本發(fā)明涉及光學傳感，特別是涉及一種基于級聯(lián)式fp腔的高靈敏光纖傳感器及傳感方法。

背景技術：

1、光纖傳感器廣泛應用于工業(yè)、機械、醫(yī)療等領域，其中，干涉型光纖傳感器為最常見的一類光纖傳感器，其光譜特點為周期性震蕩的光譜曲線。對于干涉型光纖傳感器，如何提高其靈敏度等傳感性能指標是一個重要的課題。在光學傳感領域，傳感靈敏度和光譜分辨率(有些文獻寫為figure?of?merit)是兩個重要的指標。目前，光學游標尺技術是一種常用的增強干涉型傳感器靈敏度的方法，具體是通過制作光程差相近的兩套干涉器結構并進行串聯(lián)或并聯(lián)，從而得到具有包絡狀調(diào)制的干涉光譜，通過擬合得到包絡調(diào)制曲線，并對調(diào)制曲線的峰或谷位進行追蹤，從而實現(xiàn)傳感功能。傳統(tǒng)光學游標尺效應的優(yōu)點在于：靈敏度高。但其缺點在于：雖然可以得到較高的靈敏度，但由于包絡峰位的還原依賴于擬合算法，當數(shù)據(jù)不規(guī)律或存在噪點時極易形成擬合峰位的失準；另外，由于包絡峰的分辨率較低(且該問題會隨著靈敏度的提升愈發(fā)嚴重)，也限制了數(shù)據(jù)讀取的分辨率。

2、傳統(tǒng)光學游標效應僅能應用于光纖fp腔結構、光纖馬赫-曾德干涉結構等以雙光束干涉為主的干涉器結構，這是因為，這些干涉器結構具有近于余弦函數(shù)狀的干涉光譜，從而可以組合形成包絡調(diào)制型干涉曲線，從而實現(xiàn)光學游標效應。與之相比，光纖級聯(lián)式fp腔結構是由周期分布的反光鏡陣列構成，屬于典型的多光束干涉系統(tǒng)，其具有梳齒狀干涉譜。該結構的干涉譜具有極高的光譜分辨率，但由于其光譜特點，無法應用傳統(tǒng)光學游標效應實現(xiàn)靈敏度提升。因此，針對于級聯(lián)式fp腔結構，開發(fā)一種靈敏度增強的方法具有重要意義。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于級聯(lián)式fp腔的高靈敏光纖傳感器及傳感方法，能夠解決當前技術中傳感器分辨率低的問題，以實現(xiàn)高性能的光纖傳感。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、一種基于級聯(lián)式fp腔的高靈敏光纖傳感器，包括：寬譜光源、光譜分析儀、光纖環(huán)形器和光纖反射器單元；所述寬譜光源和所述光譜分析儀均與所述光纖環(huán)形器連接；所述光纖環(huán)形器還與所述光纖反射器單元連接；所述光纖反射器單元是通過兩個級聯(lián)式fp腔并聯(lián)或串聯(lián)連接形成的；所述級聯(lián)式fp腔是由周期性排列的反光鏡陣列構成的。

4、可選地，所述光纖反射器單元，具體包括：光纖3db耦合器和兩個級聯(lián)式fp腔；

5、所述光纖3db耦合器的一端與所述光纖環(huán)形器連接，且所述光纖3db耦合器的另一端與各所述級聯(lián)式fp腔并聯(lián)連接；其中，一個所述級聯(lián)式fp腔為參考臂，另一個所述級聯(lián)式fp腔為傳感臂。

6、可選地，所述光纖反射器單元，具體包括：兩個級聯(lián)式fp腔；

7、所述光纖環(huán)形器與各所述級聯(lián)式fp腔串聯(lián)連接，且其中一個所述級聯(lián)式fp腔為參考臂，另一個所述級聯(lián)式fp腔為傳感臂。

8、可選地，所述光纖反射器單元中的各級聯(lián)式fp腔采用周期性排布的反光鏡陣列。

9、本發(fā)明還提供了一種基于級聯(lián)式fp腔的高靈敏光纖傳感器傳感方法，應用于上述的基于級聯(lián)式fp腔的高靈敏光纖傳感器，包括：

10、首先在光譜圖上找到一個相鄰反射峰相對靠近或重合的位置，以所述位置的一對反射峰作為起點，從起點處分別向長波長和短波長方向開始尋找，每找到一對反射峰，就將所述對反射峰的波長差的絕對值記為y值，并將所述對反射峰的平均波長記為x值，并將每對反射峰對應的一組x、y值作為二維坐標系中的一個點，從而構成二維平面上的一系列散點；

11、由于以上過程中讀取波長差的絕對值，各所述點實際位于橫軸上方，基于二維平面上的散點圖，由各點變化的趨勢連成的折線與水平軸存在一交點；將交點右側的所有散點都取其關于水平軸的鏡像點，并重新繪制到二維平面上，用二次函數(shù)曲線對處理后的各散點進行擬合，得到一條擬合曲線；讀取所述擬合曲線與任意y為固定值的水平線的交點，并以該交點在橫軸上對應的波長值作為傳感參考峰位；

12、當外界環(huán)境發(fā)生變化，光纖傳感器中作為傳感臂的級聯(lián)式fp腔對應的反射譜發(fā)生變化，使所述傳感參考峰位發(fā)生漂移，通過讀取漂移量的大小，實現(xiàn)傳感功能。

13、可選地，所述外界環(huán)境包括溫度、應力、形變和折射率。

14、根據(jù)本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術效果：

15、本發(fā)明公開了一種基于級聯(lián)式fp腔的高靈敏光纖傳感器及傳感方法，所述光纖傳感器包括寬譜光源、光譜分析儀、光纖環(huán)形器和光纖反射器單元；寬譜光源和光譜分析儀均與光纖環(huán)形器連接；光纖環(huán)形器還與光纖反射器單元連接；光纖反射器單元是通過兩個級聯(lián)式fp腔并聯(lián)或串聯(lián)連接形成的；級聯(lián)式fp腔是由周期性排列的反光鏡陣列構成的。本發(fā)明能夠解決當前技術中傳感器分辨率低的問題，以實現(xiàn)高性能的光纖傳感。

技術特征：

1.一種基于級聯(lián)式fp腔的高靈敏光纖傳感器，其特征在于，包括：寬譜光源、光譜分析儀、光纖環(huán)形器和光纖反射器單元；所述寬譜光源和所述光譜分析儀均與所述光纖環(huán)形器連接；所述光纖環(huán)形器還與所述光纖反射器單元連接；所述光纖反射器單元是通過兩個級聯(lián)式fp腔并聯(lián)或串聯(lián)連接形成的；所述級聯(lián)式fp腔是由周期性排列的反光鏡陣列構成的。

2.根據(jù)權利要求1所述的基于級聯(lián)式fp腔的高靈敏光纖傳感器，其特征在于，所述光纖反射器單元，具體包括：光纖3db耦合器和兩個級聯(lián)式fp腔；

3.根據(jù)權利要求1所述的基于級聯(lián)式fp腔的高靈敏光纖傳感器，其特征在于，所述光纖反射器單元，具體包括：兩個級聯(lián)式fp腔；

4.根據(jù)權利要求1所述的基于級聯(lián)式fp腔的高靈敏光纖傳感器，其特征在于，所述光纖反射器單元中的各級聯(lián)式fp腔采用周期性排布的反光鏡陣列。

5.一種基于級聯(lián)式fp腔的高靈敏光纖傳感器傳感方法，應用于權利要求1-4中任一項所述的基于級聯(lián)式fp腔的高靈敏光纖傳感器，其特征在于，包括：

6.根據(jù)權利要求5所述的基于級聯(lián)式fp腔的高靈敏光纖傳感器傳感方法，其特征在于，所述外界環(huán)境包括溫度、應力、形變和折射率。

技術總結
本發(fā)明公開一種基于級聯(lián)式FP腔的高靈敏光纖傳感器及傳感方法，涉及光學傳感技術領域。所述光纖傳感器包括：寬譜光源、光譜分析儀、光纖環(huán)形器和光纖反射器單元；所述寬譜光源和所述光譜分析儀均與所述光纖環(huán)形器連接；所述光纖環(huán)形器還與所述光纖反射器單元連接；所述光纖反射器單元是通過兩個級聯(lián)式FP腔并聯(lián)或串聯(lián)連接形成的；所述級聯(lián)式FP腔是由周期性排列的反光鏡陣列構成的。本發(fā)明能夠解決當前技術中傳感器分辨率低的問題，以實現(xiàn)高性能的光纖傳感。

技術研發(fā)人員：姚一村,張燕青,魏濤,張麗強,王明紅,聶兆剛,白成林
受保護的技術使用者：聊城大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/5/29