[发明专利]一种基于游标效应和并联式F-P干涉仪的应变光纤传感器

说明书

本发明提供了一种基于游标效应和并联式F‑P干涉仪的应变光纤传感器，是一种使用飞秒激光在光纤纤芯内刻蚀并联平行反射镜的并联式法布里‑珀罗干涉仪，包括宽带光源，环形器，传感头，光谱分析仪。其特征在于：飞秒激光在单模光纤纤芯内刻蚀四条平行反射镜，组成两组互相平行、相互独立、不同尺寸且尺寸得到准确控制、分别位于纤芯内的上下两侧且存在一定间距的法布里‑珀罗腔。宽带光源的入射光在纤芯中传播进入传感头，分别经过传感头内的两组法布里‑珀罗腔产生干涉。再由环形器接收传感头内干涉腔的反射光，并传输至光谱分析仪，形成并联式法布里‑珀罗干涉仪。本发明具有制造简单、机械强度高、成本低、极高的应变灵敏度和极低的温度敏感度等优点。

技术领域

本发明提供了一种基于游标效应的超灵敏应变光纤传感器，是一种光纤内平行反射镜的并联式法布里-珀罗干涉仪，属于光纤传感技术领域。

背景技术

光纤应变传感器在土木工程，航空航天和国防工业等许多领域具有广泛的应用。光纤应变传感器的主要类型通常基于光纤布拉格光栅（FBG）和干涉仪。基于FBG的光纤应变传感器紧凑且制备方便。但是，获得的灵敏度却很低，通常约为1 pm/me。通过使用基于干涉仪的光纤传感器可以实现相对较大的应变灵敏度。在已探索用于应变传感的各种类型的光纤干涉仪中，法布里-珀罗干涉仪（FPI）具有高度紧凑和简单的反射模式。但是，所获得的应变敏感性仍然受到限制，通常也在pm/me的数量级上。为了进一步提高应变灵敏度，采用了两个级联的光纤线上FPI，并且两个级联的FP腔具有较小的光程差（OPD），因而可以通过游标效应提高灵敏度。大部分FPI设备，利用游标效应是由使用不同类型的两个腔，不同的光纤或光纤材料，这将使得设备的制造困难和比较高的成本使用。更重要的是比较精确的控制两个FP的光程差是很难做到的，这将导致放大系数的不稳定性和设备制造的低重复性。最近，飞秒激光在光纤内刻写的反射镜已经用在基于游标效应的高灵敏度应变传感器的构造上，并且由于采用了飞秒激光微加工系统的高精度移动平台，可以精确控制两个FPI之间的OPD。但是，由于必须将两个FPI分开较长的距离以避免任何相互干扰，因此设备的尺寸会变大，并且获得的应变灵敏度为28pm/me左右。

在这里，我们提出并演示了一种飞秒激光制造的具有超高灵敏度的紧凑型光纤应变传感器。该系统由两个并联连接的FP腔组成，这些腔级联连接，腔长度的差异得到精确控制。传感器头的尺寸小于7000μm，实现的应变灵敏度为235.14pm/me，实现了应用游标效应达到300倍的放大效果。这种设备坚固，操作方便，并且在需要极高应变敏感性的领域中发挥重要作用。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供一种基于游标效应和并联式F-P干涉仪的应变光纤传感器，本发明具有结构紧凑、制造简单、机械强度高和成本低等优点，可用于应变传感。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：一种基于游标效应和并联式F-P干涉仪的应变光纤传感器，是一种光纤内平行反射镜的并联式法布里-珀罗干涉仪，包括宽带光源，环形器，传感头，光谱分析仪。其特征在于：用飞秒激光在单模光纤纤芯内刻蚀四条平行反射镜，组成两组互相平行、相互独立、不同尺寸且尺寸得到准确控制、分别位于纤芯内的上下两侧且间距为1μm的法布里-珀罗腔。宽带光源的入射光在纤芯中传播进入传感头，分别经过传感头内的两组法布里-珀罗腔产生干涉。再由环形器接收来自传感头内干涉腔的反射光，并传输至光谱分析仪，形成并联式法布里-珀罗干涉仪。

所述的单模光纤的纤芯直径和光纤直径分别为9μm和125μm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、传感头对于应力具有极高的敏感性，实验结果达到了235.14pm/me。

2、传感头尺寸得到准确控制，可灵活设计调节传感灵敏度放大倍数。

3、选用价格低廉的普通单模光纤制备，具有成本低，制作简单的优点。

4、传感头为反射式结构，可以用于狭窄空间的传感测量。