[发明专利]一种光纤FPI传感器、测量装置及测量方法

说明书

本发明涉及一种光纤FPI传感器、测量装置及测量方法。本发明提供的纤FPI传感器、测量装置及测量方法，通过采用包含有依次级联的引导单模光纤、传感光纤毛细管、传感单模光纤和尾部光纤毛细管的光纤FPI传感器，直接对hybrid Vernier effect进行解调，并采用包络拟合的方式进行单腔信息的还原，进而放大灵敏度。同时，利用灵敏度矩阵，可以有效的消除交叉敏感，实现多参数同时测量。此外，本发明提供的光纤FPI传感器仅由引导单模光纤、传感光纤毛细管、传感单模光纤和尾部光纤毛细管进行级联即可，具有结构简单、成本低廉的特点。

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别是涉及一种光纤FPI传感器、测量装置及测量方法。

背景技术

Vernier effect是一种有效的在原理上提高灵敏度的方法，是利用两个干涉频率略有不同的干涉仪相组合产生周期性包络，对灵敏度有数量级的提升(目前能做到15倍以上)。该方法具有操作方便、成本低、灵敏度提升明显的突出优势。现有的Vernier效应传感器是利用干涉结构相组合而成，比如级联型Fabry–Perot干涉仪(Fabry–Perotinterferometer，FPI)结构，平行FPI结构，两个马赫曾德干涉仪组合，两个Sagnac环组合或者上述几种干涉仪相组合。但是存在着以下几种缺点：

存在严重的交叉串扰，影响测量精度。在测量过程中，分离型Vernier效应传感器结构，一个置于稳定环境充当参考干涉仪提供稳定光谱，另一个干涉仪置于测量环境，导致将传感参量灵敏度放大的同时，把其交叉敏感项也放大，造成更大的交叉串扰。而级联型的结构两个干涉仪都置于测量环境，所以两个腔对包络的漂移均有影响，所以不仅存在着多个参量间的交叉敏感，还存在着腔与腔之间的交叉串扰。因此，现有的Vernier效应传感器存在着严重的交叉串扰问题，无法对环境中的多个参量进行准确测量。

此外，Vernier效应传感器还存在以下缺点：

制备困难、费时费力：Vernier效应传感器的灵敏度越高则需要两个干涉仪的干涉频率越接近，这造成两个干涉仪的制作精度就需要越高。获得高灵敏度的制备工艺困难，间接造成成本高。

灵敏度放大倍率不高：包络的自由光谱范围(FSR)越大，灵敏度放大倍率就越高。现有的Vernier效应传感器需要在光谱仪中出现具有完整的FSR的包络才能有效的对包络进行有效追踪，导致灵敏度受到光谱仪或者光源波长的范围限制，放大倍率普遍在20倍以下。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于HybridVerniereffect的兼具灵敏度放大与双参数同时测量功能的光纤FPI传感器、测量装置及测量方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种光纤FPI传感器，包括：单模光纤和光纤毛细管；

所述单模光纤包括：引导单模光纤和传感单模光纤；所述光纤毛细管包括：传感光纤毛细管和尾部光纤毛细管；

所述引导单模光纤、所述传感光纤毛细管、所述传感单模光纤和所述尾部光纤毛细管按照光传播方向依次级联；

所述引导单模光纤的外径、所述传感光纤毛细管的外径、所述传感单模光纤的外径和所述尾部光纤毛细管的外径均相等；

所述引导单模光纤的内径与所述传感单模光纤的内径相等；所述传感光纤毛细管的内径与所述尾部光纤毛细管的内径相等；所述引导单模光纤的内径和所述传感单模光纤的内径均小于所述传感光纤毛细管的内径和所述尾部光纤毛细管的内径；

所述单模光纤的腔体长度和所述单模光纤的折射率与所述光纤毛细管的的腔体长度和所述光纤毛细管的折射率满足公式L₂n₂＝i*L₁n₁+L；