本研究旨在通过设计和开发一种高灵敏光纤传感器，为其进一步应用奠定基础。研究目标包括：

1.通过对F-P干涉仪进行温度、湿度、表面折射物质的对照试验，揭示干涉仪的干涉图像特性曲线的实验规律。

2.实验探究游标效应、液体填充、改变腔长等提高F-P干涉仪的灵敏度的方法，得出其调谐规律。

3.综合分析得出参数的最佳取值和最优组合，提高基于F-P干涉原理的光纤传感器的灵敏度。

本项目基于F—P干涉原理设计和开发一种高灵敏光纤传感器，研究内容如下：

1.讨论F-P干涉原理及其特点，分析光纤F-P腔响应机理，并研究负责信号解调的硬件系统及其主要性能的影响因素。以此作为器件设计和制作的理论基础。

2.分析干涉图像的特点，结合计算机技术和图像处理技术对干涉图像进行处理，探讨影响其测量精度的主要因素，并进行校正和误差消除。寻找最优化的结构参数，以期改善器件的性能。

3.研制基于光学干涉效应的高精度测量系统的硬件结构，深入分析信号处理的基本电路,讨论前置放大包含的噪声及其处理方法,设计前置放大器，设计并优化信号处理系统。

4.优化F-P腔的加工技术和解调的方法，设计光纤传感器系统的硬件结构，解决系统平衡误差问题，制作出一套高灵敏光纤传感器的实验装置。

由于光纤F-P传感器的结构及原理简单，在耐受恶劣工作环境、长期稳定性、结构尺寸等方面的独特优势，特别适合高温、高压、强辐射、狭小空间等特殊工作环境，近年来受到人们的普遍关注和重视。

2012 年，Lee C.L.等人利用聚合物填充空心光纤端面，迫使单模光纤端面与聚合物端面形成F-P腔，利用温度与腔体长度之间的关系，得到的传感器测温灵敏度为 1.7nm/℃^[1]。2014年，Tan X.L.等人在单模光纤的端面，利用紫外固化胶固化的方法，设计传感器用于检测温度，灵敏度为0.19 nm/℃。基于法布里-珀罗传感还可测量湿度^[2]。2015 年，Ning X.等人利用单模光纤端面与沸石薄膜界面形成的F-P腔检来测化学蒸汽-异丙醇，当传感器置于异丙醇氛围中，由于沸石薄膜的特异性吸附导致其传感部分折射率发生改变，最终在反射的干涉光谱呈现强度上的差异。该传感器结构经典，线性拟合度高，为法布里-珀罗在有毒气检测方面提供了可能^[3]。2015年，吴振海等人开发出了微型光纤F-P压力传感器、声压传感器以及相应的多通道解调仪，完成了苛刻的环境考核^[4]。2016 年，Tan Y.等人利用单模光纤的端面与陶瓷管末端溅镀的石墨烯薄膜形成F-P腔，用于检测乙炔气体，探测灵敏度比一般传感器提高13倍^[5]。2017 年，Gong Z.等人利用磁控溅射方法将银膜片镀在光纤连接器上，代替石墨烯薄膜，制作了基于法布里-珀罗声传感器检测乙炔，进一步提高了检测灵敏度^[6]。2017 年，Chen M. Q.等人设计的系统，最终检测温度的灵敏度达到27pm/℃^[7]。

现阶段，大量学者和实验团队对此类传感器进行大量的研究。 Ma W.等人利用溶胶凝胶镀膜工艺将聚六亚甲基二胍基涂覆在在单模光纤端面上，并用于检测二氧化碳，灵敏度达到 12.2pm/ppm^[8]。 Zhang Xinpu团队制备的微型温度传感器，灵敏度达到7.82pm/℃，同时传感器的稳定性得以保证^[9]。 Chen Z. 等人制备出超细纤维(MF)，将其应用于温度传感器，使得灵敏度为达 13.6pm/℃（较之前的灵敏度的近两倍）精度达到 0.1℃^[10]。 Yu H.等人利用光子晶体光纤构造出F-P腔体，制作工艺简单，同时温度传感器的灵敏度也达到 15.61pm/℃^[11]。Diego López- Torres课题组制作了新型的氨气传感器，该传感器表现出极好的线性关系，稳定性较好，重复性高，创新性强^[12]。2020年，Wang B.等人制作的晶片式光纤FP传感器，在1550 °C温度灵敏度为32.5pm/ °C^[13]。同年，Wang, Z.等人制作了用于高温压力测量的光纤F-P传感器，使用氧化锆套管对该传感器进行封装，提高了传感器的稳定性，使其更好地应用于恶劣环境^[14]。

总之，基于F-P干涉原理的光纤传感器已有了很好研究基奠，但其灵敏度、精度、稳定性、测量范围等方面还需要进一步深度优化；同时简化制作工艺、降低制作成本、可实用于实际生活，也将是光纤F-P传感器发展的一个重要方向。虽然我国在光纤传感器领域上已取得了一些成就，但同国外相比还有很大的差距，但同时也正是这种差距让我们看到了光纤传感器的美好前景。

参考文献

[1]  Lee C.L., Lee L H., Hwang H.E. et al. Highly sensitive air-gap fiber fabry–perot interferometers based on polymer-filled hollow core fibers[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2012, 24(2):149-151.

[2]  Tan X.L., Geng Y.F., Li X.J. et al. Uv-curable polymer microhemisphere-based fiber-optic fabry–perot interferometer for simultaneous measurement of refractive index and temperature[J]. IEEE Photonics Journal, 2014, 6(4): 1-8.

[3] Ning X., Zhao C., Shi F. et al. Zeolite thin film-coated fiber sensors based on Fabry-Perot interferometer for detection of chemical vapors[J]. Photonic sensors, 2015, 5(2): 137-141.

[4]  吴振海，刘铁根，江俊峰，等．热应力和残余气压对光纤法布里－珀罗压力传感器温度性能的影响[J]．光学学报，2015, 35(3): 0328005.

[5] Tan Y., Zhang C., Jin W. et al. Optical fiber photoacoustic gas sensor with graphene nano-mechanical resonator as the acoustic detector[J]. IEEE journal of selected topics in quantum electronics, 2016, 23(2): 199-209.

[6] Gong Z., Chen K., Yang Y. et al. High-sensitivity fiber-optic acoustic sensor for photoacoustic spectroscopy based traces gas detection[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2017, 247: 290-295.

[7] Chen M. Q., Zhao Y., Xia F. et al. High sensitivity temperature sensor based on fiber air-microbubble Fabry-Perot interferometer with PDMS- filled hollow-core fiber. Sensors and Actuators A ： Physical, 2018, 275: 60–66

[8] Ma W., Xing J., Wang R. et al. Optical fiber Fabry–Perot interferometric CO2 gas sensor using guanidine derivative polymer functionalized layer[J]. IEEE Sensors Journal, 2018, 18(5): 1924-1929.

[9] Zhang X., Peng W., Shao L Y. et al. Strain and temperature discrimination by using temperature-independent FPI and FBG[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2018, 272: 134-138.

[10] Chen Z., Xiong S., Gao S. et al. High-temperature sensor based on Fabry-pérot interferometer in microfiber tip[J]. Sensors, 2018, 18(1): 202.

[11] Yu H., Wang Y., Ma J. et al. Fabry-pérot interferometric high- temperature sensing up to 1200℃ based on a silica glass photonic crystal fiber[J]. Sensors, 2018, 18(1): 273

[12]  López-Torres D., Lopez-Aldaba A., Aguado C. E. et al. Sensitivity optimization of a microstructured optical fiber ammonia gas sensor by means of tuning the thickness of a metal oxide nano-coating[J]. IEEE Sensors Journal, 2019, 19(13): 4982-4991.

[13] Wang B., Niu Y., Zheng S. et al. A high temperature sensor based on sapphire fiber Fabry-Perot interferometer. IEEE Photonics Technology Letters, 2020, 32(2), 89-92.

[14]  Wang, Z., Chen J., Wei H. et al. Sapphire Fabry–Perot interferometer for high-temperature pressure sensing. Applied Optics,2020, 59(17), 5189-5196.

1. 创新点

（1）选题的创新

传统的传感器通常灵敏度较低，且加工设备昂贵，不利于推广。因此，开发一套结构简单、易于推广、灵敏度高的光纤传感器具有重要意义，而光纤法布里－珀罗（F-P）传感器作为一种干涉型的传感器，具有很多优点，在诸多领域具有重要的潜在应用价值。

（2）研究内容的创新

在本项目的研究中，我们通过分析法布里－珀罗干涉仪（F-P）的工作原理探讨提高传感器的灵敏度的方法，探究影响灵敏度的因素，并通过实验的方式去验证。

（3）研究方法的创新

我们在研究过程中将会采取到的研究方法大致有文献查阅法、思辨法、概念分析法、比较研究法、实验研究法，将各种研究方法运用到我们的课题研究中，可以灵活、有针对性地帮助我们开展研究工作。在研究初期，我们主要通过大量查阅有关研究课题的文献资料，去确定研究关键环节和改进方向。在研究正式开展阶段，我们将以实验研究法为主，结合上述多种方法去寻找、解决和总结课题的核心内容。

2. 项目特色

（1）光纤法布里－珀罗（F-P）传感器利用了光的的干涉效应，光的波长非常小，系统参数在波长量级上的变化会引起系统特性的明显变化，因此测量灵敏度高。

（2）光纤法布里－珀罗（F-P）传感器利用光波传输信息，因此具有抗电磁干扰、测量速度快、信息容量大等特点，容易实现对被测信号的远距离监控。

1. 技术路线 

多光束干涉的原理如图1所示，实验装置如图2所示。

                                                图1 多束光干涉原理

由光的干涉理论可知，透射光将在无穷远或透镜的焦平面上产生形状为同心圆的干涉条纹，属等倾干涉。

                 图2 实验装置

透射光在透镜焦平面上所产生的光强分布应为无穷系列光束的相干叠加，透射光强为：

(6)式表明反射率R越高，条纹越细锐，间距d越大，条纹也越细锐。通过改变温度、湿度、表面折射物质等条件，观察?θ的变化，就可以得到F-P干涉仪精确度的特性曲线。

游标效应可以将一个微小量放大进行读取。将F-P干涉仪其中一个器件的外界条件变化，比如将温度从10℃以5℃为梯度依次增至90℃；将压力从10N以5N为梯度依次增至100N，观察其光谱在保持谱峰间距的情况下发生微小的平移，那么通过检测初始对齐的谱峰和当前对齐的谱峰，就可以将谱峰的微小位移进行放大读数，这样就能做到在保持较大的测量范国的同时提高测量的灵敏度。通过设计温度与压力这两组对照试验，熟练掌握游标效应的使用，对照两组实验数据的误差，得出游标效应的适用条件以及误差解决。

采用标准单模光纤与二氧化硅毛细管制作腔长为微米量级的法珀微腔，并使用热膨胀系数较高的液体水、汞、乙醇、苯、汽油等进行填充，得出它们的特性曲线，进一步了解到液体填充法的基本原理，在实验中得出关于利用液体填充法进一步提高灵敏度的方法。

基于F-P干涉仪的高灵敏光纤传感器按照其功能可分为：压力传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、应变传感器。在得到更高精度的F-P干涉仪之后，将其应用在光纤传感器中，再通过对各类光纤传感器进行实验测量，比如用温度传感器分别测量高温100℃到低温-10℃；用压力传感器测量从高压200N到10N的压力等，得出各组实验结果的误差值，针对误差值分析精确度是否提高，倘若没有提高，则需要进行误差排除的实验，确定出影响实验结果的因素，解决该因素对实验的影响后再重复实验。

2. 拟解决的问题 

（1）我们对F-P干涉仪的研究还主要限于原理，需要更深入探究其响应机理。

（2）高灵敏光纤的精确度很难测量，需要设置合适的放大器及重复对比实验。

3. 预期成果

（1）设计基于法布里—珀罗干涉原理的高灵敏光纤传感仪器装置1套；

（2）获得实用新型专利1-2项；

（3）发表研究论文1-2篇。

1. 2022年5月-2022年9月，查找相关文献并学习阅读、确定研究课题的核心研究方向以及内容、实验预期设计、分析进行实验过程中的实验器材要求和可能遇到的问题。

2. 2022年10月-2023年5月，整合相关资源进行实验、记录实验数据以及实验中的问题、探索解决方法。

3. 2023年6月-2023年10月，分析最终实验数据并做出基于法布里-珀罗干涉仪提高光纤传感器灵敏度的研究课题总结，设计更高灵敏度的光纤法布里－珀罗干涉仪的仪器装置。

4. 2023年11月-2024年4月，发表论文，申请专利，成果验收和项目总结。