[發(fā)明專利]一種基于游標(biāo)效應(yīng)的光纖法布里珀羅傳感器的增敏方法

有效

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• 申請日: 2021-03-03
• 公開（公告）號: CN113124912B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔡小磊;覃亞麗;蔡禮鄒;鄭歡
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司 33241
• 代理人: 王利強(qiáng)

一種基于游標(biāo)效應(yīng)的光纖法布里珀羅傳感器的增敏方法，只需使用單個傳感干涉儀獲得實測的反射光譜，然后疊加上由計算機(jī)根據(jù)法布里珀羅干涉原理生成的參考干涉儀的反射光譜，就能實現(xiàn)游標(biāo)效應(yīng)。相較于通過并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)游標(biāo)效應(yīng)的方法而言，本發(fā)明中將實測的傳感干涉儀光譜與計算機(jī)中生成的參考干涉儀光譜疊加的方法更易于保持參考干涉儀光譜的穩(wěn)定，使其不受所處環(huán)境的穩(wěn)定性影響。更多的，由于可以通過設(shè)置參考干涉儀的腔長和折射率來控制放大倍數(shù)，因此在有效的光譜范圍內(nèi)，本發(fā)明可以實現(xiàn)任意的放大倍數(shù)和分辨率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于游標(biāo)效應(yīng)的光纖法布里珀羅傳感器的增敏方法，屬于光纖傳感檢測的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

傳感器在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、各種行業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮著重要的作用。傳感器按照使用的材料可以分為半導(dǎo)體傳感器，金屬傳感器，光纖傳感器等。其中，光纖傳感器是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來的一種新型傳感器。由于光在光纖中傳輸時，光纖的外界環(huán)境參量會發(fā)生變化，如溫度、壓力、折射率等。這些環(huán)境參量會使得光纖的光波參數(shù)發(fā)生變化，比如光強(qiáng)、頻率、波長等。光纖傳感器依據(jù)環(huán)境參量的變化與光纖的光波參數(shù)的變化之間的對應(yīng)關(guān)系，間接地測量所需的環(huán)境參量。目前，光纖法布里珀羅傳感器由于具有低成本、小體積、高靈敏度、免疫電磁干擾以及適應(yīng)高溫、高壓等惡劣環(huán)境的特點而被廣泛應(yīng)用于物理化學(xué)參量的測量中。

在光纖傳感器實驗中，有效地提高測量靈敏度是研究的重點。游標(biāo)效應(yīng)最初來源于游標(biāo)卡尺的原理，其本質(zhì)是差分法，后被應(yīng)用于光子器件靈敏度的增大中，現(xiàn)被證實是一種有效的提高光纖傳感器測量靈敏度的方法。游標(biāo)效應(yīng)可以使光纖法布里珀羅傳感系統(tǒng)突破由傳感器特性所限制的靈敏度極限，使測量靈敏度大大提高。基于游標(biāo)效應(yīng)的光纖法布里珀羅傳感器的應(yīng)用大部分是在兩個干涉儀相鄰的級聯(lián)結(jié)構(gòu)中，這種結(jié)構(gòu)能使傳感器高度集成，體積小而精巧。不足之處是兩個干涉儀所處的環(huán)境基本一致，而環(huán)境溫度對參考干涉儀的影響是不可避免的。這通常會導(dǎo)致游標(biāo)效應(yīng)的增敏效果減弱，甚至出現(xiàn)不可預(yù)估的非線性變化。最近，有研究人員提出了基于游標(biāo)效應(yīng)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的光纖法布里珀羅傳感器，將傳感干涉儀和參考干涉儀分開，使參考干涉儀可以遠(yuǎn)離傳感環(huán)境。這降低了傳感器的集成度，增加了搭建傳感系統(tǒng)的復(fù)雜程度。同時，保持參考干涉儀所處環(huán)境的穩(wěn)定顯得極為重要但又難以實現(xiàn)。綜上所述，目前實現(xiàn)游標(biāo)效應(yīng)需要參考干涉儀的存在，增加了傳感結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，而參考干涉儀所處環(huán)境的穩(wěn)定性會影響到其反射光譜的穩(wěn)定從而決定傳感系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。

因此，確保參考干涉儀的光譜穩(wěn)定是實現(xiàn)游標(biāo)效應(yīng)達(dá)到增敏效果的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，使用基于游標(biāo)效應(yīng)的光纖法布里珀羅傳感器的增敏方法在實際測量中也具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決實現(xiàn)游標(biāo)效應(yīng)時需要額外的參考干涉儀以及參考干涉儀所處環(huán)境的變化導(dǎo)致光譜不穩(wěn)定的問題，本發(fā)明提供了一種基于游標(biāo)效應(yīng)的光纖法布里珀羅傳感器的增敏方法。只需使用單個傳感干涉儀獲得實測的反射光譜，然后疊加上由計算機(jī)根據(jù)法布里珀羅干涉原理生成的參考干涉儀的反射光譜，就能實現(xiàn)游標(biāo)效應(yīng)。由于參考干涉儀的反射光譜由計算機(jī)生成，因此這種通過疊加光譜實現(xiàn)游標(biāo)效應(yīng)的方法解決了參考干涉儀的光譜穩(wěn)定性問題，同時可以靈活地控制其增敏程度。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于游標(biāo)效應(yīng)的光纖法布里珀羅傳感器的增敏方法，包括以下步驟：

步驟1，設(shè)計單腔法布里珀羅傳感器作為傳感干涉儀，傳感干涉儀的腔長為L₁，波長為λ的光從光源入射傳感干涉儀，入射光在干涉腔的第一個反射面的反射光強(qiáng)為I₁，第二個反射面的反射光強(qiáng)為I₂，由光譜儀測量得到的傳感干涉儀的反射光譜為I_s；