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基于纤端集成微透镜的FPI位移传感器研究
摘要
随着科技和工业化的快速发展,工业制造、航空航天和结构监测等领域对位移的精
确测量需求也逐日递增,而由于光纤传感器具有结构紧凑、耐腐蚀性强和抗电磁干扰等
诸多优点,也因此逐渐成为了测量领域的热门。在光纤传感器中,基于法布里-珀罗干
涉仪(Fabry-PerotInterferometer,FPI)的光纤传感器因其具有较高的测量精度与温度稳
定性,展现出了较高的位移测量潜力。然而,当前提出的FPI位移传感器大多仅利用单
模光纤(Single-modeFiber,SMF)作为传感探头,以较低的成本实现了位移的测量,
但SMF出射光束的较大发散角也导致了传感器的动态测量范围较小,无法精确测量较
大的位移量。
针对上述问题,本文利用微透镜对光束聚焦的特性,提出了一种在光纤端面集成微
透镜结构的FPI位移传感器,通过引入微透镜结构,能够有效的对出射光束进行准直,
减小能量的损耗,使得位移传感器能够获得更大的位移测量范围并保持位移测量的精度。
本文首先阐述了微透镜对光束准直的机理,并通过理论计算初步确定了微透镜结构的参
数,随后利用ZEMAX仿真软件对微透镜结构的各项参数进行优化,最终得到更为合适
的结构参数。这一设计也使得经过非球面微透镜后的光束具有较高的准直性,经过准直
后光束的发散半角仅为0.09mrad。此外,还通过时域有限差分法(Finite-Difference
Time-Domain,FDTD)对经过位移传感器后的光强度分布进行了模拟分析,证实了引入
所设计的非球面微透镜结构能够显著的提高出射光束的准直性。
为验证所设计位移传感器的性能,搭建了位移实验系统,并通过相位解调方法对采
集到的干涉光谱信号进行解调,得到法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)腔长与位移之间的
关系。实验表明,在200μm~450μm的腔长范围内,位移传感器的灵敏度达到了-0.113
nm/μm。为进一步探究引入微透镜结构对位移传感器性能的影响,设计了一种通过液滴
光固化法制备的聚合物微透镜FPI位移传感器进行对比,实验得到聚合物微透镜FPI位
移传感器的灵敏度达到了-0.091nm/μm,并且在较大腔长的条件下,其对比度要小于通
过3D打印方式制备的微透镜FPI位移传感器,充分证明了所设计的微透镜结构能够有
效的提高位移传感器的探测范围及灵敏度。
关键词:位移传感;法布里-珀罗干涉仪;3D打印;微透镜;圆锥系数
基于纤端集成微透镜的FPI位移传感器研究
Abstract
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyandindustrialization,thedemand
foraccuratedisplacementmeasurementisincreasingdaybydayinthefieldsofindustrial
manufacturing,aerospaceandstructuremonitoring,becauseoftheadvantagesofcompact
structure,strongcorrosionresistanceandanti-electromagneticinterference,opticalfiber
sensorhasbecomeahotfieldofmeasurement.Amongopticalfibersensors,theFabry-perot
Interferometer(FPI)basedonJohannFaberhasshownahighpotentialfordisplacement
measurementduetoitshighaccuracyandtemperaturestability.However,mostofthe
proposedFPIdi