專利名稱：一種用于應(yīng)變測(cè)量的白光干涉型光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)變光學(xué)測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，更具體的說(shuō)是一種用于應(yīng)變測(cè)量的白光干涉型光纖傳感器。
背景技術(shù)：
光纖傳感器是一種新型的傳感器。與傳統(tǒng)傳感器相比，它具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好、便于與光纖傳輸系統(tǒng)組成遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于其它光纖傳感器而言，法布里-帕羅腔光纖應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本較低，適合批量生產(chǎn)。因此在大型建筑結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料、宇航飛行器、軍工產(chǎn)品等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。其中非本征法布里-帕羅腔干涉型光纖應(yīng)變傳感器更是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。
光纖法布里-帕羅腔應(yīng)變傳感器可分為強(qiáng)度調(diào)制型和相位調(diào)制型，其中相位型傳感器通過對(duì)輸出信號(hào)光譜分析來(lái)計(jì)算應(yīng)變值。由于采用低相干光源的白光干涉儀，不僅可以對(duì)物理量絕對(duì)測(cè)量，而且傳感的動(dòng)態(tài)范圍大、分辨力高、不易受外界干擾等優(yōu)點(diǎn)而在實(shí)際工程中廣為應(yīng)用。但是，對(duì)于干涉型非本征法布里-帕羅腔干涉型光纖應(yīng)變傳感器的理論分析才剛剛起步，且僅局限于輸出強(qiáng)度與法布里-帕羅腔長(zhǎng)度的關(guān)系，不是真正意義上的相位型的理論模型，因此很難在開發(fā)出適用于理論分析的實(shí)際傳感器結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均與理論模型的計(jì)算結(jié)果有較大的出入。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種傳感器結(jié)構(gòu)，使其能夠適用光纖耦合與多光束干涉的原理，使得測(cè)量結(jié)果能夠與理論模型的分析結(jié)果相適應(yīng)。
本發(fā)明主要是通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的。
本發(fā)明公開了一種用于應(yīng)變測(cè)量的白光干涉型光纖傳感器，包括入射光纖、出射光纖和套管，入射光纖的一端和出射光纖的一端分別固定于套管的兩端，端部位于套管腔內(nèi)，端部之間留有距離為微米級(jí)別的間隙，并且在上述端部分別鍍上高反膜。由置于石英毛細(xì)管中的兩段切割好的光纖端面和中間的空氣隙組成諧振腔，光纖端面在垂直光纖光軸切割平整后，鍍上多層介質(zhì)的高反膜，相距約為幾十微米，與中間的空氣隙在石英管中形成非本征法布里-帕羅腔干涉腔。在光纖的端面鍍上光學(xué)介質(zhì)的高反膜，一方面提高了傳感器的靈敏度，另一方面使得本傳感器結(jié)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果能夠與理論模型的分析結(jié)構(gòu)相符合。本發(fā)明傳感器的套管采用石英材料制作，使得本傳感器具備對(duì)溫度的不敏感性，由于石英毛細(xì)管和光纖有相同的熱膨脹系數(shù)以及中間空氣隙的存在，因此本發(fā)明特別適用于進(jìn)行單一微位移或應(yīng)變量的測(cè)量。兩光纖在石英管中處于自由狀態(tài)，不受外力或應(yīng)變的作用。在石英管兩端，光纖和石英管膠粘合在一起。當(dāng)這種結(jié)構(gòu)用于應(yīng)變的測(cè)量時(shí)，石英毛細(xì)管兩端粘結(jié)點(diǎn)之間的距離為應(yīng)變型傳感器的標(biāo)距。傳感器的腔距在外力作用下將發(fā)生變化，通過測(cè)量腔距的改變量就能得到微位移。
本發(fā)明應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)中可以分為反射型和透射型兩種。光纖之間耦合的原因有多種，其中最為主要的有兩光纖之間的橫向偏移、光纖之間的軸向偏移和光纖端面成一定的夾角等幾種情況。在此傳感器的制作中，采用光纖切割刀對(duì)端面進(jìn)行了與軸線垂直的加工處理后，在光纖端面鍍上多層介質(zhì)的光學(xué)高反膜。再用內(nèi)徑略大于光纖外徑的石英毛細(xì)管套于兩段光纖之間。因此可以忽略了光纖軸向偏移和端面角度引起的耦合損耗，而主要考慮橫向偏移引起的耦合損耗。對(duì)于反射型非本征法布里-帕羅腔應(yīng)變傳感器，只要關(guān)心兩根光纖反射光的干涉，而不要關(guān)心透射光的情況；對(duì)于透射型非本征法布里-帕羅腔應(yīng)變傳感器，只要關(guān)心兩根光纖透射射光的干涉，而不要關(guān)心反射光的情況。對(duì)于反射型非本征法布里-帕羅腔應(yīng)變傳感器，其光纖端部鍍上的高反膜可以同為介質(zhì)膜，或者是入射光纖的一端鍍上的高反膜為介質(zhì)膜，出射光纖的一端鍍上高反膜為金屬膜兩種結(jié)構(gòu)。對(duì)于透射型非本征法布里-帕羅腔應(yīng)變傳感器，其光纖端部鍍上的高反膜必須同為介質(zhì)膜。所述介質(zhì)膜的材料為二氧化硅、二氧化鈦或?yàn)槿舾啥趸鑼雍投趸亴訕?gòu)成的復(fù)合介質(zhì)膜，也可以是物理性質(zhì)類似的材料。金屬膜的材料為金或其他具有高反性質(zhì)的金屬材料。
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和進(jìn)步1.本發(fā)明公開的傳感器結(jié)構(gòu)實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論分析結(jié)果相符合；2.可以適用于微米級(jí)別的應(yīng)變測(cè)量，因此在大型建筑結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料、宇航飛行器、軍工產(chǎn)品等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景；
3.適用于寬帶光源，克服了光強(qiáng)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響；4.采用和光纖有相同的熱膨脹系數(shù)的石英套管配合光纖中間的空氣隙，降低了傳感器對(duì)溫度的敏感性，使本發(fā)明具有更廣泛的應(yīng)用范圍；5.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且工藝難度低，降低了制作成本，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。


圖1為本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為測(cè)量中光纖耦合損耗示意圖；圖3為耦合損耗系數(shù)與距離變化關(guān)系數(shù)值模擬圖；圖4為光線在法布里-帕羅腔中反射的示意圖；圖5為傳感器輸出的光強(qiáng)和波長(zhǎng)關(guān)系；圖6為測(cè)量系統(tǒng)模塊圖；圖7為傳感器的反射光譜圖；圖8為理論數(shù)值模擬曲線和實(shí)際測(cè)量曲線的對(duì)比圖；圖9為傳感器測(cè)量時(shí)位于初始狀態(tài)的光譜圖；圖10為傳感器測(cè)量時(shí)位于變形狀態(tài)的光譜圖。
具體實(shí)施例方式
光纖應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳感器由入射光纖1、出射光纖2和石英毛細(xì)套管3構(gòu)成。光纖1，2的端部11，21分別鍍上高反膜12，22后，插入內(nèi)外直徑分別為126um、1.8mm，長(zhǎng)為20mm的石英毛細(xì)套管3中，兩光纖端部11，21相距約為幾十微米，與中間的間隙4在套管3中形成非本征法布里-帕羅腔干涉腔。兩光纖1，2在套管3中處于自由狀態(tài)，不受外力或應(yīng)變的作用。在套管3兩端，光纖1，2和套管3用膠4粘合在一起。S為非本征法布里-帕羅腔的腔距，兩粘結(jié)點(diǎn)之間的距離Lg為傳感器的標(biāo)距。非本征法布里-帕羅腔腔距S在外力作用下將發(fā)生相應(yīng)的微位移，通過測(cè)量腔距的改變量ΔS，將該傳感器用于應(yīng)變測(cè)量時(shí)，所受的應(yīng)變可用公式(1)計(jì)算ϵ=ΔSLg---(1)]]>其中，ΔS為腔距的變化量，Lg為傳感器的標(biāo)距。
光纖1，2之間耦合的原因有多種，其中最為主要的有兩光纖1，2之間的橫向偏移、光纖1，2之間的軸向偏移和光纖端面11，21之間成一定的夾角等幾種情況。在此傳感器的制作中，采用光纖切割刀對(duì)端面進(jìn)行了與軸線垂直的加工處理后，在光纖端面鍍上多層介質(zhì)的光學(xué)高反膜。再用內(nèi)徑為126um的石英毛細(xì)套管3套住外徑為125um裸光纖1，2。因此可以忽略光纖軸向偏移和端面角度引起的耦合損耗，而主要考慮橫向偏移引起的耦合損耗。
對(duì)于反射型非本征法布里-帕羅腔應(yīng)變傳感器，只要關(guān)心兩根光纖反射光的干涉，而不要關(guān)心透射光的情況。因此可以把反射光纖簡(jiǎn)化成一個(gè)鏡面來(lái)處理。如圖2所示，圖2中(a)為實(shí)際光線的傳播示意圖，把它作一個(gè)鏡面成像處理后如(b)所示，光從入射光纖傳播到反射鏡上，經(jīng)過反射以后又耦合到入射光纖中，可以等效成距離為2s光纖間的耦合。深色部分表示能耦合進(jìn)的能量，淺色部分表示損耗的能量。
在石英階躍型單模光纖中，傳播的基本模型可以用高斯光束的公式來(lái)表示為E(r,s)=E0ω0ω(s)exp(-r2ω2(s))---(2)]]>ω0=a(0.65+1.619V1.5+2.879V6)---(3)]]>ω(s)=ω01+(s/sR)2---(4)]]>SR＝πω02/λ (5)其中r為高斯光場(chǎng)傳播時(shí)柱坐標(biāo)的半徑，s為腔的距離，a為纖芯的半徑，V為光纖的歸一化頻率，ω0為光場(chǎng)在光纖中傳播的模場(chǎng)半徑，ω(s)為光場(chǎng)在空氣介質(zhì)中傳播的模場(chǎng)半徑，分別可以用公式(3，4，5)來(lái)表示。
L2(s)=∫0ω0(ω0ω(s))2exp(-2r2ω2(s))r·dr∫0∞(ω0ω(s))2exp(-2r2ω2(s))r·dr=1-exp[-2ω02ω2(s)]---(6)]]>將再次耦合進(jìn)入射光纖的能量與整個(gè)發(fā)出的能量的比值就可以得到損耗系數(shù)L(s)從式(6)可以看出損耗系數(shù)與腔的距離s相關(guān)。將得到的公式(6)進(jìn)行數(shù)值模擬得到如圖3所示的曲線，圖中橫坐標(biāo)為腔距，縱坐標(biāo)為損耗系數(shù)。從圖我們可以看出，當(dāng)距離s大于50um后，它的值幾乎不變，為了下面推導(dǎo)公式的簡(jiǎn)單計(jì)，我們假設(shè)它是一個(gè)恒定量L。
非本征法布里-帕羅腔型結(jié)構(gòu)的傳感器必須考慮到耦合能量的損耗，所以它實(shí)際上是一個(gè)有能量損耗的多光束干涉。如圖4所示，設(shè)光束從光纖進(jìn)入腔時(shí)的反射系數(shù)和透射系數(shù)分別為r和t，從腔中進(jìn)入光纖的反射系數(shù)和透射系數(shù)分別為r’和t’。進(jìn)入非本征法布里-帕羅腔的光場(chǎng)可以表示為E0eiωt，則經(jīng)過多次反射后的光場(chǎng)可依次表示為Er1＝E0reiωt(7)Er2＝E0tr′t′Lei(ωt-2ks)(8)Er3＝E0tr′3t′L2ei(ωt-4ks)(9)......
其中k為波數(shù)，且 k＝2π/λ，S為F-P腔的腔長(zhǎng)，ω為光波的頻率。
各光波疊加得到反射光波的電場(chǎng)矢量為Er＝Er1+Er2+Er3+...＝E0eiωt(r+r′tt′Le-2ikl+r′tt′r′2L2e-4iks+...) (10)其中r=-r′=R,tt′=T;R]]>和T分別為反射率和透射率，且T＝(1-R)。于是反射光場(chǎng)可以表示為Er=E0eiωtR0.5[1-(1-R)RΣn=1∞(RL)ne-i2nks]---(11)]]>它的共軛光場(chǎng)為Er*=E0e-iωtR0.5[1-(1-R)RΣn=1∞(RL)nei2nks]---(12)]]>利用入射光強(qiáng)與入射光場(chǎng)的關(guān)系Ii=E0eiωt·E0e-iωt=E02---(13)]]>可以得到反射光強(qiáng)Ir=Er·Er*=IiR[1-(1-R)RΣn=1∞(RL)ne-i2nks]·[1-(1-R)RΣn=1∞(RL)nei2nks]]]>
=IiR[1-(1-R)RΣn=1∞(RL)n(e-i2nks+ei2nks)+(1-R)2R2Σn=1∞(RL)nei2nks·Σn=1∞(RL)nei2nks]---(14)]]>利用共軛復(fù)數(shù)公式e-2nks+e2nks＝2cos(2nks)，式(14)可簡(jiǎn)化為Ir=IiR[1-(1-R)RΣn=1∞(RL)n·2cos(2nks)+(1-R)2R2Σn=1∞(RL)ne-i2nks·Σn=1∞(RL)nei2nks]---(15)]]>下面進(jìn)行式(15)中第三項(xiàng)化簡(jiǎn)Σn=1∞(RL)ne-i2nks·Σn=1∞(RL)nei2nks=]]>[(RL)e-i2ks+(RL)2e-i4ks+(RL)3e-i6ks+(RL)4e-i8ks+...]·[(RL)ei2ks+(RL)2ei4ks+(RL)3ei6ks+(RL)4ei8ks+...]]]>=(RL)2+(RL)3ei2ks+(RL)4ei4ks+(RL)5ei6ks+...]]>+(RL)3e-i2ks+(RL)4+(RL)5ei2ks+(RL)6ei4ks+...]]>+(RL)4e-i4ks+(RL)5e-i2ks+(RL)6+(RL)7ei2ks+...]]>+(RL)5e-i6ks+(RL)6ei4ks+(RL)7e-i2ks+(RL)8+...---16]]>將上面無(wú)窮多的項(xiàng)進(jìn)行歸類，并利用e-2nks+e2nks＝2cos(2nks)和等比數(shù)列(RL＜1)的求和公式有(RL)2+(RL)4+(RL)6+(RL)8+...=(RL)21-(RL)2]]>[(RL)3+(RL)5+(RL)7+(RL)9+...]·2cos(2ks)=(RL)31-(RL)2·2cos(2ks)]]>[(RL)4+(RL)6+(RL)8+(RL)10+...]·2cos(4ks)=(RL)41-(RL)2·2cos(4ks)]]>[(RL)5+(RL)7+(RL)9+(RL)11+...]·2cos(6ks)=(RL)51-(RL)2·2cos(6ks)---(17)]]>將式(17)代入式(16)化簡(jiǎn)得到Σn=1∞(RL)ne-i2nks·Σn=1∞(RL)nei2nks=]]>
=(RL)21-(RL)2+2·(RL)21-(RL)2·Σn=1∞(RL)ncos(2nks)---(18)]]>于是將式(18)代入式(15)中得到反射光強(qiáng)Ir=IiR{1-(1-R)RΣn=1∞(RL)n2cos(2nks)+(1-R)2R2[(RL)21-(RL)2+2·(RL)21-(RL)2·ΣN=1∞(RL)ncos(2nks)]}]]>=Ii[R(1-2RL2+L2)1-(RL)2-2(1-R-RL2+R2L2)1-(RL)2ΣN=1∞(RL)ncos(2nks)]---(19)]]>其中Σn=1∞(RL)ncos(2nks)=12[Σn=1∞(RL)nei2nks+Σn=1∞(RL)ne-i2nks]]]>=12[(RL)ei2ks1-(RL)ei2ks+(RL)e-i2ks1-(RL)e-i2ks]=-(RL)2+(RL)cos(2ks)1+(RL)2-2(RL)cos(2ks)---(20)]]>將式(20)代入式(19)得到Ir=Ii[R(1-2RL2+L2)1-(RL)2-2(1-R-RL2+R2L2)1-(RL)2·-(RL)2+(RL)cos(2ks)1+(RL)2-2(RL)cos(2ks)]]]>=IiR(1-2RL2+L2)·[1+(RL)2-2(RL)cos(2ks)]-2(1-R-RL2+R2L2)·[-(RL)2+(RL)cos(2ks)][1-(RL)2]·[1+(RL)2-2(RL)cos(2ks)]]]>=Ii·R·1+L2-2Lcos(2ks)1+(RL)2-2(RL)cos(2ks)---(21)]]>這就是我們利用光纖耦合中的損耗系數(shù)的多光束干涉得到非本征法布里-帕羅腔光纖應(yīng)變傳感器的理論公式。其中Ii為入射光的強(qiáng)度，R為光纖端面的反射率，L為光纖耦合的損耗系數(shù)，k為入射光波的波數(shù)，S為非本征法布里-帕羅腔的腔距。當(dāng)損耗系數(shù)L＝1，即沒有損耗時(shí)，式(21)與法布里-帕羅干涉的Airy公式是一致的。
為了克服光強(qiáng)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，我們采用白光的寬帶光源代替單色光源。這樣式(21)中的反射光強(qiáng)Ir就變成為波長(zhǎng)λ和腔長(zhǎng)S的雙參數(shù)函數(shù)Ir＝f(λ，s)。當(dāng)腔長(zhǎng)S一定時(shí)，反射光強(qiáng)I與波長(zhǎng)λ之間存在確定的光譜分布。當(dāng)腔長(zhǎng)S改變時(shí)，其光強(qiáng)與波長(zhǎng)的光譜分布也會(huì)發(fā)生變化。
在實(shí)際工程應(yīng)用中，常用發(fā)光二極管、超輻射發(fā)光二極管為光源。它們發(fā)出的光強(qiáng)中各波長(zhǎng)強(qiáng)度不同，其強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的分布為高斯分布。所以入射的白光光源可以表示為Ii(λ)=I0e-(λ-λp)2/Δλ2---(22)]]>其中λp為光源光譜的峰值波長(zhǎng)，Δλ為由光源光譜的帶寬決定的高斯函數(shù)的半寬度。將式(22)代入式(21)，得到非本征法布里-帕羅腔光纖應(yīng)變傳感器實(shí)際的輸出光強(qiáng)分布為Ir(λ,s)=R·1+L2-2Lcos(2ks)1+(RL)2-2(RL)cos(2ks)·I0e-(λ-λp)2/Δλ2---(23)]]>式(23)為考慮到實(shí)際光源后，最終得到的反射型理論模型公式。
以下分析透射型非本征法布里-帕羅腔應(yīng)變傳感器，設(shè)光從光纖進(jìn)入法布里-帕羅腔時(shí)，導(dǎo)引光纖端面的反射系數(shù)為r1，透射系數(shù)為t1，反射光纖端面的反射系數(shù)為r2，透射系數(shù)為t2，光波從法布里-帕羅腔腔進(jìn)入光纖時(shí)相應(yīng)的系數(shù)為r1′、t1′r2′、t2′。
假設(shè)F-P腔是的兩內(nèi)反射面的反射率相同，即r1＝r2，令r1＝r2＝r，r1′＝r2′＝r′，則算入高斯光束擴(kuò)散引起的損耗后，通過F-P腔的各透射光波的電場(chǎng)矢量分別為Et1＝E0tt′Lei(ωt-κs)Et2＝E0tt′r′r′L3ei(ωt-3κs)Et3＝E0tt′(r′r′)2L5ei(ωt-5κs)......
由各光波疊加得透射光波的電場(chǎng)矢量為Et＝Et1+Et2+Et3+......＝E0Ltt′ei(ωt-κs)(1+L2r′r′e-i2κs+L4(r′r′)2e-i4κs+......)(24)設(shè)r=-r′=R,tt′=T,R=1-T.]]>則透射光波的電場(chǎng)矢量變化式可表示為Et=E0TLei(ωt-κs)11-RL2e-i2κs---(25)]]>
透射光強(qiáng)為It=Et*Et*---(26)]]>It(λ,s)=(1-R)2L2(s)1+R2L4(s)-2RL2(s)cos(2κs)I0(λ)---(27)]]>由公式(27)可知，當(dāng)腔長(zhǎng)一定時(shí)系統(tǒng)輸出光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的分布近似于余弦分布。
將式(22)代入式(27)，得到非本征法布里-帕羅腔光纖應(yīng)變傳感器實(shí)際的輸出光強(qiáng)分布為It(λ,s)=(1-R)2L2(s)1+R2L4(s)-2RL2(s)cos(2κs)·I0e-(λ-λ0)2/Δλ2---(28)]]>式(28)為考慮到實(shí)際光源后，最終得到的透射型理論模型公式。
在此簡(jiǎn)述應(yīng)變測(cè)量的原理，圖5(a)和(b)為非本征法布里-帕羅腔分別在不同腔距時(shí)，傳感器輸出的光譜分布的數(shù)值模擬示意圖。根據(jù)光譜分布我們可以求出傳感器的腔距，進(jìn)而可以得到傳感器的位移量。由(23)、(28)式可知，當(dāng)相位滿足2ks＝(2m+1)π(m＝0，1，2，3...)時(shí)，反射光強(qiáng)達(dá)到極大值。于是我們可選取其中兩個(gè)光強(qiáng)極大處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λm和λm+q來(lái)處理信息(m和m+q分別為它們所對(duì)應(yīng)的干涉級(jí)次)，則λm、λm+q和腔距S1滿足如下4πs1λm=(2m+1)π---(29)]]>4πs1λm+q=(2(m+q)+1)π---(30)]]>則λm、λm+q和腔長(zhǎng)S1滿足如下關(guān)系s1=q2(λm+qλmλm+q-λm)---(31)]]>當(dāng)腔長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，光譜中峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)也將發(fā)生變化，我們可以得到另一對(duì)波長(zhǎng)數(shù)λm′和λm+q′。這樣可以得到變化后的腔長(zhǎng)S2s2=q′2(λm+q′λm′λm+q′-λm′)---(32)]]>
于是位移的變化量ΔS＝|S2-S1|(33)將式(33)代入式(1)就可以得到待測(cè)的應(yīng)變量。
這種測(cè)量方法是通過波長(zhǎng)而不是光強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的測(cè)量，所以它可以克服光源光強(qiáng)波動(dòng)對(duì)測(cè)量造成的影響。因此該非本征法布里-帕羅腔光纖傳感器有較高的測(cè)量精度和良好的穩(wěn)定性。
利用本發(fā)明所述的傳感器，按照?qǐng)D6搭建反射型實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，光源我們選用中心波長(zhǎng)為1310nm，帶寬為100nm的LED光源6，光譜分析儀9采用Anritsu公司的MS9710C型光譜儀。將制作好的本發(fā)明的傳感器8固定在一維調(diào)節(jié)平臺(tái)12上，調(diào)節(jié)平臺(tái)12采用Newport公司的ESP100型(其調(diào)節(jié)的精度為50nm)，通過計(jì)算機(jī)10控制調(diào)節(jié)平臺(tái)使傳感器的非本征法布里-帕羅腔發(fā)生相應(yīng)的微位移。寬帶光源6發(fā)出的光經(jīng)過2×2耦合器7后入射到本發(fā)明傳感器8，耦合器7的另一支插入折射率匹配液11中以消除端面反射，傳感器8的反射光再次經(jīng)過耦合器7而輸入到光譜分析儀9中，將得到的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)10中分析而得到應(yīng)變值。實(shí)驗(yàn)中傳感器安裝在高精度的一維調(diào)節(jié)平臺(tái)12上，這樣可以自由地改變腔長(zhǎng)，從而可以得到不同腔長(zhǎng)下的光譜圖，以達(dá)到檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性的目的，其典型光譜如圖7所示。
為了驗(yàn)證本發(fā)明設(shè)計(jì)與理論模型相符合，將計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到的比較曲線作到同一圖中，如圖8所示。圖中曲線1是傳感器腔長(zhǎng)為50um時(shí)實(shí)驗(yàn)得到的光譜圖，曲線2是腔長(zhǎng)為50um時(shí)用公式(23)在計(jì)算機(jī)模擬出的光譜圖。由圖可看出，兩條曲線吻合的比較好，特別是兩光譜曲線波峰和波谷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)數(shù)上，圖中數(shù)據(jù)顯示兩者在數(shù)值上的偏差只在1nm，而長(zhǎng)波上較大的偏差是由于光源在此波段的不平滑引起的。由此可以確定，所建立的理論模型是正確的。根據(jù)誤差理論，在測(cè)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)誤差。本傳感器的多峰值測(cè)量也是如此。處理這類誤差的方法就是考慮算術(shù)平均值以及算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。前者可以作為測(cè)量的結(jié)果，后者可以描述測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果的精度。根據(jù)式(31)(32)和誤差理論計(jì)算出的腔距與誤差值列于表1和2中。
表1光譜圖a計(jì)算出的腔距與誤差

表2光譜圖b計(jì)算出的腔距與誤差

當(dāng)置信概率設(shè)為0.9973時(shí)，算術(shù)平均值的極限誤差不超過標(biāo)準(zhǔn)偏差的三倍。于是我們可以得到圖9與圖10對(duì)應(yīng)的腔距分別為S1＝51.464±0.392um，S2＝77.773±1.431um。
由式(33)可以得到傳感器發(fā)生的微位移為ΔS＝26.309±1.823um。
從光譜儀中恰能測(cè)出兩個(gè)干涉峰到不能再準(zhǔn)確區(qū)分出相鄰兩干涉峰的位置止為我們這種傳感器的測(cè)量的范圍。通過實(shí)驗(yàn)我們得到的測(cè)量范圍在20um到300um之間。
從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看，本發(fā)明的測(cè)量精度能達(dá)到1um。同時(shí)在測(cè)量實(shí)驗(yàn)中得到的測(cè)量光譜在時(shí)間上有良好的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種用于應(yīng)變測(cè)量的白光干涉型光纖傳感器，包括入射光纖(1)、出射光纖(2)和套管(3)，入射光纖(1)的一端(11)和出射光纖(2)的一端(21)分別固定于套管(3)的兩端，端部(11，21)位于套管腔內(nèi)，端部(11，21)之間留有距離為微米級(jí)別的間隙(4)，其特征是在端部(11)，(21)分別鍍上高反膜(12)，(22)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖應(yīng)變傳感器，其特征是所述套管(3)為石英毛細(xì)管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖應(yīng)變傳感器，其特征是所述高反膜(12)，(22)為介質(zhì)膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖應(yīng)變傳感器，其特征是入射光纖(1)的一端(11)鍍上的高反膜(12)為介質(zhì)膜，出射光纖(2)的一端(21)鍍上高反膜(22)為金屬膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光纖應(yīng)變傳感器，其特征是所述的介質(zhì)膜的材料為二氧化硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光纖應(yīng)變傳感器，其特征是所述的介質(zhì)膜的材料為二氧化鈦。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光纖應(yīng)變傳感器，其特征是所述的介質(zhì)膜為若干二氧化硅層和二氧化鈦層構(gòu)成的復(fù)合介質(zhì)膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖應(yīng)變傳感器，其特征是所述的金屬膜的材料為金。
全文摘要
本發(fā)明涉及應(yīng)變光學(xué)測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，其目的在于提供一種傳感器結(jié)構(gòu)，使其能夠適用光纖耦合與多光束干涉的原理，使得測(cè)量結(jié)果能夠與理論模型的分析結(jié)果相適應(yīng)。結(jié)構(gòu)上包括入射光纖、出射光纖和套管，入射光纖的一端和出射光纖的一端分別固定于套管的兩端，端部位于套管腔內(nèi)，端部之間留有距離為微米級(jí)別的間隙，并且在上述端部分別鍍上高反膜。
文檔編號(hào)G01B11/16GK1614352SQ20041005256
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2004年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月7日
發(fā)明者江紹基, 曾斌, 汪河洲, 李寶軍 申請(qǐng)人:中山大學(xué)