一种基于多谐振腔结构的传感器及传感测量方法

本发明属于传感器，具体涉及了一种基于多谐振腔结构的多用途传感器及其传感检测方法。

背景技术：

1、光机械效应是指光学器件中的光场驱动器件自身发生机械振动的一种现象，基于光机械效应的传感器是指微腔机械振动频率受外界环境的很多因素(质量、气压、液体粘度/密度/声速等)影响，会发生频移，因此利用它们之间的关系可以制得相应的传感器，用来监测某个物理量的改变。如此，基于光机械效应的传感器往往具有高分辨率的特点。

2、光机械效应的具体内容是，由于光学微腔内光场光压的存在，使得腔长变长并导致谐振波长随之红移。谐振腔波长红移直接改变了原有光场分布，使得泵浦光与腔谐振波长失谐量增大，腔内光场分布减弱，腔内所受光压减少，腔长又会弛豫回去。这样周而复始，实现了腔的机械振动。最终，机械振动的频率调制了出射光的频率，使得它携带了该振动频率的信息。

3、目前基于光机械效应所设计的微泡传感器，都是基于单个谐振腔所产生的单个光机械谐振峰，随后通过其机械谐振峰的偏移进行传感分析。这样的传感器存在以下局限性：首先由于作为传感指标的仅有一个光机械谐振峰，环境温度的波动会对传感结果造成较大的误差影响；其次微泡的材质为石英，气压的变化对微泡的机械谐振频率影响十分微小，导致基于单个微泡的气压传感器灵敏度较低；最后是液体本身机械阻尼将极大的增大微泡的系统阻尼，导致将磁流体填满微泡内部的基于光机械效应的磁传感器难以实现。这些问题都限制了它们的应用场景和应用范围。

技术实现思路

1、本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提出了一种基于多谐振腔结构的多用途传感器及其传感检测方法，实现包括气压传感以及磁场传感两种用途在内的多种物理量测量，制作工艺简单，成本低，灵敏度高，可以降低环境温度波动对其测量误差的影响。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明提供了一种基于多谐振腔结构的多用途传感器，其独特之处在于，具有多个会出现机械谐振的谐振腔，这些谐振腔的串联在同一个谐振腔连接件上，相互靠近；其中一个谐振腔与耦合部件相互耦合；谐振腔的两端与待检测环境连接；谐振腔之间存在可移动质量块，该可移动质量块可以在几个谐振腔之间移动。

4、具体地，一种基于多谐振腔结构的多用途传感器上存在两个会出现机械谐振的空心谐振腔，该两个空心谐振腔的串联在同一个谐振腔连接件上，相互靠近；其中一个谐振腔与耦合部件相互耦合；空心谐振腔的两端具有开口，该开口用于与待检测环境连接；两个空心谐振腔内部存在一个可移动质量块，该可移动质量块可以在两个空心谐振腔内部移动。

5、进一步地，空心谐振腔为两个空心的石英微泡，谐振腔连接件为一根石英管，该两个石英微泡的串联在同一根石英管上，相互靠近；耦合部件为微纳光纤，其中一个石英微泡与微纳光纤相互耦合；石英微泡的两端具有开口，该开口用于与待检测环境连接；可移动质量块为磁流体液滴，存在于两个空心石英微泡内部，该液滴可以在两个空心石英微泡内部移动。

6、进一步地，两个空心石英微泡的内部共同容纳了一个液滴，这一设计使得液滴能够在两个石英微泡的内部空间中自由移动，从而根据环境条件的变化产生相应的位移，进而被传感器捕捉并转换为可读取的信号。

7、进一步地，所述石英微泡的直径被控制在不超过300μm的范围内，同时其壁厚也被限定在不超过22μm的水平。此外，为了确保两个石英微泡在性能上的一致性，它们的直径差距被进一步限制在不超过5μm的微小范围内。

8、进一步地，所述微纳光纤需要与一个石英微泡相互耦合。在传感器工作期间，微纳光纤需要将激光引入谐振腔中并激发出两个石英谐振腔的光机械振动模式。

9、进一步地，所述液滴的材质被选定为磁流体，这一选择赋予了液滴在磁场作用下的可控性。液滴的尺寸被精确控制在不超过120μm的范围内，以确保其在石英微泡内部能够稳定存在且易于操控。在不受外界干扰的情况下，液滴的位置能够保持稳定；然而，当受到气压变化或磁场作用时，液滴的位置将发生相应的变化，这一特性使得传感器能够灵敏地响应环境变化并输出准确的检测信号。

10、本发明的多谐振腔结构的多用途传感器的传感原理是基于多谐振腔光机械效应所引发的谐振频率的变化。多谐振腔的谐振频率可以通过以下方程解出：

11、

12、其中γmi，ωmi和fi分别代表了机械阻尼，机械频率和朗之万力(i＝b，d),分别代表了两个谐振腔的相应特征。xi，ki和mi代表了对应的机械位移，弹簧常数和有效质量。κ表示两个机械模式之间的机械耦合系数。f0是光学梯度力。

13、谐振腔内部液滴的移动影响了两个谐振腔有效质量，从而可以从上述方程得到的位移频谱特征上解出两个谐振腔的谐振频率。得到液滴位置与频谱变化的关系。

14、本发明还提供了一种基于多谐振腔结构的多用途传感器的检测系统，主要包括以下关键组件：可调谐激光器、单模光纤、具备多谐振腔结构的多功能传感器、注射器、注射泵、光电探测器、示波器以及频谱仪。

15、进一步地，所述可调谐激光器负责发出高质量的激光束，作为检测系统的光源。所述单模光纤则将激光器输出的激光精确传输至微纳光纤，并有效收集经过传感器调制后的光信号，再将其回传至后续处理单元。所述多谐振腔结构的多功能传感器，其核心在于两个串联在同一根石英管上的石英微泡。这两个微泡的两端设有开口，并通过特氟龙软管与外界相连。其中一条软管作为待测气压的引入通道，而另一条则作为参考气压的通道。所述注射器通过连接其中一条特氟龙软管，实现对传感器内部液滴初始位置的精确控制。同时，所述注射泵为注射器提供必要的动力支持，确保其能够完成液滴位置的调整。所述光电探测器则负责接收经过传感器调制后的光信号，并将其高效转换为电信号。所述示波器主要用于显示光电探测器收集到的光信号，以光谱形式呈现。所述频谱仪则进一步对光电探测器收集到的光信号进行频谱分析，以展示信号的频率分布和特征。

16、本发明的检测系统适用于检测包括气压与磁场在内的多种物理量。

17、具体地，本发明涉及一种基于多谐振腔结构的多用途传感器的气压和磁场传感测量方法，该方法包括以下步骤：首先，将微纳光纤耦合在一个石英微泡上，并输入窄波激光以激发两个石英微泡的光机械谐振模式；随后，利用注射泵和注射器将液滴移动至初始位置，并通过频谱仪获取传感器初始状态的光机械频谱特征，确定初始频率差δf0；接着，将多谐振腔结构的多用途传感器的石英微泡一端接入待测气压，另一端接入参考气压，液滴在压差作用下发生位移，待液滴稳定后记录光机械频谱特征，得到频率差δf1；然后，使用注射泵和注射器将液滴恢复至初始位置；之后，将传感器置于磁场中，磁场方向与石英管方向平行，液滴在磁场作用下再次发生位移，液滴稳定后记录光机械频谱特征，得到频率差δf2；最后，通过标定参考，将δf1和δf2换算得到待测气压和磁场强度的精确值。

18、本发明的有益效果在于：

19、首先，本发明与一般的光机械单微泡谐振腔传感器有明显结构区别。本发明使用了多谐振腔结构，并在多谐振腔中激发了两个光机械振动模式。并使用液滴位置反应待测物理量的强度指标。其次，基于两个谐振腔光机械谐振频率作差的测量表征方法，可以有效的降低环境温度波动对测量结果的影响，提高稳定性。第三，使用可移动质量块的位置作为反应气压强度和磁场强度的指标，增大了传感器的灵敏度，提高了传感器传感性能。最后，本发明所提供的一种基于多谐振腔结构的多用途传感器的检测系统和测试方法，对设备要求不高，操作简单，有利于推广应用。