[發(fā)明專利]一種基于游標效應和并聯(lián)式F-P干涉儀的應變光纖傳感器

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• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111678540A
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發(fā)明（設計）人: 王東寧;崔鑫磊;張華
• 申請（專利權）人: 杭州光飛秒科技有限公司
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01L1/24;G01L11/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供了一種基于游標效應和并聯(lián)式F?P干涉儀的應變光纖傳感器，是一種使用飛秒激光在光纖纖芯內刻蝕并聯(lián)平行反射鏡的并聯(lián)式法布里?珀羅干涉儀，包括寬帶光源，環(huán)形器，傳感頭，光譜分析儀。其特征在于：飛秒激光在單模光纖纖芯內刻蝕四條平行反射鏡，組成兩組互相平行、相互獨立、不同尺寸且尺寸得到準確控制、分別位于纖芯內的上下兩側且存在一定間距的法布里?珀羅腔。寬帶光源的入射光在纖芯中傳播進入傳感頭，分別經(jīng)過傳感頭內的兩組法布里?珀羅腔產(chǎn)生干涉。再由環(huán)形器接收傳感頭內干涉腔的反射光，并傳輸至光譜分析儀，形成并聯(lián)式法布里?珀羅干涉儀。本發(fā)明具有制造簡單、機械強度高、成本低、極高的應變靈敏度和極低的溫度敏感度等優(yōu)點。

技術領域

本發(fā)明提供了一種基于游標效應的超靈敏應變光纖傳感器，是一種光纖內平行反射鏡的并聯(lián)式法布里-珀羅干涉儀，屬于光纖傳感技術領域。

背景技術

光纖應變傳感器在土木工程，航空航天和國防工業(yè)等許多領域具有廣泛的應用。光纖應變傳感器的主要類型通常基于光纖布拉格光柵（FBG）和干涉儀。基于FBG的光纖應變傳感器緊湊且制備方便。但是，獲得的靈敏度卻很低，通常約為1 pm/me。通過使用基于干涉儀的光纖傳感器可以實現(xiàn)相對較大的應變靈敏度。在已探索用于應變傳感的各種類型的光纖干涉儀中，法布里-珀羅干涉儀（FPI）具有高度緊湊和簡單的反射模式。但是，所獲得的應變敏感性仍然受到限制，通常也在pm/me的數(shù)量級上。為了進一步提高應變靈敏度，采用了兩個級聯(lián)的光纖線上FPI，并且兩個級聯(lián)的FP腔具有較小的光程差（OPD），因而可以通過游標效應提高靈敏度。大部分FPI設備，利用游標效應是由使用不同類型的兩個腔，不同的光纖或光纖材料，這將使得設備的制造困難和比較高的成本使用。更重要的是比較精確的控制兩個FP的光程差是很難做到的，這將導致放大系數(shù)的不穩(wěn)定性和設備制造的低重復性。最近，飛秒激光在光纖內刻寫的反射鏡已經(jīng)用在基于游標效應的高靈敏度應變傳感器的構造上，并且由于采用了飛秒激光微加工系統(tǒng)的高精度移動平臺，可以精確控制兩個FPI之間的OPD。但是，由于必須將兩個FPI分開較長的距離以避免任何相互干擾，因此設備的尺寸會變大，并且獲得的應變靈敏度為28pm/me左右。

在這里，我們提出并演示了一種飛秒激光制造的具有超高靈敏度的緊湊型光纖應變傳感器。該系統(tǒng)由兩個并聯(lián)連接的FP腔組成，這些腔級聯(lián)連接，腔長度的差異得到精確控制。傳感器頭的尺寸小于7000μm，實現(xiàn)的應變靈敏度為235.14pm/me，實現(xiàn)了應用游標效應達到300倍的放大效果。這種設備堅固，操作方便，并且在需要極高應變敏感性的領域中發(fā)揮重要作用。

發(fā)明內容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術不足，提供一種基于游標效應和并聯(lián)式F-P干涉儀的應變光纖傳感器，本發(fā)明具有結構緊湊、制造簡單、機械強度高和成本低等優(yōu)點，可用于應變傳感。

本發(fā)明解決技術問題所采取的技術方案為：一種基于游標效應和并聯(lián)式F-P干涉儀的應變光纖傳感器，是一種光纖內平行反射鏡的并聯(lián)式法布里-珀羅干涉儀，包括寬帶光源，環(huán)形器，傳感頭，光譜分析儀。其特征在于：用飛秒激光在單模光纖纖芯內刻蝕四條平行反射鏡，組成兩組互相平行、相互獨立、不同尺寸且尺寸得到準確控制、分別位于纖芯內的上下兩側且間距為1μm的法布里-珀羅腔。寬帶光源的入射光在纖芯中傳播進入傳感頭，分別經(jīng)過傳感頭內的兩組法布里-珀羅腔產(chǎn)生干涉。再由環(huán)形器接收來自傳感頭內干涉腔的反射光，并傳輸至光譜分析儀，形成并聯(lián)式法布里-珀羅干涉儀。

所述的單模光纖的纖芯直徑和光纖直徑分別為9μm和125μm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果是：

1、傳感頭對于應力具有極高的敏感性，實驗結果達到了235.14pm/me。

2、傳感頭尺寸得到準確控制，可靈活設計調節(jié)傳感靈敏度放大倍數(shù)。

3、選用價格低廉的普通單模光纖制備，具有成本低，制作簡單的優(yōu)點。

4、傳感頭為反射式結構，可以用于狹窄空間的傳感測量。