一种光纤传感器及设计方法

本发明属于光纤传感器，更具体地，涉及一种光纤传感器及设计方法。

背景技术：

1、光纤传感器被广泛应用于各种应用，随着光纤技术的发展，光纤传感器具备了抗电磁干扰、小尺寸等优点。通过对光的强度、波长、频率、相位、偏振等物理量的调制和解调，可以对温度、压力、振动、声音、磁场、气流、折射率等进行传感。基于法布里-珀罗(fabry–pérot，fp)干涉原理的传感器具有结构简单、尺寸小等优点，其由两个具有一定距离的端面组成，入射光经过两个端面的反射、透射产生多光束干涉，待测物理量通过改变两端面距离、折射率等使叠加的干涉光相位发生改变，引起光强变化，解调即可还原得到待测物理量。

2、衡量光纤传感器性能的一个重要参数为灵敏度，而提高灵敏度最直接的方式是增大fp腔干涉光对比度。当前，提高对比度的方法通常为在fp腔端面镀特定性能的反射膜来实现。然而，此方法工艺难度大、成本高，且膜层易受外部环境的影响而损伤，进而限制了实际应用。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种光纤传感器，旨在解决现有技术中通过在fp腔端面镀特定性能的反射膜来提高对比度，工艺难度大、成本高、膜层易受外部环境的影响而损伤，从而影响传感性能的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种光纤传感器，包括：弹簧支撑结构和中心可动结构；

3、所述弹簧支撑结构位于光纤的端面上；

4、所述中心可动结构通过所述弹簧支撑结构以预设高度悬浮于光纤的端面上，所述中心可动结构底部面向所述光纤的端面，所述中心可动结构底部的面型轮廓为凹弧面；

5、所述中心可动结构底部与所述光纤的基底端面构成法布里-珀罗fp谐振腔，所述凹弧面对所述光纤的端面发射的光束进行反射，同时改变光束的束腰大小和位置，以使反射光模场与光纤模场匹配，增大fp谐振腔的干涉光对比度。

6、可选的，在所述光纤传感器对周期信号测量时，所述传感结构的谐振频率等于或大于所述光纤传感器的工作频率。

7、可选的，所述弹簧支撑结构包括分开设置或一体的弹簧子结构和支撑子结构；

8、所述支撑子结构为圆柱型，所述支撑子结构的一端与所述光纤的端面连接，另一端与所述弹簧子结构连接；

9、所述弹簧子结构连接中心可动结构，用于限制所述中心可动结构的运动范围。

10、可选的，所述弹簧子结构的类型包括三维螺旋弹簧、板弹簧、异型弹簧。

11、可选的，所述传感结构采用激光直写工艺直接制备于光纤的端面上。

12、可选的，所述凹弧面为球面或非球面。

13、第二方面，本发明还提供了一种光纤传感器的设计方法，应用于设计如第一方面中任意一项所述的光纤传感器，包括：

14、s1、根据所需自由光谱范围初步确定腔长计算范围；

15、s2、选择光纤传感器中的中心可动结构底部的凹弧面为球面；所述中心可动结构底部与光纤的基底端面构成fp谐振腔；

16、s3、计算当前光纤传感器的干涉光对比度与腔长关系曲线，并将干涉光对比度-腔长曲线中-3db带宽作为工作范围，判断当前光纤传感器的工作范围是否满足当前待测物理量需求；若满足，则执行s4；若不满足，则执行s5；

17、s4、根据干涉光对比度-腔长曲线，选择在腔长计算范围中最大对比度对应的腔长作为fp谐振腔的目标腔长，根据目标腔长计算面型轮廓的参数；

18、s5、选择中心可动结构底部的凹弧面为非球面，返回执行s3；

19、s6、若待测物理量为非周期信号时，根据待测物理量预估值确定弹簧支撑结构的刚度；若待测物理量为周期信号时，根据传感器所需的工作谐振频率确定弹簧支撑结构的结构参数，所述结构参数包括弹簧数量、弹簧厚度、弹簧长度及弹簧匝数。

20、可选的，s4具体包括：

21、s41、基于所述中心可动结构底部的面型轮廓类型设置对应的参数，得到不同参数对应的干涉光对比度和腔长的关系曲线；

22、s42、根据干涉光对比度-腔长曲线确定使光纤传感器具有最大干涉光对比度的腔长，作为fp谐振腔的目标腔长；

23、s43、根据所述目标腔长对应的干涉光对比度-腔长曲线，确定面型轮廓的参数。

24、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

25、1、本发明提供的一种光纤传感器，将中心可动结构面向光纤的端面设置为凹弧面，中心可动结构底部与光纤的基底端面构成高对比度法布里-珀罗fp谐振腔；中心可动结构底部对光纤的端面发射的光束进行反射，同时改变光束的束腰大小和位置，以使反射光模场与光纤模场匹配，增大fp光学干涉腔的反射光谱对比度，在不需要镀膜的情况下增大干涉光对比度，不需要复杂工艺即可构建高性能光纤传感器。

26、2、本发明提供的一种光纤传感器，通过控制中心可动结构的尺寸，可调节机械响应特性，使其适用于诸如压力、振动、声音、气流等多种物理量的测量，并可根据应用需求灵活调整中心可动结构尺寸或中心可动部分底部面型轮廓，适用于多种应用场景。根据不同需求调节结构刚度，在对诸如振动、声音等周期信号测量时，可传感结构的谐振频率等于传感器的工作频率，从而放大结构位移，提高传感器灵敏度和信噪比，也可使传感结构的谐振频率大于传感器的工作频率，获得宽频平坦响应。

27、3、本发明提供的一种光纤传感器的设计方法，通过根据传感器的测量需求针对性设计中心可动结构底部端面的面型轮廓，使其与光纤的基底端面构成高对比度法布里-珀罗fp谐振腔，在不需要镀膜的情况下增大干涉光对比度，不需要复杂工艺即可构建高性能光纤传感器。还可以根据测量需求调节不同面型轮廓和腔长，使得设计的传感器适用于多种测量情况。

28、4、本发明提供的一种光纤传感器，可以采用常规的微纳加工方法制备后装配构建传感器，也可采用三维激光直写工艺将结构直接制备于单模光纤端面，与光纤直径一致，从而达到结构紧凑的目的，具有尺寸小、精度高的优势，不需要装配，从而避免装配过程中引发的装配误差。

技术特征：

1.一种光纤传感器，其特征在于，包括设置在光纤端面的传感结构，所述传感结构包括弹簧支撑结构和中心可动结构；

2.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，在所述光纤传感器对周期信号测量时，所述传感结构的谐振频率等于或大于所述光纤传感器的工作频率。

3.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述弹簧支撑结构包括分开设置或一体的弹簧子结构和支撑子结构；

4.如权利要求3所述的光纤传感器，其特征在于，所述弹簧子结构的类型包括三维螺旋弹簧、板弹簧、异型弹簧。

5.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述传感结构采用激光直写工艺直接制备于光纤的端面上。

6.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述凹弧面为球面或非球面。

7.一种光纤传感器的设计方法，应用于设计如权利要求1-6中任意一项所述的光纤传感器，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的设计方法，其特征在于，s4具体包括：

技术总结
本发明公开了一种光纤传感器，属于光纤传感器技术领域。光纤传感器包括弹簧支撑结构和中心可动结构；弹簧支撑结构位于光纤的端面上；中心可动结构通过弹簧支撑结构以预设高度悬浮于光纤的端面上，中心可动结构底部为凹弧面；中心可动结构底部与光纤的基底端面构成法布里‑珀罗FP谐振腔，凹弧面对光纤的端面发射的光束进行反射，同时改变光束的束腰大小和位置，以使反射光模场与光纤模场匹配，增大FP谐振腔的干涉光对比度。实现在不需要镀膜的情况下增大干涉光对比度，不需要复杂工艺即可构建高性能光纤传感器；采用激光直写制备于光纤上，实现减小装配误差。

技术研发人员：余洪斌,李金帅,张峻宁,王岩
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23