一种基于光纤双腔游标效应增敏的气压传感器
阅读说明：本技术 一种基于光纤双腔游标效应增敏的气压传感器 (Air pressure sensor based on optical fiber double-cavity vernier effect sensitization ) 是由 张亮 张洪达 孙巍 柳贡强 关艳玲 迟敬元 付丽君 王晗 徐超 高颖 于 2020-12-03 设计创作，主要内容包括：一种基于光纤双腔游标效应增敏的气压传感器,它属于气压传感技术领域。本发明解决了现有的气压传感器对气压测量的灵敏度低的问题。本发明采用基于单模光纤、石英管和悬浮芯光纤制备的传感头,即基于双腔级联产生游标效应来提高环境气压检测灵敏度,而且本发明传感器具有结构相对简单,便于制备,不需要套管及胶固,结构稳定的特点。采用本发明的级联双腔的灵敏度为单个空气腔灵敏度的M/2,显著提高了气压检测的灵敏度。本发明可以应用于环境气压检测。(An air pressure sensor based on optical fiber double-cavity vernier effect sensitization belongs to the technical field of air pressure sensing. The invention solves the problem that the existing air pressure sensor has low sensitivity to air pressure measurement. The sensor head is prepared based on the single-mode optical fiber, the quartz tube and the suspension core optical fiber, namely, the vernier effect is generated based on the double-cavity cascade to improve the detection sensitivity of the environmental air pressure. The sensitivity of the cascade double-cavity is M/2 of the sensitivity of a single air cavity, so that the sensitivity of air pressure detection is obviously improved. The invention can be applied to environmental air pressure detection.)
技术领域
本发明属于气压传感技术领域，具体涉及一种基于光纤双腔游标效应增敏的气压传感器。
背景技术
气压传感器是将压力转换为信号输出的传感器。气压是生产过程和航天、国防工业中的重要过程参数，不仅需要对它进行快速动态测量，而且还要将测量结果作数字化显示和记录。因此气压传感器是极受重视和发展迅速的一种传感器。
但是现有的气压传感器存在着气压测量灵敏度低的问题，因此设计一种气压传感器来提高气压测量的灵敏度是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是为解决现有的气压传感器对气压测量的灵敏度低的问题，而提出了一种基于光纤双腔游标效应增敏的气压传感器。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种基于光纤双腔游标效应增敏的气压传感器，所述气压传感器包括宽带光源、光纤环形器、传感头和光谱仪，其中：
所述宽带光源用于发射光信号；且宽带光源发射的光信号经光纤环形器的第一连接端输入光纤环形器，经第一连接端输入的光信号再经光纤环形器的第二连接端输出到传感头；
经传感头反射回来的光信号再经过第二连接端输入回光纤环形器，输入回光纤环形器的光信号再经光纤环形器的第三连接端输出到光谱仪；
所述传感头包括单模光纤、石英管和悬浮芯光纤，单模光纤的一端与石英管的一端熔接，石英管的另一端与悬浮芯光纤的一端熔接；
进一步地，所述光谱仪根据接收到的干涉谱包络的平移量来检测气压的变化；
进一步地，所述单模光纤的外直径为125微米，单模光纤的纤芯直径8-10微米；
进一步地，所述石英管的外直径为125微米，石英管的内直径为70-100微米；
进一步地，所述悬浮芯光纤的外直径为125微米；
进一步地，所述悬浮芯光纤的内部包含有悬浮芯和气孔，悬浮芯位于悬浮芯光纤的中心位置，悬浮芯的直径8-10微米，气孔直径为30-50微米；
进一步地，所述石英管的长度为100-300微米，悬浮芯光纤的长度为石英管的1.4倍；
进一步地，所述光谱仪接收到的干涉谱包络的平移量为：
当环境气压改变时传感头内气体折射率发生变化，干涉谱包络随之移动，干涉谱包络的平移量ΔλEnvelope表示为：
其中，M为包络放大因子，Δλair为空气腔干涉谱平移量。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于光纤双腔游标效应增敏的气压传感器，本发明采用基于单模光纤、石英管和悬浮芯光纤制备的传感头，即基于双腔级联产生游标效应来提高环境气压检测灵敏度，而且本发明传感器具有结构相对简单，便于制备，不需要套管及胶固，结构稳定的特点。本发明使用悬浮芯光纤取代了光子晶体光纤，由于双孔光纤的气孔直径远大于光子晶体光纤，熔接过程不容易塌陷。
采用本发明的级联双腔的灵敏度为单个空气腔灵敏度的M/2，显著提高了气压检测的灵敏度。
附图说明
图1是本发明的基于光纤双腔游标效应增敏的气压传感器的示意图；
图2是传感头的示意图；
图3是单模光纤的示意图；
图4是石英管的示意图；
图5是悬浮芯光纤的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于光纤双腔游标效应增敏的气压传感器的工作原理如下：
当宽带光源发出的入射光经光纤环形器入射到单模光纤与无芯光纤的界面时，由于界面两边介质折射率的不同，其中一部分入射光发生反射，而另一部分入射光继续传播，再继续传播的这部分光传播的无芯光纤与悬浮芯光纤的界面时，其中一部分入射光发生反射，而其中另一部分光再继续传播，再继续传播的这部分光在传播到悬浮芯光纤顶端，且部分光反射。以上三束反射光相互间产生干涉，第一束反射光与第二束反射光的干涉为无芯光纤构成的空气腔干涉计内光束干涉，第二束和第三束光之间的干涉为无芯光纤构成的石英腔干涉计内光束干涉，第一束光和第三束光之间的干涉为空气腔和石英腔构成的复合腔内光束干涉。
悬浮芯光纤的悬浮芯位于中心位置，直径为8-10微米，部分悬浮芯暴露在气孔中，气孔直径为30-50微米。
由第一个反射面M1、第二反射面M2和第三个反射面M3反射回单模光纤的三束光的复振幅可分别表示为：
其中，Φ1＝(4πnairLair)/λ，Φ2＝(4πnsilicaLsilica)/λ，A＝E0R1/2，B＝E0(1-α)(1-R)R1/2，C＝E0(1-α)(1-R)2R1/2；R为空气和石英交界面处的反射率，其值约为3％；α为空气腔的损耗，对于该传感器其损耗大于90％。因此，复振幅A、B、C的关系为A>B>C；Lair和Lsilica分别为空气腔和石英腔的长度；nair和nsilica分别为空气腔和石英腔的折射率。
三束反射光在单模光纤内相互干涉，分别构成石英腔干涉谱(I1)、空气腔干涉谱(I2)和长腔干涉谱(I3)，即
该传感器的总干涉谱由以上三腔的干涉谱构成。由关系A>B>C，可知AB>AC>BC，即空气腔和长腔对干涉谱包络的形状起决定性作用，该结论可由仿真结果证明，石英腔干涉谱只会略微改变传感器干涉谱的峰值和谷值，而不改变峰值位置，因此该传感器干涉谱包络主要由空气腔和长腔干涉谱决定。
仅考虑空气腔和长腔情况，干涉谱包络的自由光谱范围为
FSRenvelope＝M·FSRair (3)
M为包络放大因子，FSRair为空气腔的自由光谱范围，FSRsilica为石英腔的自由光谱范围，FSR3为长腔的自由光谱范围。
在气压作用下，当气体折射率发生变化时，干涉谱包络随之移动，其移动量ΔλEnvelope可近似表示为
ΔλEnvelope＝M(Δλair-Δλhybrid) (5)
其中，Δλair和Δλhybrid分别为空气腔和长腔干涉谱平移量，可表示为
其中，β为常数，ΔP为气压变化量。
将公式(6)带入公式(5)并考虑到nairLair≈nsilicaLsilica得
公式(7)表明：当气压变化时，干涉谱包络的平移量为空气腔干涉谱平移量的M/2，即级联双腔灵敏度为单个空气腔灵敏度的M/2。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
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