[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

说明书

本发明公开了一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，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(FPI)，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(FSI)；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。本发明无需借助二氧化碳等昂贵的加工设备，制作工艺简单，更加易于推广,且实现了应力测量灵敏度的大幅度提升。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器及其传感方法。

背景技术

光纤法布里珀罗干涉仪(FPI)应力传感器由于其体积小巧，性能稳定，抗干扰能力强等特点，被广泛运用于航天结构监测，建筑结构健康监测等领域。尤其是在高电压、强电磁场、易燃易爆、高温环境等恶劣环境中具有较好的应用优势。线型光纤FPI应力传感器的灵敏度性能与石英光纤的弹光系数有关，弹光系数表示光纤中由于应力扰动所引起的光纤有效折射率的变化量。石英光纤的弹光系数约为-4.2×10^-12/pa。受此影响，在线型FPI应力传感器灵敏度性能一般在1～5pm/με的量级，这在一些需要高精度测量的场合使用受限，行业内亟需一种高灵敏度的光纤应力传感器。

为了实现高灵敏度的光纤应力传感器，Duan等人通过电弧放电手段将两段单模光纤的端面制作成内凹陷型，然后将这两段光纤熔接到一起，通过中间形成的空气腔的作用，整个结构可以看成一个FPI，实现了4pm/με的灵敏度。然而这种方法需要极为精确的操控技术，并且实现的灵敏度也不高。Zhou K等人通过二氧化碳激光器雕刻加工，并通过改进的电弧放电法提出一种空气泡柱型FPI，得到的最大FPI灵敏度为56.69pm/με，这种方法虽然得到了较高的灵敏度，但是由于需要二氧化碳等激光加工设备，设备昂贵，工艺复杂，不利于推广。

综上所述，行业内急需研发一种结构简洁，制作简便且灵敏度高的光纤传感器。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器及其传感方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种高灵敏度光纤法布里珀罗应力传感器，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(FPI)，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(FSI)；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。

优选地，保偏光纤的长度L₁为0.5-2m，空芯光纤的长度L₂为20-400um。

一种高灵敏度光纤法布里珀罗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；