基于光纤FP干涉的新型液压传感方法

摘要

本发明公开了基于光纤FP干涉的新型液压传感方法。目前方法灵敏度不高。本发明首先确定宽带光源、三端口光耦合器、光谱分析仪和光纤FP干涉传感头；然后将上述器件按照测量方案连接，最后将光纤FP干涉传感头置于需要测量液压的液体环境。通过测量基于石英管的光纤FP干涉传感头的干涉极大值波长的漂移来确定施加在光纤FP干涉传感头上的液压。本发明具有不受电磁干扰、价格低廉、结构紧凑、制作工艺简单、高灵敏度、适合医疗应用等优点。

权利要求

1.基于光纤FP干涉的新型液压传感方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤(1)选择一个输出波长覆盖1500nm至1600nm的宽带光源、一个三端口光纤耦合器、一个基于石英管的光纤FP干涉传感头和一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱分析仪；

所述的基于石英管的光纤FP干涉传感头，其具体制作过程如下：

1）截取一段长度10厘米以上、直径为d的普通单模光纤，采用商用的普通光纤切割机将其切割成两段，120微米≤d≤130微米；

2）将切割后的两段普通单模光纤插入内径比普通单模光纤大1微米、外径为D、长度为Ls的石英管，保持两段光纤在石英管内的两个端面距离为L；10毫米≤D≤20毫米、5毫米≤Ls≤20毫米、20微米≤L≤200微米；

3）将石英管和左端的普通单模光纤以二氧化碳激光器加热后固定，将石英管和右端的普通单模光纤涂上固化胶固定；

步骤(2)将宽带光源的输出端口与光纤耦合器的一个输入端口光纤连接；光纤耦合器的一个输出端口与基于石英管的光纤FP干涉传感头以光纤熔接方式连接，该光纤耦合器的一个输出端口和光谱分析仪的输入端口光纤连接；

步骤(3)将基于石英管的光纤FP干涉传感头置入需要测量液压的液体环境，根据FP干涉理论，当，

可以观测到干涉的极大值，其中L为石英管中光纤两个端面距离， 对应干涉极大值的波长；当施加基于石英管的光纤FP干涉传感头上的液压发生改变的时候，对应干涉极大值的波长对应有一个波长漂移 ，其液压改变量 和波长漂移 满足以下关系其中，为一常数；因此，可以通过测量基于石英管的光纤FP干涉传感头的干涉极大值波长的漂移来确定施加在光纤FP干涉传感头上的液压。

说明书

基于光纤FP干涉的新型液压传感方法

技术领域

[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于光纤FP（法布里－珀罗）干涉的液压传感方法。

背景技术

[0002] 随着信息社会的进一步发展，以传感技术为核心的物联网成为当今世界各国高科技发展的战略重点。光纤的发明也带来了传感技术的革命性发展，成为物联网技术发展不可或缺的一部分。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且当光波在光纤中传输时，其特征参量振幅、相位、偏振态、波长等会因外界因素如温度、压力、应变、磁场、电场、位移等值接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件探测物理量。光纤传感技术就是利用光纤对某些物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接测量的信号的技术。光纤传感技术是光学领域最为重要的传感技术之一，已经被广泛应用于生物、医学、航天、航空、机械、石化、建筑、高铁、桥梁、国防工业等领域。

[0003] 基于光纤传感技术的温度传感器、应力传感器、折射率传感器已经比较成熟，而在光纤液压传感领域，目前商用产品较少，但是有一定数量的学术论文报道。目前实现液压传感的光纤传感技术可以分为三类，一是光纤布拉格光栅液压传感技术，该技术具有可以大量复用、成本低等有点，但是传感器的灵敏度非常低；二是基于特种光纤液压传感技术，比如采用光子晶体光纤构建Sagnac光纤环形干涉仪来检测液压，灵敏度较高，但是成本较高，而且结构比较复杂；三是基于光纤FP干涉的液压传感器，具有成本低、灵敏度高等特点，但是目前报道的光纤FP干涉液压传感器还存在制作工艺复杂等缺点。

发明内容

[0004] 本发明就是针对现有技术的不足，提出了基于光纤FP干涉的新型液压传感方法。

[0005] 本发明的方法包括以下步骤：

[0006] 步骤(1)选择一个输出波长覆盖1500nm至1600nm的宽带光源、一个三端口光纤耦合器、一个基于石英管的光纤FP干涉传感头和一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱分析仪；

[0007] 步骤(2)将宽带光源的输出端口和光纤耦合器的一个输入端口光纤连接；将该光纤耦合器的一个输出端口和基于石英管的光纤FP干涉传感头以光纤熔接方式连接，该光纤耦合器的一个输出端口和光谱分析仪的输入端口光纤连接；

[0008] 步骤(3)将基于石英管的光纤FP干涉传感头置入需要测量液压的液体环境。所说的基于石英管的光纤FP干涉传感头是由以下步骤制作而成：1）截取一段长度10厘米以上、直径为d(120～130微米)的普通单模光纤，采用商用的普通光纤切割机将其切割成两段；2）将切割后的两段普通单模光纤插入内径比普通单模光纤大1微米、外径为D（10～20毫米）、长度为Ls（5～20毫米）的石英管，保持两段光纤在石英管内的两个端面距离为L（20～200微米）；3）将石英管和左端的普通单模光纤以二氧化碳激光器加热后固定，将石英管和右端的普通单模光纤涂上固化胶固定。

[0009] 根据FP干涉理论，当

[0010] ，

[0011] 可以观测到干涉的极大值，其中L为石英管中光纤两个端面距离， 对应干涉极大值的波长。当施加基于石英管的光纤FP干涉传感头上的液压发生改变的时候，对应干涉极大值的波长对应有一个波长漂移 ，其液压 和波长漂移 满足以下关系

[0012]

[0013] 其中，

[0014]

[0015] 为一常数。因此，可以通过测量基于石英管的光纤FP干涉传感头的干涉极大值波长的漂移来确定施加在光纤FP干涉传感头上的液压。

[0016] 本发明主要适用于测量液体中的液压，利用了基于石英管的光纤FP干涉传感头的干涉极大值波长随液压变化的特性，通过的干涉极大值波长的漂移来确定液压数值大小，实现了液压传感。本发明具有不受电磁干扰、价格低廉、结构紧凑、制作工艺简单、高灵敏度本等优点。

附图说明

[0017] 图1为本发明使用的光学器件连接示意图；

[0018] 图2为基于石英管的光纤FP干涉传感头示意图；

[0019] 图3为本发明方法测量结果图。

具体实施方式

[0020] 如图1和图2所示，本发明方法包括以下步骤：

[0021] (1)选择一个输出波长覆盖1500nm至1600nm的宽带光源1、一个三端口光纤耦合器2、一个基于石英管的光纤FP干涉传感头3和一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱分析仪4；

[0022] (2)将宽带光源1的输出端口和光纤耦合器2的一个输入端口光纤连接；将该光纤耦合器2的一个输出端口和基于石英管的光纤FP干涉传感头3以光纤熔接方式连接，该光纤耦合器2的一个输出端口和光谱分析仪4的输入端口光纤连接；

[0023] (3)将基于石英管的光纤FP干涉传感头3置入需要测量液压的液体环境。基于石英管的光纤FP干涉传感头3由直径为d(120～130微米)的一段普通单模光纤5、另一段普通单模光纤8和一段内径比普通单模光纤大1微米、外径为D（10～20毫米）、长度为Ls（5～20毫米）的石英管6和固化胶7构成，将石英管6和左端的普通单模光纤5以二氧化碳激光器加热后固定，将石英管6和右端的普通单模光纤8涂上固化胶7固定。

[0024] 根据FP干涉理论，当

[0025] ，

[0026] 可以观测到干涉的极大值，其中L为石英管中光纤两个端面距离， 对应干涉极大值的波长。当施加基于石英管的光纤FP干涉传感头3上的液压发生改变的时候，对应干涉极大值的波长对应有一个波长漂移 ，其液压 和波长漂移 满足以下关系[0027]

[0028] 其中，

[0029]

[0030] 为一常数。因此，可以通过测量基于石英管的光纤FP干涉传感头3的干涉极大值波长的漂移来确定施加在光纤FP干涉传感头3上的液压。具体测量结果如图3所示。

[0031] 本发明利用了光纤的FP干涉技术和石英管固定技术构建了高灵敏度的液压传感头，实现了光纤液压传感的新技术方案。本发明具有不受电磁干扰、价格低廉、结构紧凑、制作工艺简单、高灵敏度等优点。