一种基于光纤光栅的压力传感器及其应用的制作方法
【专利摘要】一种基于光纤光栅的压力传感器及其应用，属于光纤传感【技术领域】，支撑光纤和具有FBG-FP结构的光纤平行地夹持在两个金属板之间；两个金属板完全覆盖了具有FBG-FP结构的光纤中的两个光纤光栅作为反射面的法布里-珀罗结构段，具有FBG-FP结构的光纤的两端分别设置在两个金属板外侧；两个金属板相对的面分别为光滑的平面。本发明以具有FBG-FP结构的光纤作为测量元件，施加在金属板外的压力通过金属板传递到测量光纤上，而两个金属板外侧的具有FBG-FP结构的光纤的两端可以作为相应检测仪器的信号连接端口。将以上压力传感器用于测量上，可方便地分别测量到精准的用于共振腔激光器来产生双波长激光和微波信号。
【专利说明】一种基于光纤光栅的压力传感器及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤传感【技术领域】，具体涉及基于光纤光栅的压力传感器的结构技术。
【背景技术】
[0002]光纤传感技术是伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号(待测量)的新型传感技术。当这种外界信号为压力时，即构成光纤压力传感器。相比于传统的机电传感器，光纤传感器具有本质防爆、抗电磁干扰、性能稳定、耐腐蚀、重量轻等优点，适用于恶劣环境使用。
[0003]光纤布拉格光栅(FBG)作为一种新型的光纤无源器件，在光纤传感领域具有广阔的应用前景。除了具有普通光纤传感器的优点外，FBG传感器还能实现多点复用、分布式测量、自参考等优点，因此，已经广泛应用于石油化工、医学、核工业、土木工程、航空航天等多个领域。
[0004]目前，FBG压力传感方案通常基于以下原理:压力引入的双折射造成普通光纤中FBG反射峰分裂(分裂出的两个峰属于不同偏振模)，或者是保偏光纤中反射谱的偏振模光谱间隔发生变化，通过测量两个偏振模反射峰光谱间隔，得到压力大小。
[0005]然而，FBG的带宽与微小应力引入的反射峰的光谱间隔相比通常太宽，给压力传感的高分辨率测量带来一定障碍。目前已提出的实现高分辨率传感的方案主要有基于η相移光栅、长周期光栅以及可逆抽样光栅这几种，但是η相移光栅和可逆抽样光栅在加工上相对于普通光栅较为复杂，给这种传感器的大规模应用带来不便，长周期光栅对温度比较敏感，存在比较严重的串扰问题。
【发明内容】
[0006]鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提出能克服以上缺陷的一种基于普通FBG构成的法布里-珀罗腔(FBG-FP)的传感器。
[0007]本发明由两个金属板、一根支撑光纤和一根具有FBG-FP结构的光纤组成,所述支撑光纤和具有FBG-FP结构的光纤平行地夹持在两个金属板之间；所述具有FBG-FP结构的光纤为内设包括两个相同的光纤光栅的单模光纤，所述两个金属板完全覆盖了具有FBG-FP结构的光纤中的两个光纤光栅作为反射面的法布里-珀罗结构段，具有FBG-FP结构的光纤的两端分别设置在两个金属板外侧；两个金属板相对的面分别为光滑的平面。
[0008]本发明以具有FBG-FP结构的光纤作为测量元件，施加在金属板外的压力通过金属板传递到测量光纤上，而两个金属板外侧的具有FBG-FP结构的光纤的两端可以作为相应检测仪器的信号连接端口。本发明除了能实现高分辨率传感外，该方案还具有温度不敏感性，灵敏度及动态范围可选、易于加工的优点。
[0009]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
1.高分辨率:入射光被两端的FBG反射后在法布里-珀罗腔内发生多光束干涉，产生多个带宽远小于FBG反射带宽的透射峰谐振峰，从而解决单个FBG反射带宽过大而不能实现微小应力辨别的问题。
[0010]2.温度不敏感性:由于属于不同偏振模的两个透射峰具有相同的温度响应，其波长间隔不会受到温度影响，从而使本发明的温度传感器具有温度不敏感的优点。
[0011]3.灵敏度及动态范围可选:所测波长间隔对压力响应灵敏度会因为光纤放置角度不同而不同，因此可以根据需求通过改变光纤放置角度实现不同灵敏度和动态范围。
[0012]4.易于加工:法布里珀罗反射腔是由两个普通FBG构成，与普通FBG传感方案相t匕，不会带来额外加工难度。
[0013]本发明还提出将以上压力传感器用于测量上的应用:
将压力传感器中具有FBG-FP结构的光纤的两端分别连接在环行器的两个输入端，环行器的输出端连接偏振控制器的一端，偏振控制器的另一端通过纤芯中掺有Er和Yb的增益纤维连接在光纤光栅的一端，光纤光栅的另一端通过波分复用器与耦合器的输入连接，耦合器的一个输出端连接光谱议，耦合器的另一个输出端通过光电探测器与电频谱议连接。
[0014]通过以上连接，可方便地分别测量到精准的用于共振腔激光器来产生双波长激光和微波信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是为本发明基于光纤光栅的压力传感器的一种结构示意图。
[0016]图2为图1的左侧向示意图。
[0017]图3为本发明的压力传器器在有无横向压力下的透射传输谱。
[0018]图4为以横向压力为自变量，压力传器中FBG-FP透射的波长尖峰响应关系图。
[0019]图5为不同光纤放置角度下，以横向作用力为自变量，压力传器中FBG-FP的响应关系图。
[0020]图6为将压力传器器用于共振腔激光器来产生双波长激光和微波信号的连接示意图。
[0021]图7为双波长激光器激光输出光谱测量图。
[0022]图8为双波长激光器所产生的拍频的电频谱测量图。
[0023]图9为双波长激光器拍频与横向压力的变化关系图。
【具体实施方式】
[0024]一、本发明压力传感器的结构特征:
如图1所不，压力传感器由两个金属板1、一根支撑光纤2和一根具有FBG-FP结构的光纤3组成。支撑光纤2和具有FBG-FP结构的光纤3平行地夹持在两个金属板I之间；两个金属板I相对的面分别为光滑的平面。
[0025]如图2所示，具有FBG-FP结构的光纤3为内设包括两个相同的光纤光栅31的单模光纤，两个金属板I完全覆盖了具有FBG-FP结构的光纤3中的两个以光纤光栅31作为反射面的法布里-珀罗结构段，具有FBG-FP结构的光纤3的两端32和33分别设置在两个金属板I的外侧。
[0026]二、压力传感器的特性:
1、图3分别显示了本发明的压力传器器的透射传输谱。其中曲线I为具有横向压力下的传输谱，曲线2为无压力下的透射传输谱。
[0027]从图3中明显可见:透射传输谱中出现多个尖锐透射峰，且在具有横向压力作用下的传输谱尖峰数量是无压力情况下的两倍，这是由于横向压力在光纤中引入的双折射，每个传输峰都分裂为一对。
[0028]2、为以横向压力为自变量，压力传器中FBG-FP透射的波长尖峰响应关系图，如图4所示:当压力增加时，尖峰2几乎线性地向长波长方向漂移，而尖峰I几乎保持不变，从而导致当压力增加时，波长间隔呈线性变化。另外尖峰I的波长略微比无压力状态下的原始传输尖峰对应波长大一些。
[0029]图5显不了不同角度下，以横向作用力为自变量，压力传器中FBG-FP的响应关系。图5中曲线1、2、3、4分别代表了光纤放置角度旋转0°、90° 、180°和270°条件下侧量的，压力敏感度分别是48.9、44.6、74.1和91.8 pm/(N mm1)。
[0030]可见，不同光纤角度下的压力敏感度明显不同。通过选择光纤的不同放置角度，可以用一个FBG-FP实现不同的敏感度和测量动态范围。
[0031]三、应用:
利用光的拍频，压力传器可被应用于共振腔激光器来产生双波长激光和微波信号，并用于压力传感。
[0032]如图6所示，将压力传感器I中具有FBG-FP结构的光纤的两端分别连接在环行器2的两个输入端，环行器2的输出端连接偏振控制器3的一端，偏振控制器3的另一端连接一段Er和Yb共掺杂的增益光纤4，然后连接一个3db带宽为0.19nm的切趾光纤光栅5，光纤光栅5的另一端通过波分复用器6与10:90的稱合器7的输入连接,稱合器7的一个输出端连接光谱议8，耦合器的另一个输出端通过光电探测器9与电频谱议10连接。
[0033]切趾FBG被安装在光纤拉伸器上来调节中心波长，从而能够选择性地与受压FBG-FP的特定传输峰相匹配。激光器由一个980/1550波分复用器泵浦，波分复用器被熔接在谐振腔的一段从而减小谐振腔长度。激光输出被发射到一个10:90耦合器7中。10%的激光输出被光谱仪8监控，90%的输出光进入光探测器9，拍频信号通过电频谱仪10观察。
[0034]图7显示了横向压力为1.34N/mm时，激光器的出射谱，可以观察到属于不同偏振态的两个输出峰。
[0035]图8显示了这种情况下测得的电频谱，具有一个峰值，对应激光器的拍频。
[0036]图9显示了双波长激光器拍频随横向压力变化趋势，呈线性关系，相应压力敏感度为 5.95GHz/N/mm。
【权利要求】
1.一种基于光纤光栅的压力传感器，其特征在于:由两个金属板、一根支撑光纤和一根具有FBG-FP结构的光纤组成，所述支撑光纤和具有FBG-FP结构的光纤平行地夹持在两个金属板之间；所述具有FBG-FP结构的光纤为内设包括两个相同的光纤光栅的单模光纤，所述两个金属板完全覆盖了具有FBG-FP结构的光纤中的两个光纤光栅作为反射面的法布里-珀罗结构段，具有FBG-FP结构的光纤的两端分别设置在两个金属板外侧；两个金属板相对的面分别为光滑的平面。
2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的压力传感器的应用，其特征在于:将压力传感器中具有FBG-FP结构的光纤的两端分别连接在环行器的两个输入端，环行器的输出端连接偏振控制器的一端，偏振控制器的另一端通过纤芯中掺有Er和Yb的增益纤维连接在光纤光栅的一端，光纤光栅的另一端通过波分复用器与稱合器的输入连接，稱合器的一个输出端连接光谱议，耦合器的另一个输出端通过光电探测器与电频谱议连接。
【文档编号】G01L1/24GK104359598SQ201410533409
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】舒学文, 申方成 申请人:扬州市润特光电科技有限公司