基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器的制作方法

本发明涉及光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器。

背景技术：

气压是工业生产过程、管道内部、环境监测等试验中的重要参量，目前采用的技术主要是mems技术，但是由于光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰，测量精度高以及便于实现分布式传感器等优点，因此将光纤传感器技术应用到气压测量成为一个研究方向。其中膜片式气压传感器是人们研究的一个主要方向，其中膜片材料的选用分别有石英(lius,wangy,liaoc,etal.nanosilicadiaphragmin-fibercavityforgaspressuremeasurement.[j].scientificreports,2017,7(1).)、石墨烯(maj,jinw,hohl,etal.high-sensitivityfiber-tippressuresensorwithgraphenediaphragm[j].opticsletters,2012,37(13):2493-2495.)、pvc(zhangz,liaoc,tangj,etal.high-sensitivitygas-pressuresensorbasedonfiber-tippvcdiaphragmfabry–pérotinterferometer[j].journaloflightwavetechnology,2017,35(18):4067-4071.)、镀银(xuf,rend,shix,etal.high-sensitivityfabry-perotinterferometricpressuresensorbasedonananothicksilverdiaphragm[j].opticsletters,2012,37(2):133-5.)等等，可是这些技术制造过程比较繁琐，工艺要求高并且可控性差。另外一个研究方向就是基于开腔式气压传感器(ranz,lius,liuq,etal.novelhigh-temperaturefiber-opticpressuresensorbasedonetchedpcff-pinterferometermicromachinedbya157-nmlaser[j].ieeesensorsjournal,2015,15(7):3955-3958.)，利用气压变化导致法布里-珀罗腔内气体折射率的变化，从而使传感器的波长发生变化。可是这种单纯的开腔式气压传感器灵敏度较低，很难对小于0.1mpa的气压进行测量，适用范围大大减小。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器，提供多种不同的传感器灵敏度放大系数，适用于不同压力的测量，扩大了传感器的使用量程。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器，包括毛细玻璃管、入射光纤和反射光纤，入射光纤和反射光纤依次间隔分布于毛细玻璃管内，毛细玻璃管的侧壁上设有开口，入射光纤和反射光纤分布于开口的两侧。

按照上述技术方案，入射光纤和反射光纤分别固定于毛细玻璃管的两端。

按照上述技术方案，反射光纤的外端面连接有空心光纤，空心光纤的一端套设于毛细玻璃管内，空心光纤与毛细玻璃管熔接，反射光纤通过空心光纤固定于毛细玻璃管内。

按照上述技术方案，入射光纤与毛细玻璃管熔接，反射光纤与空心光纤熔接。

按照上述技术方案，反射光纤的两端均套设于毛细玻璃管内。

按照上述技术方案，反射光纤的两端面和入射光纤的内端面均平整。

按照上述技术方案，入射光纤固定前，通过移动入射光纤，从而改变入射光纤与反射光纤端面的距离，使其产生游标效应，将入射光纤调节到指定位置后，将入射光纤熔接到毛细玻璃管中。

按照上述技术方案，所述的基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器的灵敏度放大倍数为：

公式(1)中，fsr1是反射光纤两个端面形成的自由光谱范围，fsr2为入射光纤端面与反射光纤相距最近的端面形成的自由光谱范围。

按照上述技术方案，所述的基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器的灵敏度放大倍数为：

公式(2)中，n1为反射光纤的有效折射率，l1为反射光纤的长度，n2为入射光纤与反射光纤相距最近的端面之间的有效折射率，l2为入射光纤与反射光纤相距最近的端面之间的距离。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过入射光纤和反射光纤依次间隔分布于毛细玻璃管内，结合毛细玻璃管上的开口形成开腔的气压传感器，入射光纤的内端面和反射光纤的两个端面构成三个反射端面。通过移动入射光纤调节移动入射光纤到反射光纤端面的距离，形成游标效应，调节传感器灵敏度的放大系数，提供多种不同的传感器灵敏度放大系数，适用于不同压力的测量，扩大了传感器的使用量程。

附图说明

图1是本发明实施例中基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例中灵敏度放大倍数为15时基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器的干涉光谱图；

图3是本发明实施例中灵敏度放大倍数为20时基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器的干涉光谱图；

图4是本发明实施例中灵敏度放大倍数为27时基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器的干涉光谱图；

图5是本发明实施例中灵敏度放大倍数为33时基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器的干涉光谱图；

图6是本发明实施例中不同灵敏度放大倍数时基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器的波长漂移图；

图中，1-毛细玻璃管，2-开口，3-入射光纤，4-反射光纤，5-空心光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图6所示，本发明提供的一个实施例中的基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器，包括毛细玻璃管1、入射光纤3和反射光纤4，入射光纤3和反射光纤4依次间隔分布于毛细玻璃管1内，毛细玻璃管1的侧壁上设有开口2，入射光纤3和反射光纤4分布于开口2的两侧。

进一步地，入射光纤3和反射光纤4分别固定于毛细玻璃管1的两端。

进一步地，反射光纤4的外端面连接有空心光纤5，空心光纤5的一端套设于毛细玻璃管1内，反射光纤4不与毛细玻璃管1熔接，空心光纤5与毛细玻璃管1熔接，反射光纤4通过空心光纤5固定于毛细玻璃管1内。

进一步地，入射光纤3与毛细玻璃管1熔接，反射光纤4与空心光纤5熔接。

进一步地，反射光纤4的制作固定过程是：先将一段反射光纤4一端切平，之后和包括但是不限于的空心光纤5熔接在一起，使反射光纤4与空心光纤5熔接处具有一个平整的端面，然后将与空心光纤5熔接在一起的反射光纤4切割到一定长度，保持端面平整；最后将处理过的反射光纤4插入到毛细玻璃管1里，与毛细玻璃管1的侧面开口2位置有一定距离时将空心光纤5与毛细玻璃管1熔接到一起。

进一步地，反射光纤4的两端均套设于毛细玻璃管1内。

进一步地，毛细玻璃管1的内径为126um，光纤直径为125um，光纤可插入到毛细玻璃管1中，侧面开口2为长方形，方便气体进出，侧面开口2的宽度为60um，长度为100um。

进一步地，反射光纤4的两端面和入射光纤3的内端面均平整；入射光纤3为整个传感器的信号发送和接收端。

进一步地，入射光纤3固定前，通过移动入射光纤3，从而改变入射光纤3与反射光纤4端面的距离，使其产生游标效应，将入射光纤3调节到指定位置后，将入射光纤3熔接到毛细玻璃管1中。

进一步地，反射光纤4的两端面之间的距离为320um～380um，最优实施例中反射光纤4的两端面之间的距离为350um。

进一步地，所述的基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器的灵敏度放大倍数为：

公式(1)中，fsr1是反射光纤4两个端面形成的自由光谱范围，fsr2为入射光纤3端面与反射光纤4相距最近的端面形成的自由光谱范围。

进一步地，所述的基于游标效应的可控灵敏度光纤法布里-珀罗气压传感器的灵敏度放大倍数为：

公式(2)中，n1为反射光纤4的有效折射率，l1为反射光纤4的长度，n2为入射光纤3与反射光纤4相距最近的端面之间的有效折射率，l2为入射光纤3与反射光纤4相距最近的端面之间的距离。

进一步地，因此可以根据反射光纤4的长度和入射光纤3与反射光纤4相距最近的端面之间的距离来控制灵敏度的放大倍数(灵敏度的放大倍数即灵敏度的放大系数)，实现不同气压的测量。

进一步地，自由光谱范围的计算公式为：

公式(3)中，λ为光源波长，n为有效折射率，l为法布里-珀罗腔长；将公式(3)代入公式(1)中，可得到公式(2)。

进一步地，本发明的气压传感器为非本征型的法布里-珀罗干涉仪是由两光纤端面严格平行、同轴，密封在一个特种管道内而成，谐振腔介质多为空气，制造工艺灵活方便，目前本发明的气压传感器最小的测量压力为0.02mpa，最大灵敏度为86nm/mpa。

本发明的工作原理：

通过将特定长度、端面平整的光纤熔接到毛细玻璃管1中，另一端再插入一根端面平整的导入光纤作为光信号的接受和发射端，构成了由三个反射面组成的具有三个法布里-珀罗干涉腔的光纤法布里-珀罗气压传感器。当气压变化时，毛细玻璃管1中的气体有效折射率变化导致传感器光谱波长发生相应变化。本发明通过改变导入光纤与毛细玻璃管1另一端的光纤端面的距离，从而方便地诱导产生游标效应，提高传感器灵敏度的放大系数达到几十倍，这样传感器可以适用于不同压力的测量，扩大了传感器的使用量程，具有广阔的应用前景，通过软件拟合得到光谱的包络曲线，观察包络曲线对应波长的变化，从而测量出气压的变化，从理论上讲，两个自由光谱范围fsr1和fsr2之间的差值越小，灵敏度的方大倍数越大。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。