[发明专利]一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器及其传感方法

权利要求书

1.一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，其特征在于，包括：宽带光源、隔离器、耦合器、偏振控制器、保偏光纤、空芯光纤和光谱仪；

空芯光纤的两端均与单模光纤熔接，形成光纤法布里珀罗干涉仪，光纤法布里珀罗干涉仪的一端连接偏振控制器后和耦合器的第三端口连接，光纤法布里珀罗干涉仪的另一端连接保偏光纤后和耦合器的第四端口连接，构成光纤塞格纳克环干涉仪；宽带光源连接隔离器后和耦合器的第一端口连接，光谱仪和耦合器的第二端口连接；

该应力传感器的传感方法，包括：

S1，宽带光源的光经过耦合器后被分为两路；

S2，第一路光经过偏振控制器后进入光纤法布里珀罗干涉仪，第一路光中的一部分光分别经空芯光纤的两个端面M1、M2反射后发生干涉，形成第一路法布里珀罗干涉信号；第二路光经过保偏光纤后进入光纤法布里珀罗干涉仪，第二路光中的一部分光分别经空芯光纤的两个端面M2、M1反射后发生干涉，形成第二路法布里珀罗干涉信号；第一路光中的另一部分光和第二路光中的另一部分光均透射过空芯光纤相向传输，后在耦合器发生干涉，形成塞格纳克环干涉信号；

S3，第一路法布里珀罗干涉信号、第二路法布里珀罗干涉信号和塞格纳克环干涉信号经耦合器第二端口输出至光谱仪；

S4，当光纤法布里珀罗干涉仪所受的应力变化时，光谱仪检测到的周期性的大包络的位置发生漂移，其中所述周期性的大包络由塞格纳克环干涉信号和任意一路的法布里珀罗干涉信号叠加形成；

S5，根据大包络的漂移量，计算出光纤法布里珀罗干涉仪所受的应力。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，其特征在于，保偏光纤的长度L₁为0.5-2m，空芯光纤的长度L₂为20-400um。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，其特征在于，塞格纳克环干涉信号光谱的自由光谱区FSR_FSI为：

FSR_FSI＝λ²/BL₁

其中，λ为宽带光源输出的光波长，B是保偏光纤的双折射系数，L₁是保偏光纤的长度；

法布里珀罗干涉信号光谱的自由光谱区FSR_FPI为：

其中，L₂是光纤法布里珀罗干涉仪的腔长，n是在光纤法布里珀罗干涉仪的腔中的有效折射率，法布里珀罗干涉信号光谱的自由光谱区FSR_FPI为第一路法布里珀罗干涉信号或者第二路法布里珀罗干涉信号光谱的自由光谱区。

4.根据权利要求3所述的高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，其特征在于，当塞格纳克环干涉信号光谱的第i级次的共振波长位置和法布里珀罗干涉信号光谱的第j级次的共振波长位置重合，且幅值相同时，在重合波长位置形成一个共同的共振波长极大值；当塞格纳克环干涉信号光谱的第i+m级次波长位置和法布里珀罗干涉信号光谱的第j+n级次波长位置幅值相反时，在重叠位置出现包络极小值下一次重合极大值位置又会在第i+o级次和j+p级次出现，以此循环，最终在叠加谱上形成周期性的大包络；

基于游标效应的叠加光谱的大包络的自由光谱区为：

当光纤法布里珀罗干涉仪结构受到应力作用时，光纤法布里珀罗干涉仪腔的长度随着应力增加而变化，光纤法布里珀罗干涉仪信号光谱发生变化，又因为塞格纳克环干涉信号光谱的位置不变，则法布里珀罗干涉信号光谱与塞格纳克环干涉信号光谱的叠加光谱的包络极大极小值的级次位置重新组合，包络的位置发生了漂移；

则包络波长漂移量相对于单个FPI的波长漂移放大的倍数为：

M为高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器的灵敏度。

5.根据权利要求3所述的高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，其特征在于，塞格纳克环干涉信号的光强为：

其中是保偏光纤中两束光的相位差；

塞格纳克环干涉信号的波谷满足：

其中，m是整数，λ_m1是塞格纳克环干涉信号的波谷对应的波长值。

6.根据权利要求3所述的高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，其特征在于，法布里珀罗干涉信号的光强为：

I_FP＝R₁+(1-α)²(1-R₁)²R₂²+2(1-α)(1-R₁)R₁R₂cos(2φ)

其中，为光在法布里珀罗干涉仪的谐振腔内传输导致的相位差，

法布里珀罗干涉信号的波谷满足：

其中，k是整数，λ_m2是法布里珀罗干涉信号的波谷对应的波长值。