仪；

所述光纤环形器与所述宽带光源、传感头、光谱仪连接；

所述传感头包括单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤、边孔光纤；

所述单模光纤通过所述多模光纤与所述悬浮芯光纤连接；

所述多模光纤通过所述悬浮芯光纤与所述边孔光纤连接。

2.如权利要求1所述一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器，其特征在于，

所述宽带光源的波段为1200nm-1600nm。

3.如权利要求1所述一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器，其特征在于，

所述光纤环形器包括光纤环形器第一端、光纤环形器第二端、光纤环形器第三端；

所述光纤环形器第一端与所述宽带光源连接；

所述光纤环形器第二端与所述传感头连接；

所述光纤环形器第三端与所述光谱仪连接；

所述宽带光源通过所述光纤环形器第一端将波段信号传输到所述传感头进行处理；

所述传感头通过所述光纤环形器第二端将处理后的所述波段信号传输到所述光谱仪。

4.如权利要求1所述一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器，其特征在于，

所述单模光纤包括第一纤芯；

所述多模光纤包括第二纤芯；

所述悬浮芯光纤包括第三纤芯和第一气孔；

所述边孔光纤包括第四纤芯和第二气孔。

5.如权利要求4所述的一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器，其特征在于，

所述单模光纤与所述多模光纤无错位熔接。

6.如权利要求4所述的一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器，其特征在于，

所述多模光纤长度为50-150微米。

7.如权利要求4所述一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器，其特征在于，

所述多模光纤与所述悬浮芯光纤错位熔接，错位量为10-30微米；

所述第二纤芯与所述第三纤芯和第一气孔连接。

8.如权利要求7所述一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器，其特征在于，

所述悬浮芯光纤的长度为100-300微米。

9.如权利要求4所述一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器，其特征在于，

所述悬浮芯光纤与所述边孔光纤错位熔接；

所述第三纤芯与所述第四纤芯对芯连接；

所述第一气孔和所述第二气孔错位连接。

10.如权利要求9所述一种基于悬浮芯光纤和边孔光纤的高灵敏度气压传感器，其特征在于，

所述第三纤芯和第四纤芯的长度满足入射光在第三纤芯和第四纤芯中传输的光程总和为所述入射光在所述第一气孔中传输的光程的1.9-1.99倍或2.01-2.10倍。