ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

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

УДК: 535, 617.7, 628.9

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

Guo X., Jiang Chao, Ye W., Sun S., Liu C., Huang H.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

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

 

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

Ссылка на англоязычную версию:

Xiaoshan Guo, Chao Jiang, Wenhao Ye, Simei Sun, Changning Liu, and Huiling Huang, "Ultra-high-sensitivity gas pressure sensor based on a cascaded Fabry-Perot interferometer and the Vernier effect," Journal of Optical Technology. 90(1), 46-53 (2023). https://doi.org/10.1364/JOT.90.000046

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.

 

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).

Ключевые слова:

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

Коды OCIS: 060.2370, 050.2230, 130.6010, 280.4788

Список источников:
  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 hollow­core 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 optic­fiber sensor based one closed EFPI and structural phase­shift 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 hollow­core 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. Highly­sensitive gas pressure sensor using twin­core fiber based in­line 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 hollow­core 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 dual­parameter fiber­optic 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 fiber­optic 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. High­sensitivity gas­pressure sensor based on fiber­tip 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/s41598­017­00300­x
  11. Cheng L., Wang C., Huang Y., Liang H., Guan B. Silk fibroin diaphragm­based fiber­tip 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 fiber­based gas pressure sensors using hollow­core 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. Diaphragm­free gas­pressure sensor probe based on hollow­core 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. Diaphragm­free fiber­optic 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 dual­cavity Fabry–Perot interferometer created in cascade hollow­core 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 fiber­optic 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 diaphragm­free 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. Hollow­core fiber Fabry–Perot photo­thermal 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. High­sensitivity gas pressure sensor based on Fabry–Perot interferometer with a side­opened channel in hollow­core 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. Ultra­sensitive 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. High­sensitivity gas pressure Fabry–Perot fiber probe with micro­channel 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. High­sensitive all­fiber 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 highly­sensitive 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. Cascaded­cavity 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 SMF­capillarySMF 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 self­temperature­calibrated fiber optic Fabry–Perot gas pressure sensors // Opt. Exp. 2019. V. 27. № 16. P. 22181–22189. https://doi.org/10.1364/OE.27.022181