一种提高光纤液压传感器灵敏度的复合双腔结构的制作方法

本发明涉及一种光纤复合型双腔结构，具体涉及一种非均匀法布里-珀罗谐振腔结构。

背景技术：

光纤传感是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。光纤传感器，具有耐腐蚀、抗电磁干扰、质量轻、器件小等特点，并在一些危险环境或是精细探测中，有重要应用。光纤传感的应用领域十分广泛，包括折射率传感、温度传感、应力传感等等。

压力传感的光纤传感器由于其在工业检测和环境检测中的重要应用，近年来受到了越来越多的关注，而各种类型的液压传感器，比如基于光纤布拉格光栅、光子晶体光纤等，也是层出不穷。

法布里-珀罗谐振腔(F-P腔)的结构十分简单易懂，其包括一个腔体和两个反射界面。光在两个反射界面的反射光相互干涉，可以通过测试干涉谱的峰值移动来对外界的环境变化做出探测。对于现有的基于F-P腔的光纤传感器，F-P腔主要设置在光纤头的位置，而其靠近探测信号的反射界面材质多种多样，包括二氧化硅薄膜、聚合物薄膜、金属薄膜等等，根据需探测信号的不同而变化，灵敏度也不尽相同。同时，也存在没有薄膜的F-P腔的液压传感器，比如把光纤和空芯玻璃管熔接，就可以得到一个空气泡类型的F-P腔，外界液体压力的变化会引起空气泡的伸缩，从而达到液压传感的目的。与薄膜型的F-P腔传感器相比，虽然此方法的传感灵敏度提升了一个数量级，但是它的结构仍需要优化，以进一步提高灵敏度。

技术实现要素：

本发明提供一种全新的F-P复合双腔结构，通过控制复合双腔两部分的半径比和长度比，来达到提高压力灵敏度的目的。

本发明采用的技术方案如下：

一种提高光纤液压传感器灵敏度的复合双腔结构，在光纤的一端同轴熔接两段空芯管，两段空芯管的半径不相同。

进一步地，所述空芯管采用玻璃管。

若要获得更高的液压灵敏度，与光纤端面相接的空芯管的半径和长度均小于与被测液体接触的空芯管的半径和长度。

本发明的复合双腔结构简单，易于制作，可操作强。与现有技术相比，本发明的复合双腔结构使得液压传感灵敏度得到了大大的提升。

附图说明

图1是本发明复合腔的结构示意图。

图2是在一定范围内，随着双腔半径比和腔长比的变化，相应的传感灵敏度的变化情况。

图3是应用环路器，对液压传感器灵敏度进行探测的系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，将普通光纤与两段不同的玻璃管熔接，形成一个非均匀的复合型法布里-珀罗谐振腔。反射界面1是空气-液体界面，反射界面2是光纤-空气界面。两个空芯腔的长度分别为L₁和L₂。当将该传感器放入液体中时，所形成的空气气泡会作为法布里-珀罗谐振腔。

本发明的原理如下：

F-P腔中的空气在一定压强范围内，可以看做理想气体，而满足理想气体状态方程：

PV＝nRT。

其中，P，V，T分别为气体压强、气体体积和温度。而对于复合腔结构，两段腔长分别设为L₁和L₂，腔的半径分别设为r₁和r₂，那么

由于外界的压力发生变化，从而导致空气气泡变化，进而所测得的干涉谱的峰会发生移动。而F-P腔干涉谱的峰值波长可以通过计算得出。其中，m为非负整数，为初始相位。将之与理想气体状态方程联立，可以得到其液压传感灵敏度的计算公式：

其中，

图3是本实施例液压灵敏度测试系统。核心器件是一个环路器，它外接光源、复合双腔结构的传感器和光谱仪。将复合双腔结构的传感器放置入液体中，随着液体压力的变化，会使F-P腔的腔长发生改变，从而使得光谱发生移动。通过光谱的移动量，来反推出外部液体压力的大小。

在一定的腔长比以及半径比范围内，设空芯腔1与液体相接触且长度与直径固定，那么空芯腔2腔长越小，直径越小，灵敏度越高。从图2中可以看出，在一定范围内，随着b与的增加，压力传感灵敏度是提升的，且提升幅度很大。当压强为100kPa，波长为1550nm时，如果第一个腔和第二个腔完全等同，即为单腔模式，那么压力灵敏度为-15.5nm/kPa。如果且即为复合双腔结构，那么此时的压力灵敏度为-1410.5nm/kPa，提升了近两个数量级。这说明本发明可以通过控制复合双腔的半径比和腔长比，来达到提高压力传感灵敏度的目的。