CN211824859U - 基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器。该传感器包括单模光纤、空芯光纤和悬浮芯光纤，空芯光纤的两端分别与单模光纤和悬浮芯光纤进行熔接，为了获得更高对比度的干涉谱，所述悬浮芯光纤与空芯光纤进行错位熔接，且悬浮芯光纤另一端与大气相通，从而保证气体自由进出传感头。其中，空芯光纤和悬浮芯光纤组成了两个级联的法布里‑珀罗干涉仪，由于两个干涉仪的光程差相近但不相等从而产生了光学游标效应，有效提高了气压的灵敏度。本实用新型具有体积小、易于操作、灵敏度高等优点，具有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及到一种基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器，属于光纤气压传感领域。
背景技术
光纤在光学中拥有举足轻重的作用，光纤的出现使得传感、通信等领域有了重大的进步。光纤传感技术的始于20世纪70年代，由于光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰，测量精度高以及便于实现分布式传感器等优点，并在各大科研领域不断发展和创新。在工业生产过程、管道内部、环境监测等试验中气压的测量尤为重要，目前采用的技术中，其中一些材料的选用在制造过程中比较复杂，可控性差并且工艺要求高。还有部分气压传感器存在了诸多的问题导致了灵敏度降低。法布里-珀罗干涉仪，由于两干涉仪谐振腔的光程差相近但不相等，从而产生光学游标效应，能够使灵敏度大大提高。广泛应用于光纤通讯和光纤传感领域。由于其结构紧凑，制作简单，成本低。从而可以替代很多昂贵复杂材料并且能达到相对更好的结果。
发明内容
本发明是为了解决现有的气压传感器精度低、灵敏度较低、结构复杂的问题，现提供基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器。
基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器的传感头(4)，它包括单模光纤(31)，空芯光纤(32)和悬浮芯光纤(33)；首先将空芯光纤(32)和单模光纤 (31)进行熔接，形成第一反射面(311)，然后将空芯光纤(32)另一端与悬浮芯光纤(33)进行熔接，形成第二反射面(312)，为保证光路一致需要将悬浮芯光纤(33)进行错位熔接，悬浮芯光纤(33)的另一端与空气相连，形成第三反射面(313)。其中，反射面M1(311)与反射面M2(312)组成空气法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)腔，腔长为L1(321)，反射面M2(312)与反射面M3(313) 组成的石英FP腔，腔长为L2(322)，由于空气FP腔与石英FP腔的光程差近似相等产生了光学游标效应，进而形成了一个具有游标效应的光纤气压传感头。
基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器的传感头(4)的腔内气压P发生改变时，将会导致腔内折射率n发生改变,此时的变化量为Δn，进而使干涉包络发生平移，此时平移量为Δs。
宽带光源(1)所发出的光信号经环形器(2)进到传感头(4)，入射光会依次经过三个反射面，由于反射面的折射率失配，部分入射光会反射回来。所以第一反射面(311)和第二反射面(312)会形成一个空气腔，腔长为L1(321)；第二反射面(312)和第三反射面(313)形成一个石英腔，腔长为L2(322)。其中，第一反射面(311)反射回来的光复振幅为E1，第二反射面(312)反射回来的光复振幅为E2，第三反射面(313)反射回来的光复振幅为E3。反射光E1、E2和E3发生干涉，经过环形器(2)被光谱仪(3)接收，显示出传感器的干涉光谱。
所述的基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器的预设温度为T＝22℃。
所述的基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器的传感头(4)的腔内气压与折射率之间的关系公式为：
所述的基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器的传感头(4)的腔内折射率变化Δn与干涉谱平移Δs关系公式为：
Δn＝α·Δs
式中，α为预设常数，可根据经验值进行设定。
附图说明
图1为本实用新型的实验装置图。
图2为传感器的简图。
具体实施方式
为了更加清楚和简明的说明未详细介绍的特征、相关的制作/处理步骤和具体实施的限定条件，在下文中将结合图1和图2对基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器的具体实施方式进行描述。
具体实施方式一、本实施方式所述的基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器包括宽带光源(1)、环形器(2)、光谱仪(3)、传感头(4)，其中：
所述传感头(4)由单模光纤(31)，空芯光纤(32)和悬浮芯光纤(33) 构成；将空芯光纤(32)和单模光纤(31)进行熔接，形成第一反射面 (311)，另一端与悬浮芯光纤(33)进行熔接，形成第二反射面(312)，悬浮芯光纤(33)末端与空气之间形成第三反射面(313)，为保证悬浮芯光纤 (33)反射回来的光与单模光纤(31)中的光路一致，即获得较高对比度的干涉谱，需要将悬浮芯光纤(33)与空芯光纤(32)进行错位熔接，保持二者纤芯在同一水平线，且悬浮芯光纤(33)另一端与空气相连，可以保证气体自由进出传感头(4)。
所述宽带光源(1)所发出的光信号经环形器(2)进到传感头(4)，入射光会依次经过三个反射面，由于反射面的折射率失配，部分入射光会反射回来。所以第一反射面(311)和第二反射面(312)会形成一个空气腔，腔长为 L1(321)；第二反射面(312)和第三反射面(313)形成一个石英腔，腔长为 L2(322)。其中，第一反射面(311)反射回来的光复振幅为E1，第二反射面 (312)反射回来的光复振幅为E2，第三反射面(313)反射回来的光复振幅为E3。反射光E1、E2和E3发生干涉，经过环形器(2)被光谱仪(3)接收，显示出传感器的干涉光谱。
本实施方式中的宽带光源(1)用来产生光信号，宽带光源(1)发出的光信号经过环形器(2)后进入传感头(4)，依次经过空气腔与石英腔，经三个反射面反射回来的光发生干涉经过环形器(2)被光谱仪(3)接收。光谱仪(3) 显示出的干涉光谱是由于游标效应产生的包络光谱。由于悬浮芯光纤存在气孔, 使外界与空气腔相同，因此外界气压与空心光纤内的气压相同。在外加气压改变时，空气腔内的气压随外界发生变化，因此会改变空气腔内的光程差，使反射包络光谱发生频移，由此可以对外界气压进行检测。
具体实施方式二、结合图2描述本发明中传感头的制作方法，本实施方式是对实施方式一所述的基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器的进一步限定，本实施方式中空芯光纤(32)内径为75μm，外径为125μm,长度为200 μm；单模光纤外径为125μm，纤芯直径为9μm，光纤长度为50cm。由第一反射面(311)和第二反射面(312)构成的FP腔称为空气腔，该腔的自由光谱范围为6.01nm。悬浮芯光纤(33)外径为125μm，内径为25μm，纤芯直径为9μm，长度为147.7μm，由第二反射面(312)和第三反射面(313)构成的 FP腔称为石英腔，该腔的自由光谱范围为5.61nm，悬浮芯光纤(33)与空芯光纤(32)需要错位熔接，且错位距离为8μm。本发明的制作过程均在恒温条件下进行。
本实施方式限定了空芯光纤(32)内径为75μm，外径为125μm,长度为 200μm；由第一反射面(311)和第二反射面(312)构成的FP腔称为空气腔，该腔的自由光谱范围为6.01nm。悬浮芯光纤(33)外径为125μm，内径为25μm，纤芯直径为9μm，长度为147.7μm，由第二反射面(312)和第三反射面(313)构成的FP腔称为石英腔，该腔的自由光谱范围为5.61nm，悬浮芯光纤(33)与空芯光纤(32)需要错位熔接，且错位距离为8μm。单模光纤外径为125μm，纤芯直径为9μm，光纤长度为50cm。传感头的具体制作步骤如下：
单模光纤与空芯光纤熔接：
用精密光纤熔接机将截面均平滑的单模光纤一端与空芯光纤一端的进行熔接。其中，单模光纤的外径和空芯光纤的外径相同，均为125μm，根据实际测量要求选取不同长度不同内径的空芯光纤。本示例中，空芯光纤的长度为200μm，空芯光纤的内径为75μm，单模光纤的长度为50cm，单模光纤纤芯直径为9μm。
空芯光纤和悬浮芯光纤熔接：
用精密光纤熔接机将空芯光纤另一端与悬浮芯光纤相熔接。其中，空芯光纤和悬浮芯光纤的外径相同，为保证游标效应需要将空芯光纤和悬浮芯光纤进行错位熔接，错位距离为8μm，悬浮芯光纤外径为125μm，内径为25μm，纤芯直径为9μm、长度为147.7μm，自由光谱范围为5.61nm。
首先，利用UV胶将空芯光纤固定在载玻片上，为保证熔接效果，制作过程均在高倍显微镜下完成，先将单模光纤与空芯光纤一端进行熔接。其次，我们采用错位熔接方式将空芯光纤另一端与悬浮芯光纤进行熔接，错位量为 8μm。最后，根据制作需求对悬浮芯光纤进行切割。
本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (4)
1.基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器，其特征在于，所述气压传感器包括宽带光源(1)、环形器(2)、光谱仪(3)、传感头(4)，其中：
所述传感头(4)由单模光纤(31)，空芯光纤(32)和悬浮芯光纤(33)构成；将空芯光纤(32)和单模光纤(31)进行熔接，形成第一反射面(311)，另一端与悬浮芯光纤(33)进行熔接，形成第二反射面(312)，悬浮芯光纤(33)末端与空气之间形成第三反射面(313)，为保证悬浮芯光纤(33)反射回来的光与单模光纤(31)中的光路一致，即获得较高对比度的干涉谱，需要将悬浮芯光纤(33)与空芯光纤(32)进行错位熔接，保持二者纤芯在同一水平线，且悬浮芯光纤(33)另一端与空气相连，可以保证气体自由进出传感头，其中；
所述宽带光源(1)发出的光信号经过环形器(2)后进入传感头(4)，经传感头(4)反射回来的光信号通过环形器(2)进入光谱仪(3)。
2.根据权利要求1所述的基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器，其特征在于，所述空芯光纤(32)内径为75μm，外径为125μm,长度为200μm，由第一反射面(311)和第二反射面(312)构成的FP腔称为空气腔，该腔的自由光谱范围为6.01nm。
3.根据权利要求1所述的基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器，其特征在于，所述悬浮芯光纤(33)外径为125μm，内径为25μm，纤芯直径为9μm，长度为147.7μm，由第二反射面(312)和第三反射面(313)构成的FP腔称为石英腔，该腔的自由光谱范围为5.61nm，悬浮芯光纤(33)与空芯光纤(32)需要错位熔接，且错位距离为8μm。
4.根据权利要求1所述的基于错位熔接和游标效应的光纤气压传感器，其特征在于，所述单模光纤外径为125μm，纤芯直径为9μm，光纤长度为50cm。
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