Научно-технический
«ОПТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ»
издается с 1931 года
 
   
Русский вариант сайта Английский вариант сайта
   
       
   
       
Статьи последнего выпуска

Электронные версии
выпусков начиная с 2008


Алфавитный указатель
2000-2010 гг


444
Архив оглавлений
выпусков 2002-2007 гг


Реквизиты и адреса

Вниманию авторов и рецензентов!
- Порядок публикации
- Порядок рецензирования статей
- Типовой договор
- Правила оформления
- Получение авторского вознаграждения
- Редакционная этика


Контакты

Подписка

Карта сайта




Журнал с 01.12.2015 допущен ВАК для публикации основных результатов диссертаций как издание, входящее в международные реферативные базы систем цитирования (Web Science, Scopus) (см. Vak.ed.gov.ru Перечень журналов МБД 16.03.2018г)

Аннотации (01.2023) : Ultra-high sensitivity gas pressure sensor based on a cascaded Fabry–Perot interferometers and Vernier effect

Ultra-high sensitivity gas pressure sensor based on a cascaded Fabry–Perot interferometers and Vernier effect

DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-01-84-95

UDC 535, 617.7, 628.9

Xiaoshan Guo1, Chao Jiang2*, Wenhao Ye3, Simei Sun4, Changning Liu5, Huiling Huang6

College of Physics and Electronic Science, Hubei Normal University, Huangshi, Hubei, China

1xiaoshanguo@hbnu.edu.cn  https://orcid.org/0000-0002-7372-2296

2jiangchao1969@hbnu.edu.cn      https://orcid.org/0000-0003-4079-6990

31735518923@qq.com             https://orcid.org/0000-0002-0233-5109

4simeisun@hbnu.edu.cn         https://orcid.org/0000-0002-5028-6276

5liusir1001@163.com              https://orcid.org/0000-0002-7135-0337

6huanghuiling0308@126.com     https://orcid.org/0000-0002-0710-1993

Abstract

Subject of study. An ultra sensitive gas pressure sensor based on a cascaded Fabry–Perot interferometer is proposed. Purpose of the work. In the proposed sensor, we greatly improve the gas pressure sensitivity of the sensor by using the optical Vernier effect method. Method. During the fabrication of the sensor, one Fabry–Perot interferometer is used as the sensing interferometer and the other Fabry–Perot interferometer is used as the reference interferometer. Both Fabry–Perot interferometers are fabricated by two sections of single-mode fibers spliced at both ends of a section of quartz capillary. Then, a micro hole is drilled in the capillary wall of the sensing Fabry–Perot interferometer by using femtosecond laser micro-processing technology for gas pressure measurement. When the free spectral ranges of two Fabry–Perot interferometers are similar, the optical Vernier effect will be generated by cascading them. By precisely controlling the cavity length difference between two Fabry–Perot interferometers, a very high sensitivity magnification factor can be obtained. Main Results. The experimental results show that the sensitivity of the Vernier effect sensor is 133.2 nm/MPa in the pressure measurement range of 0–0.8 Mpa, which is 33.3 times higher than that of the single sensor Fabry–Perot interferometer. In addition, the temperature cross-sensitivity of the sensor is relatively small, only 0.93 kPa/°C. The sensor is flexible in design, easy to manufacture and operate. Practical significance. The proposed sensor has extremely high gas pressure sensitivity, and it can be used in the fields of chemical production, pharmaceutical, oil and gas storage, environmental protection for high sensitivity gas pressure measurement.

Keywords: optical fiber sensor, Fabry–Perot interferometer, femtosecond laser micro-machining, quartz capillary, gas pressure

 Acknowledgement : this work was supported by the Middle-aged and Youth Science and Technology Innovation Team of Hubei Province Universities (T2020014); the Natural Science Foundation of Hubei Province (№ 2020CFB468); the Foundation of Graduate Innovation Research of Hubei Normal University (20210111).

For citation: Guo X., Jiang C., Ye W., Sun S., Liu C., Huang H. Ultra-high sensitivity gas pressure sensor based on a cascaded Fabry–Perot interferometers and Vernier effect (Высокочувствительный датчик давления газа на основе каскадных интерферометров Фабри–Перо и эффекта Вернье) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 1. P. 84–95. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-01-84-95

OCIS codes: 060.2370, 050.2230, 130.6010, 280.4788

Высокочувствительный датчик давления газа на основе каскадных интерферометров Фабри–Перо и эффекта Вернье

Xiaoshan Guo1, Chao Jiang2*, Wenhao Ye3, Simei Sun4, Changning Liu5, Huiling Huang6

College of Physics and Electronic Science, Hubei Normal University, Huangshi, Hubei, China

1xiaoshanguo@hbnu.edu.cn  https://orcid.org/0000-0002-7372-2296

2jiangchao1969@hbnu.edu.cn      https://orcid.org/0000-0003-4079-6990

31735518923@qq.com             https://orcid.org/0000-0002-0233-5109

4simeisun@hbnu.edu.cn         https://orcid.org/0000-0002-5028-6276

5liusir1001@163.com              https://orcid.org/0000-0002-7135-0337

6huanghuiling0308@126.com     https://orcid.org/0000-0002-0710-1993

Аннотация

Предмет исследования. Сенсор для измерения давления газа с увеличенной чувствительностью на основе каскадного интерферометра Фабри–Перо. Цель работы. Значительное увеличение за счет использования метода на основе оптического эффекта Вернье (оптического нониуса) чувствительности к давлению газа в предлагаемом сенсоре. Метод. В предложенной схеме сенсора один интерферометр Фабри–Перо используется в качестве измерительного интерферометра, в то время как второй интерферометр Фабри–Перо является эталонным. Используемые интерферометры изготовлены из двух секций одномодовых волокон, сращенных на обоих концах в виде единой секции кварцевого капилляра. При этом в стенке капилляра чувствительного интерферометра Фабри–Перо для измерения давления газа имеется микроотверстие, полученное с использованием фемтосекундного лазера. В полученном каскаде из двух интерферометров выполняются измерения с использованием оптического эффекта Вернье. При точном априорном измерении разности длины резонаторов двух интерферометров Фабри–Перо практически реализуется значительное увеличение чувствительности измерения сенсора. Основные результаты. Экспериментальные результаты показывают, что чувствительность сенсора с использованием эффекта Вернье составляет не менее 133,2 нм/МПа в диапазоне измерения давления 0–0,8 МПа, что в 33,3 раза выше, чем у известного сенсора на основе одиночного интерферометра Фабри–Перо. Кроме того, паразитная перекрестная чувствительность сенсора к изменению температуры относительно невелика и не превышает 0,93 кПа/°C. Сенсор отличается гибкостью конструкции, имеет малую трудоемкость изготовления и прост в эксплуатации. Практическая значимость. Предлагаемый сенсор имеет высокую чувствительность при измерении давления газа и может быть использован для контроля технологических процессов в химическом и фармацевтическом производствах, устройствах контроля емкостей хранения нефти и газа, системах мониторинга состояния окружающей среды.

Ключевые слова: волоконно-оптический датчик, интерферометр Фабри–Перо, фемтосекундная лазерная микрообработка, кварцевый капилляр, давление газа

Благодарность: работа поддержана Группой по инновациям в области науки и технологий для среднего возраста и молодежи университетов провинции Хубэй (T2020014), Фондом естественных наук провинции Хубэй (№ 2020CFB468), Фондом аспирантских инновационных исследований Хубэйского педагогического университета (20210111).

Ссылка для цитирования: Guo X., Jiang C., Ye W., Sun S., Liu C., Huang H. Ultra-high sensitivity gas pressure sensor based on a cascaded Fabry–Perot interferometers and Vernier effect (Высокочувствительный датчик давления газа на основе каскадных интерферометров Фабри–Перо и эффекта Вернье) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 1. С. 84–95. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2023-90-01-84-95

Коды OCIS: 060.2370, 050.2230, 130.6010, 280.4788

 

REFERENCES

1.    Tang J., Zhang Z., Yin G., Liu S., Bai Z., Li Z., Deng M., Wang Y., Liao C., He J., Jin W, Peng G., Wang Y.Y. Long period fiber grating inscribed in hollow-core photonic bandgap fiber for gas pressure sensing // IEEE Photon. J. 2017. V. 9. № 5. P. 7105307. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2017.2738666

2.   Yang D., Liu Y., Wang Y., Zhang T., Shao M., Yu D., Fu H., Jia Z. Integrated optic-fiber sensor based one closed EFPI and structural phase-shift for discriminating measurement of temperature, pressure and RI // Opt. Laser Technol. 2020.V. 126. P. 106112.

3.   Hou M., Zhu F., Wang Y., Wang Y.P., Liao C., Liu S., Lu P. Antiresonant reflecting guidance mechanism in hollow-core fiber for gas pressure sensing // Opt. Exp. 2016. V. 24. № 24. P. 27890–27898. https://doi.org/10.1364/OE.24.027890

4.   Liu Y., Zhang T., Wang Y., Yang D., Liu X., Fu H., Jia Z. Highly-sensitive gas pressure sensor using twin-core fiber based in-line Mach–Zehnder interferometer // Opt. Exp. 2015. V. 23. № 5. P. 6673–6678. https://doi.org/10.1364/OE.23.006673

5.   Xu B., Liu Y.M., Wang D.N., Li J.Q. Fiber Fabry–Perot interferometer for measurement of gas pressure and temperature // J. Lightwave Technol. 2016. V. 34. № 21. P. 4920–4925. https://doi.org/10.1109/JLT.2016.2598573

6.   Jin L., Guan B.O., Wei H.F. Sensitivity characteristics of Fabry–Pérot pressure sensors based on hollow-core microstructured fibers // J. Lightwave Technol. 2013. V. 31. № 15. P. 2526–2532. https://doi.org/10.1109/JLT.2013.2269136

7.    Liu Y., Yang D., Wang Y., Zhang T., Shao M., Yu D., Fu H., Jia Z. Fabrication of dual-parameter fiber-optic sensor by cascading FBG with FPI for simultaneous measurement of temperature and gas pressure // Opt. Commun. 2019. V. 443. P. 166–171. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2019.03.034

8.   Cheng X., Dash J.N., Gunawardena D.S., Htein L., Tam H.Y. Silicone rubber based highly sensitive fiber-optic Fabry–Perot interferometric gas pressure sensor // Sensors. 2020. V. 20. № 17. P. 4927. https://doi.org/10.3390/s20174927

9.   Zhang Z., Liao C., Tang J., Bai Z., Guo K., Hou M., He J., Wang Y., Liu S., Zhang F., Wang Y.Y. High-sensitivity gas-pressure sensor based on fiber-tip PVC diaphragm Fabry–Perot interferometer // J. Lightwave Technol. 2017. V. 35. № 18. P. 4067–4071. https://doi.org/10.1109/JLT.2017.2710210

10. Chen W., Wang D.N., Xu B., Zhao C., Chen H. Multimode fiber tip Fabry–Perot cavity for highly sensitive pressure measurement // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 368. https://doi.org/10.1038/s41598-017-00300-x

11.  Cheng L., Wang C., Huang Y., Liang H., Guan B. Silk fibroin diaphragm-based fiber-tip Fabry–Perot pressure sensor // Opt. Exp. 2016. V. 24. № 17. P. 19600–19606. https://doi.org/10.1364/OE.24.019600

12.  Yang X., Li Y., Yang S., Wang S. Comparison of fiber-based gas pressure sensors using hollow-core photonic crystal fibers // IEEE Photon. J. 2021. V. 13. № 2. P. 6800209. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2021.3059925

13.  Zhang Z., He J., Dong Q., Bai Z., Liao C., Wang Y., Liu S., Guo K., Wang Y.Y. Diaphragm-free gas-pressure sensor probe based on hollow-core photonic bandgap fiber // Opt. Lett. 2018. V. 43. № 13. P. 3017–3020. https://doi.org/10.1364/OL.43.003017

14.  Liang H., Jia P., Liu J., Fang G., Li Z., Hong Y., Liang T., Xiong J. Diaphragm-free fiber-optic Fabry–Perot interferometric gas pressure sensor for high temperature application // Sensors. 2018. V. 18. № 4. P. 1011. https://doi.org/10.3390/s18041011

15.  Zhang Z., He J., Du B., Zhang F., Guo K., Wang Y.Y. Measurement of high pressure and high temperature using a dual-cavity Fabry–Perot interferometer created in cascade hollow-core fibers // Opt. Lett. 2018. V. 43. № 24. P. 6009–6012. https://doi.org/10.1364/OL.43.006009

16.  He H., Liu Y., Liao Y., Lang C., Li Y., Qu S. Simple fiber-optic sensor for simultaneous and sensitive measurement of high pressure and high temperature based on the silica capillary tube // Opt. Exp. 2019. V. 27. № 18. P. 25777–25788. https://doi.org/10.1364/OE.27.025777

17.  Zhang L., Jiang Y., Gao H., Jia J., Cui Y., Ma W., Wang S., Hu J. A diaphragm-free fiber Fabry–Perot gas pressure sensor // Rev. Sci. Instrum. 2019. V. 90. № 2. P. 025005. https://doi.org/10.1063/1.5055660

18. Yang F., Tan Y., Jin W., Lin Y., Qi Y., Ho H. Hollow-core fiber Fabry–Perot photo-thermal gas sensor // Opt. Lett. 2016. V. 41. № 13. P. 3025–3028. https://doi.org/10.1364/OL.41.003025

19.  Tang J., Yin G., Liao C., Liu S., Li Z., Zhong X., Wang Q., Zhao J., Yang K., Wang Y.Y. High-sensitivity gas pressure sensor based on Fabry–Perot interferometer with a side-opened channel in hollow-core photonic bandgap fiber // IEEE Photon. J. 2015. V. 7. № 6. P. 6803307. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2015.2489926

20. Wang Q.H., Liu X., Wang D.N. Ultra-sensitive gas pressure sensor based on Vernier effect with controllable amplification factor // Opt. Fiber Technol. 2021. V. 61. P. 102404. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2020.102404

21.  Li Z., Zhang Y., Zhang W., Kong L., Yan T., Geng P., Wang B. High-sensitivity gas pressure Fabry–Perot fiber probe with micro-channel based on Vernier effect // J. Lightwave Technol. 2019. V. 37. № 14. P. 3444–3451. https://doi.org/10.1109/JLT.2019.2917062

22. Yang Y., Wang Y., Jiang J., Zhao Y., He X., Lia L. High-sensitive all-fiber Fabry–Perot interferometer gas refractive index sensor based on lateral offset splicing and Vernier effect // Optik. 2019. V. 196. P. 163181. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.163181

23. Yang X., Wu S., Cheng H., Ma J., Wang S., Liu S., Lu P.X. Simplified highly-sensitive gas pressure sensor based on harmonic Vernier effect // Opt. Laser Technol. 2021. V. 140. P. 107007. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107007

24. Chen P., Dai Y., Zhang D., Wen X., Yang M.H. Cascaded-cavity Fabry–Perot interferometric gas pressure sensor based on Vernier effect // Sensors. 2018. V. 18. № 11. P. 3677. https://doi.org/ 10.3390/s18113677

25. Zhang X., Pan H., Bai H., Yan M., Wang J., Deng C., Wang T. Transition of Fabry–Perot and antiresonant mechanisms via a SMF-capillarySMF structure // Opt. Lett. 2018. V. 43. № 10. P. 2268–2271. https://doi.org/10.1364/OL.43.002268

26. Gao H., Jiang Y., Zhang L., Cui Y., Jiang Y., Jia J., Jiang L. Antiresonant mechanism based self-temperature-calibrated fiber optic Fabry–Perot gas pressure sensors // Opt. Exp. 2019. V. 27. № 16. P. 22181–22189. https://doi.org/10.1364/OE.27.022181