本發(fā)明涉及的是一種基于復(fù)合法珀腔結(jié)構(gòu)的法珀腔長與折射率計算方法，涉及光纖傳感
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：光纖傳感器具有安全、不受電磁干擾、便于聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)距離遙測、適于惡劣環(huán)境等一系列優(yōu)點，已逐漸成為新一代傳感器的主流發(fā)展方向之一。基于光纖法珀(FP)腔的傳感器對溫度交叉敏感性很小，傳感器對光學(xué)信號干擾小，能夠提供很高的分辨率，光纖法珀腔傳感器逐漸應(yīng)用到了應(yīng)力、溫度、化合物、超聲波、以及壓力等領(lǐng)域的傳感測量。在光纖法珀腔傳感器應(yīng)用中，對傳感器的解調(diào)是其關(guān)鍵技術(shù)。光纖法珀腔傳感器的腔長受被測量的影響發(fā)生改變，進(jìn)一步影響輸出光信號。被測量、法珀腔腔長和光信號之間具有一定的對應(yīng)關(guān)系。解調(diào)的過程相當(dāng)于傳感的逆過程，比如通過采集光信號改變量來求出腔長的變化量，進(jìn)而得到相應(yīng)被測信息。當(dāng)輸入光波長恒定時，由于被測量變化引起法珀腔腔長的變化，從而改變了兩束相干光的光程差，進(jìn)而使得法珀腔傳感器輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。因此通過測量干涉儀輸出光強(qiáng)的變化值就可以得到被測量的變化，這種方法即為強(qiáng)度解調(diào)。目前強(qiáng)度解調(diào)存在的不足是：為使法珀腔工作在反射光干涉譜斜率最大處，需要保證腔長和波長匹配，這在法珀腔制作的時候存在一定難度。同時該方法還易受到外界環(huán)境和光源光強(qiáng)波動的干擾。相位解調(diào)是通過探測光纖法珀腔輸出干涉信號的相位變化來實現(xiàn)對法珀腔長信號的解調(diào)。由于光譜分布是多個單波長信息的組合，其信息量遠(yuǎn)大于單波長條件下的光強(qiáng)輸出信息量。當(dāng)光學(xué)材料制作完成時，由于其內(nèi)部的密度、濃度、溫度以及應(yīng)力等物理量的不均勻性，導(dǎo)致其折射率發(fā)生變化。因此，實現(xiàn)對光學(xué)材料折射率的精確測量具有重要意義。目前常用的晶體折射率測量方法包括V型棱鏡法、最小偏向角法、掠入射法，但是這些方法在測量過程中，都要把材料加工成一定的形狀，所以相當(dāng)費時，且測量工作繁重。技術(shù)實現(xiàn)要素：為解決上述技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種方便、高效的基于光纖復(fù)合法珀腔結(jié)構(gòu)的法珀腔長與折射率計算方法。一種光纖復(fù)合法珀腔傳感器，包括單模光纖、毛細(xì)玻璃套管、高折射膜片和高反射膜；其中毛細(xì)玻璃套管內(nèi)部的空氣腔為第一法珀腔；高折射膜片的左端面為拋光面，右端面為鍍膜面；拋光面和鍍膜面之間形成第二法珀腔；構(gòu)成上述第一法珀腔的兩個界面分別是：單模光纖的端面和第一法珀腔內(nèi)空氣組成的界面以及第一法珀腔內(nèi)的空氣和高折射膜片的拋光面組成的界面；構(gòu)成上述第二法珀腔的兩個界面分別是：第一法珀腔內(nèi)空氣和高折射膜片的拋光面組成的界面以及高折射膜片的鍍膜面和高反射膜組成的界面；上述第一法珀腔的折射率n1小于第二法珀腔的折射率n2；n1即為空氣折射率，n2即為高折射膜片的折射率；上述高折射膜片的寬度D大于單模光纖的直徑R；上述第一法珀腔的腔長L1即為單模光纖的端面與高折射膜片的拋光面之間的距離，第二法珀腔的腔長L2即為高折射膜片的厚度，且它們之間滿足關(guān)系式L1/L2＝n2/n1。上述光纖復(fù)合法珀腔傳感器的優(yōu)點在于：一方面，高折射膜片的寬度大于單模光纖的直徑，這樣既方便高折射膜片的制作加工，也可以使光波信號最大限度返回到單模光纖中，減少光損。另一方面，當(dāng)測量腔長時，高折射膜片采用石英膜片，其與單模光纖的熱膨脹系數(shù)接近，因此能夠較好地解決傳感器的溫度效應(yīng)。而且經(jīng)過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)L1/L2＝n2/n1時，光纖復(fù)合法珀腔傳感器的反射譜才會出現(xiàn)高低峰相間且高峰和低峰的幅值分別相等。利用上述光纖復(fù)合法珀腔傳感器構(gòu)成的光纖復(fù)合法珀腔傳感系統(tǒng)，包括可調(diào)諧激光光源、光環(huán)行器、所述光纖復(fù)合法珀腔傳感器、光電探測器、高速數(shù)據(jù)采集卡以及計算機(jī)；上述光環(huán)行器為典型的3端口光環(huán)行器，光在環(huán)行器中只沿單方向環(huán)行，信號沿端口1→端口2→端口3方向傳播，反方向是隔離的；其中端口1與可調(diào)諧激光光源相連，端口2與光纖復(fù)合法珀腔傳感器相連，端口3與光電探測器相連。這種光纖復(fù)合法珀腔傳感系統(tǒng)的優(yōu)點在于：采用可調(diào)諧光源、光電探測器以及高速數(shù)據(jù)采集卡集成模式代替寬帶光源加光譜儀的傳統(tǒng)測量模式，可將數(shù)據(jù)采集卡所測數(shù)據(jù)等效為反射光譜，這有助于提高系統(tǒng)采樣率和光譜波長分辨率。上述光纖復(fù)合法珀腔傳感系統(tǒng)的使用過程中第一法珀腔變形后腔長測量方法，包括以下步驟：不同波長的光從上述可調(diào)諧激光光源掃描發(fā)出進(jìn)入到光環(huán)行器的端口1；從端口2出射后進(jìn)入光纖復(fù)合法珀腔傳感器；復(fù)合法珀腔的反射光經(jīng)由端口3進(jìn)入到光電探測器中；光電探測器將探測到的不同波長的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換相應(yīng)電壓信號；最后將電壓信號由高速數(shù)據(jù)采集卡采集并通過USB傳輸線傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，再借助Labview軟件對采集到的信號進(jìn)行取相反數(shù)操作；由于上述可調(diào)諧激光光源發(fā)出的光波長隨時間連續(xù)變化，所以光電探測器接收到的光強(qiáng)信號是不同波長的光經(jīng)光纖復(fù)合法珀腔傳感器反射形成的光強(qiáng)信號，高速數(shù)據(jù)采集卡所采集信號是由光纖復(fù)合法珀腔傳感器反射回來的光譜信號轉(zhuǎn)換而成的電信號；通過以下兩種方法之一，確定變形后第一法珀腔的腔長：方法一、該光纖復(fù)合法珀腔的反射譜呈現(xiàn)出高低峰相間的現(xiàn)象，在可調(diào)諧激光光源所選的同一波段內(nèi)，記錄每組高峰內(nèi)的兩個相鄰高峰之間的距離；其中距離最窄的為第一組高峰，依此找出整個反射譜中第一個高峰，讀出其對應(yīng)的波長；反射譜中第一個高峰對應(yīng)的波長與第一法珀腔的腔長呈對應(yīng)關(guān)系；記錄不同第一法珀腔腔長下的第一個高峰對應(yīng)的波長，得到關(guān)系曲線；之后，通過反射譜中第一個高峰對應(yīng)的波長，參照關(guān)系曲線，就可以直接得出第一法珀腔的腔長；方法二、該光纖復(fù)合法珀腔的反射譜呈現(xiàn)出高低峰相間的現(xiàn)象，在可調(diào)諧激光光源所選的同一波段內(nèi)，光纖復(fù)合法珀腔反射譜的高峰個數(shù)與第一法珀腔的腔長呈對應(yīng)關(guān)系；記錄不同第一法珀腔腔長下的反射光譜中高峰個數(shù)；之后，通過反射光譜中高峰的個數(shù)，就可以得到對應(yīng)的第一法珀腔腔長。這種復(fù)合法珀腔腔長直接測量方法的優(yōu)點在于：通過標(biāo)定的方法確定第一法珀腔的腔長，在標(biāo)定之后，只需要讀出反射譜中第一個高峰對應(yīng)的波長或者反射峰的個數(shù)就可以直接得到第一法珀腔腔長，無需代入公式，具有方便快捷等特點。上述光纖復(fù)合法珀腔傳感系統(tǒng)及其原理還可用于高折射膜片折射率的測量，其方法包括以下步驟：先測出高折射膜片的厚度L2，將復(fù)合法珀腔置于微調(diào)整架上。通過微調(diào)整架調(diào)整第一法珀腔的腔長L1，同時觀察復(fù)合法珀腔的反射譜。當(dāng)反射譜中出現(xiàn)高低峰相間且高峰和低峰的幅值分別相等時，L1，L2，空氣折射率n1以及高折射膜片的折射率n2之間滿足關(guān)系：L1/L2＝n2/n1；由此，高折射膜片的折射率可以根據(jù)下式計算而得：n2=n1·L1L2]]>這種高折射膜片的折射率直接測量方法的優(yōu)點在于：材料加工過程簡單，只需要根據(jù)相關(guān)反射譜特征，便可以得到材料的折射率。這種方法方便快捷，且工作量較小。附圖說明圖1光纖復(fù)合法珀腔傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2光纖復(fù)合法珀腔傳感器示意圖；圖3典型復(fù)合法珀腔反射譜；圖4L1，L2，n1以及n2之間滿足特定關(guān)系時的復(fù)合法珀腔反射譜；圖5本發(fā)明的第一法珀腔變形后的反射譜；圖中標(biāo)號名稱：1.可調(diào)諧激光光源，2.光環(huán)行器，3.光纖復(fù)合法珀腔傳感器，4.光電探測器，5.高速數(shù)據(jù)采集卡，6.單模光纖，7.毛細(xì)玻璃套管，8.第一法珀腔，9.高折射膜片，10.第二法珀腔，11.高反射膜，12.計算機(jī)。具體實施方式參照圖1和圖2，光纖復(fù)合法珀腔傳感系統(tǒng)包括：可調(diào)諧激光光源1、光環(huán)行器2、光纖復(fù)合法珀腔傳感器3、光電探測器4、高速數(shù)據(jù)采集卡5以及計算機(jī)12。光纖復(fù)合法珀腔傳感器3的組成包括單模光纖6、毛細(xì)玻璃套管7、高折射膜片9以及高反射膜11。其中高折射膜片9的左端面為拋光面，右端面為鍍膜面，拋光面和鍍膜面之間形成第二法珀腔10；毛細(xì)玻璃套管內(nèi)部的空氣腔為第一法珀腔8。其中單模光纖6采用焊接工藝固定在支撐結(jié)構(gòu)上，而不能用膠水固定。構(gòu)成復(fù)合法珀腔的三個反射界面分別是：單模光纖6的端面和空氣組成的界面、空氣和高折射膜片9的拋光面組成的界面以及高折射膜片9的鍍膜面和高反射膜11組成的界面。不同波長的光從上述可調(diào)諧激光光源1掃描發(fā)出進(jìn)入到光環(huán)行器2的端口1；從端口2出射后進(jìn)入光纖復(fù)合法珀腔傳感器3；復(fù)合法珀腔3的反射光經(jīng)由端口3進(jìn)入到光電探測器4中；光電探測器4將探測到的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換電壓信號；最后電壓信號由數(shù)據(jù)采集卡5采集并傳輸給計算機(jī)12，并用Labview軟件對采集到的信號進(jìn)行取相反數(shù)操作。由于上述可調(diào)諧激光光源1發(fā)出光的波長隨時間連續(xù)變化，所以光電探測器4接收到的光強(qiáng)信號是不同波長的光經(jīng)光纖復(fù)合法珀腔傳感器3反射形成的光強(qiáng)信號，高速數(shù)據(jù)采集卡5所采集信號為光纖復(fù)合法珀腔傳感器3反射回來的光譜信號轉(zhuǎn)換而成的電信號。設(shè)第一法珀腔8的長度為L1，第二法珀腔10的長度為L2，則光線經(jīng)過法珀腔的相位延遲分別為φ1＝4πn1L1/λ(1)φ2＝4πn2L2/λ(2)式中λ為光波波長，n1，n2分別為空氣和高折射膜片的折射率，n1＝1.0003。光纖復(fù)合法珀腔傳感器的三個反射界面分別為單模光纖6的端面和空氣組成的界面、空氣和高折射膜片9的拋光面組成的界面以及高折射膜片9的鍍膜面和高反射膜11組成的界面，它們的反射比分別為r1，r2，r3，透射比分別為t1，t2，t3。當(dāng)測量第一法珀腔腔長時，高折射膜片采用石英膜片，其折射率n2＝1.45。根據(jù)反射系數(shù)菲涅爾公式計算得，r1＝-0.1837，r2＝0.1837，r3＝0.8，所以光纖復(fù)合法珀腔傳感器的理論反射率R為：R=1-(t1t2t3)2D=AD---(3)]]>其中：D=1+(r1r2)2+(r2r3)2+(r1r3)2+2r1r2(1+r32)cosφ1+2r2r3(1+r12)cosφ2+2r1r3cos(φ1+φ2)+2r1r22cos(φ1-φ2)---(4)]]>A＝D-(t1t2t3)2(5)式中，D為全部光信號，A為反射回來的光信號。由于借助Labview軟件對采集的信號進(jìn)行了取相反數(shù)的操作，因此得到的反射譜為-R。其典型反射光譜，如圖3所示。經(jīng)過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)L1，L2滿足關(guān)系L1/L2＝n2/n1時，反射譜才會出現(xiàn)高低峰相間且高峰和低峰的幅值分別相等的特殊情況，如圖4所示(如取L1＝435μm，L2＝300μm)。當(dāng)光纖復(fù)合法珀腔的第一法珀腔長發(fā)生微小變化時，其反射譜仍然呈現(xiàn)高低峰相間的現(xiàn)象，但是高峰和低峰的峰值會不斷變化，如圖5所示。從圖4中可以看出，光纖復(fù)合法珀腔的反射率隨著波長的變化呈現(xiàn)出幅值不同的兩種高低相間的波峰，對式(3)求導(dǎo)可得：R′=A′D′---(6)]]>D′=2r1r2(1+r32)·φ1λ·sinφ1+2r2r3(1+r12)·φ2λ·sinφ2+2r1r3·φ1+φ2λ·sin(φ1+φ2)+2r1r22r3·φ1-φ2λ·sin(φ1-φ2)---(7)]]>法珀腔腔長測量方法一：在可調(diào)諧激光光源所選的同一波段內(nèi)，記錄每組高峰內(nèi)的兩個相鄰高峰之間的距離；其中距離最窄的為第一組高峰，依此找出整個反射譜中第一個高峰，讀出其對應(yīng)的波長；法珀腔腔長測量方法二：該光纖復(fù)合法珀腔的反射譜呈現(xiàn)出高低峰相間的現(xiàn)象，在可調(diào)諧激光光源所選的同一波段內(nèi)，光纖復(fù)合法珀腔反射譜的高峰個數(shù)與第一法珀腔的腔長呈對應(yīng)關(guān)系；記錄不同第一法珀腔腔長下的反射光譜中高峰個數(shù)；之后，通過反射光譜中高峰的個數(shù)，就可以得到對應(yīng)的第一法珀腔腔長。高折射膜片折射率測量方法：只有當(dāng)L1，L2，n1，n2滿足關(guān)系L1/L2＝n2/n1時，才會出現(xiàn)圖4所示反射光譜。由此可以測量高反射膜片折射率n2，方法如下：先測出高折射膜片的厚度L2，將復(fù)合法珀腔置于微調(diào)整架上。通過調(diào)整架調(diào)整第一法珀腔的腔長L1，同時觀察復(fù)合法珀腔的反射譜。當(dāng)反射譜中出現(xiàn)高低峰相間且高峰和低峰的幅值分別相等的情況時，L1，L2，空氣折射率n1以及高折射膜片的折射率n2滿足關(guān)系L1/L2＝n2/n1，高折射膜片的折射率可以通過下式計算而得：n2=n1·L1L2.]]>當(dāng)前第1頁1 2 3