[发明专利]利用光纤法珀气体折射率和温度传感系统实现的测量方法

权利要求书

1.一种利用光纤法珀气体折射率和温度传感测量系统实现的测量方法，其特征在于，所述光纤法珀气体折射率和温度传感测量系统，包括SLD光源(16)、环形器(17)、光纤法珀气体折射率和温度传感器(18)、光谱仪(19)、计算机(20)、空气压力舱(21)、恒温箱(22)以及压力控制系统；其中，所述光纤法珀气体折射率和温度传感器(18)置于空气压力舱(21)内，所述空气压力舱(21)是密封的、且置于所述恒温箱(22)内；所述压力控制系统由压力控制仪(23)、真空泵(24)和空气压缩机(25)构成，所述压力控制系统和所述空气压力舱(21)之间、以及所述压力控制系统的各部件之间通过气管(26)连接；所述SLD光源(16)、所述光谱仪(19)通过环形器(17)与空气压力舱(21)连接；其中：

所述SLD光源(16)发出的光经过所述环形器(17)进入光纤法珀气体折射率和温度传感器(18)，传感器(18)三个反射面反射的光形成干涉，反射信号经过环形器(17)被光谱仪(19)接收，计算机(20)与光谱仪(19)连接，记录反射回的干涉光谱信号并进行计算处理；所述恒温箱(22)控制压力舱里的温度扫描变化；所述空气压力舱(21)中的压力通过压力控制系统控制压力的变化，使得舱内压力进行变化扫描；

所述光纤法珀气体折射率和温度传感器(18)，包括单模光纤(5)、光纤插芯(4)和传感头芯片，单模光纤(5)固定在光纤插芯(4)中，光纤插芯(4)与传感头芯片连接在一起，单模光纤(5)的端面与双面抛光单晶硅片(1)下表面紧贴，起到光传输作用；其中：

传感头芯片采用三层结构，第一层的双面抛光单晶硅片(1)、第二层的Pyrex玻璃片(2)和第三层的单面抛光单晶硅片(3)；

所述双面抛光单晶硅片(1)的下表面和上表面作为两个反射面即第一反射面(8)、第二反射面(9)，构成作为温度敏感元件的第一法珀腔FP₁，腔长为双面抛光单晶硅片(1)的厚度；

所述Pyrex玻璃片(2)中心设置圆形通孔(6)，使得光束直接穿过Pyrex玻璃片(2)，圆形通孔(6)侧面设置矩形通槽(7)，使得光束穿过圆形通孔(6)的中线；

所述双面抛光单晶硅片(1)的上表面和所述单面抛光单晶硅片(3)的下表面作为两个反射面即第二反射面(9)、第三反射面(10)，构成作为气体折射率敏感元件的第二法珀腔FP₂，腔长为Pyrex玻璃片(2)的厚度；

该测量方法包括以下步骤：

第一步，在常压下，进行传感器法珀腔FP₁温度标定试验：通过对恒温箱温度t进行扫描，采集每个温度下的干涉光谱信号，解调出对应第一法珀腔FP₁的第一干涉光程差Δ_FP1，对温度t和第一干涉光程差Δ_FP1进行线性拟合，得到拟合直线的公式Δ_FP1＝S_t·t+Δ_FP10，由此得到温度计算公式

t＝(Δ_FP1-Δ_FP10)/S_t (1)

其中，Δ_FP10表示拟合直线的截距，S_t表示拟合直线的斜率；

第二步，进行传感器法珀腔FP₂温度、折射率标定试验，利用压力变化引起的空气折射率变化进行标定：空气折射率n_gas与空气压力P关系的表达式为气体折射率与气体压强成线性关系变化；分别在温度t₁、t₂、t₃和t₄下，对空气压力舱内压力P进行扫描，采集每个测量点下的干涉光谱信号，解调出对应第二法珀腔FP₂的第二干涉光程差Δ_FP2，分别对每个温度下的压力P和光程差进行线性拟合，得到t₁、t₂、t₃和t₄下拟合直线的公式和

其中，和分别表示温度t₁、t₂、t₃和t₄下拟合直线的截距，分别表示温度t₁、t₂、t₃和t₄下拟合直线的斜率；

第三步，对第二步中得到的温度t₁、t₂、t₃和t₄下拟合直线的截距和与对应温度t₁、t₂、t₃和t₄进行线性拟合，得到拟合直线的公式为：

K_t＝S_tc·t+K₀ (2)

其中，K_t表示温度t时拟合直线的截距的标定值，K₀表示拟合直线的截距，S_tc表示拟合公式的斜率；

第四步，将传感器置于待测气体折射率、温度环境中，采集此时的干涉光谱信号，分别解调出第一法珀腔FP₁的第一干涉光程差Δ_FP1和第二法珀腔FP₂的第二干涉光程差Δ_FP2，将待测折射率表示为：

n_gas＝Δ_FP2/K_t (3)

根据公式(1)、(2)、(3)实现温度、气体折射率的同时测量，且实现了温度补偿。