CN103487200B - 法布里-珀罗式压强感测腔及应用其的光纤压强传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种法布里-珀罗式压强感测腔及应用其的光纤压强传感器。该光纤法布里-珀罗式压强感测腔包括：壳体；第一膜片，在其中心位置设置杯状凸台；第二膜片，在其中心位置设置柱形凸台，柱形凸台的外柱面和杯状凸台的内筒面以共轴插接方式可滑动匹配，杯状凸台的底面与柱状凸台的顶面之间形成一容积空间；光纤，穿过柱形凸台伸入容积空间内，其端面和杯状凸台的底面作为法布里-珀罗腔的两个反射面；第一/第二膜片随外界气压的变化而运动，从而柱形凸台在杯状凸台内前后运动，进而引起法布里-珀罗腔的腔长发生变化。本发明中，杯状凸台的内侧壁与柱形凸台外侧壁共轴插接，可以保证膜片受到压力时法布里-珀罗腔的两个反射面始终平行。

Description

法布里-珀罗式压强感测腔及应用其的光纤压强传感器

技术领域

本发明涉及气压测量技术领域，尤其涉及一种法布里-珀罗式压强感测腔及应用其的光纤压强传感器。

背景技术

压强传感器是工业中的一种常用仪表，广泛应用于军事和民用领域。

机械式压强传感器出现较早且目前较为常见，如水银压强传感器、膜盒式压强传感器等。灵敏度低、不易数字化等问题使得机械式压强传感器在许多领域无法应用。电磁式压强传感器灵敏度相对较高，也易于数字化，如电力压强传感器、磁力压强传感器等。但在某些应用环境下，如电磁波干扰、遭遇打雷天气等，电磁式压强传感器常常出现测量不准甚至损坏的状况，往往不适合长距离信号实时传输和长期连续观测

光纤压强传感器是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的各种调制效应，探测周围环境压强的仪器。它与传统的机械式压强传感器和电磁式压强传感器相比，有以下主要优势：气压灵敏度高、不受电磁干扰、体积小、重量轻，以及兼具信息传感及光信息传输于一身等优点。鉴于光纤压强传感器的如上技术优势，可满足各发达国家在航空航天、油气勘探、气象测报等领域的要求，目前各国已经在此方面积极展开研究。

基于法布里-珀罗干涉原理的光纤压强传感器以其体积小、可绝对测量的优势备受关注。法布里-珀罗干涉是多光束干涉的一种，一般为一束光入射到两面平行放置的具有特定反射率的反射镜之间，发生多次反射后产生干涉输出。由这样的两面反射镜所构成的装置被称为法布里-珀罗标准具或法布里-珀罗腔。

目前大多数光纤压强传感器的法布里-珀罗式压强感测腔是由一根光纤的端面和一个具有特定反射率的压强敏感膜片的表面或者安装在该弹性膜片上的反射镜构成，即膜片式光纤压强传感器。这种传感器的压强灵敏度随膜片的材料、尺寸的改善而提高。近年来研究学者们在膜片的材料和尺寸的选择上做到了极大的优化。但是，在结构上没有改进使得单膜片式光纤压强传感器压强灵敏度无法进一步提高。因此，如何在膜片的材料和尺寸已优选情况下，通过改善光纤压强传感器结构提高气压灵敏度，是光纤压强传感器进一步发展的研究趋势和技术难题。

2005年，刘木林等人研究指出法布里-珀罗式压强感测腔两反射面的不平行度对干涉光强分布、峰值强度大小和峰值强度的位置有很大影响（刘木林，吴正茂，夏光琼，高斯光束斜入射非平行法布里-珀罗干涉仪后的透射光强分布，光学学报，2005，25（1）：109-114）。膜片的不规则变形使得常见的膜片式光纤法布里-珀罗传感器均存在这一问题。2010年，江俊峰、刘铁根等人分别通过在膜片上粘贴短光纤和设置平面—球形点接触结构来尝试弥补此缺点（中国专利，CN101832832A；CN101858809A），不过由于光纤法布里-珀罗传感器尺寸普遍较小，这些方法可操作性很差，并没有较好地解决该问题。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术由于法布里-珀罗式压强感测腔的腔面不平行导致测量信号反射率低，由其制成的光纤压强传感器测量精度较差。

发明内容

（一）要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种法布里-珀罗式压强感测腔及应用其的光纤压强传感器，以解决由于腔面不平行导致测量信号反射率低的问题。

（二）技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种法布里-珀罗式压强感测腔。该光纤法布里-珀罗式压强感测腔包括：壳体；第一膜片，沿垂直于壳体中心轴线的方向密封并固定于壳体内，在其中心位置设置杯状凸台；第二膜片，沿垂直于壳体中心轴线的方向密封并固定于壳体内，在其中心位置设置柱形凸台，柱形凸台的外柱面和杯状凸台的内筒面以共轴插接方式可滑动匹配，杯状凸台的底面与柱状凸台的顶面之间形成一容积空间；光纤，穿过柱形凸台伸入容积空间内，其端面和杯状凸台的底面之间构成法布里-珀罗腔；其中，第一膜片和/或第二膜片随外界气压的变化而运动，从而柱形凸台在杯状凸台内前后运动，进而引起法布里-珀罗腔的腔长发生变化。

根据本发明的另一个方面，提供了一种应用上述法布里-珀罗式压强感测腔的光纤压强传感器。该光纤压强传感器包括：光源模块，提供测量光；光路转换模块，将测量光传输至法布里-珀罗式压强感测腔，并接收由该法布里-珀罗式压强感测腔的反馈光信号；信号处理模块，对法布里-珀罗式压强感测腔的反馈光信号进行光电转换、数据处理，输出法布里-珀罗式压强感测腔所处环境的气压。

（三）有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明法布里-珀罗式压强感测腔及应用其的光纤压强传感器具有以下有益效果：

（1）第一膜片上的杯状凸台的内侧壁与第二膜片上的柱形凸台外侧壁共轴插接，可以保证膜片受到压力时法布里-珀罗腔的两个反射面始终平行；

（2）法布里-珀罗腔的两个端面分别安置在两个膜片上，两个结构同时感受外界气压，提高膜片式光纤压强传感器的气压灵敏度；

（3）采用全光测量方法，未采用任何电阻、电容等电学元件，可以在电磁干扰、打雷天气等恶劣环境下可靠应用，且适合于实现长距离信号实时传输和长期连续观测。

附图说明

图1为根据本发明实施例法布里-珀罗式压强感测腔的结构示意图；

图2为图1所示法布里-珀罗式压强感测腔中杯状凸台与圆柱形凸台插接的剖面示意图；

图3A为本发明法布里-珀罗式压强感测腔中三角形剖面凸台插接的剖面示意图；

图3B为本发明法布里-珀罗式压强感测腔中十字形剖面凸台插接的剖面示意图；

图3C为本发明法布里-珀罗式压强感测腔中四边形剖面凸台插接的剖面示意图；

图3D为本发明法布里-珀罗式压强感测腔中六边形剖面凸台插接的剖面示意图；

图4为根据本发明实施例光纤压强传感器的整体结构图；

图5为图4所示光纤压强传感器的反射光谱图。

【本发明主要元件符号说明】

100-法布里-珀罗式压强感测腔；

110-圆筒壳体；111-环形凸台；112-孔；

120-第一膜片；121-杯状凸台；122-反射面；

130-第二膜片；131-柱形凸台；140-高强度密封胶；

150-高强度密封胶；160-光缆；161-光纤；

162-法布里-珀罗腔；170-光纤引出结构；180-端盖；

190-螺钉；

200-光源模块；300-光路转换模块；400-信号处理模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明法布里-珀罗式压强感测腔及应用其的光纤压强传感器，在膜片的材料和尺寸已定情况下，通过优化结构，保证了前后腔面的平行，提高了测量信号的强度和测量精度。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种法布里-珀罗式压强感测腔。图1为根据本发明实施例法布里-珀罗式压强感测腔的结构示意图。图2为图1所示法布里-珀罗式压强感测腔中杯状凸台与圆柱形凸台插接的剖面示意图。

请参照图1和图2，本实施例法布里-珀罗式压强感测腔包括：圆筒壳体110，作为该法布里-珀罗式压强感测腔的支撑结构；第一膜片120，沿垂直于圆筒壳体110中心轴线的方向密封并固定于圆筒壳体110内，在其中心位置设置杯状凸台121；第二膜片130，沿垂直于圆筒壳体110中心轴线的方向密封并固定于圆筒壳体110内，在其中心位置设置圆柱形凸台131，该圆柱形凸台131的外圆柱面和杯状凸台121的内圆筒面以共轴插接方式相匹配，杯状凸台121的底面与圆柱状凸台131的顶面之间形成一容积空间；光纤161，穿过圆柱形凸台131伸入容积空间内，用于导入初始光信号和导出反馈光信号；其中，杯状凸台121的底面和光纤161的端面构成法布里-珀罗腔162，用于感受气压引起的腔长变化。

本实施例法布里-珀罗式压强感测腔中，第一膜片上的杯状凸台的内圆筒面与第二膜片上的圆柱形凸台外圆柱面共轴插接，并且，杯状凸台121的内侧壁与圆柱形凸台131的外侧壁表面进行过光滑处理，可以保证膜片受压时不会在壁面间出现明显的阻塞。通过上述设计，本实施例法布里-珀罗式压强感测腔中第一膜片120和/或第二膜片130受到压力时法布里-珀罗腔的两个反射面始终平行。

以下分别对本实施例法布里-珀罗式压强感测腔的各个组成部分进行详细说明。

本实施例以圆筒形壳体为例进行说明，但本发明并不以此为限。该壳体的横截面形状还可以是椭圆形、矩形、梯形等其他形状，同样在本发明的保护范围之内。

第一膜片120和第二膜片130所用材料为弹性材料，如聚合物或金属。第一膜片120和第二膜片130的尺寸和厚度依光纤压强传感器测量范围及精度设定。一般情况下，第一膜片120和第二膜片130的厚度介于0.05mm～1mm之间。

请参照图2，圆筒壳体110的内部包含有一环形凸台111，第一膜片120和第二膜片130分别抵接在环形凸台111的两侧。第一膜片120的外围与圆筒壳体110内部环形凸台111的连接处涂有高强度密封胶140。同样，第二膜片130的外围与圆筒壳体110内部环形凸台111的连接处涂有高强度密封胶150，从而在第一膜片120和第二膜片130之间形成密封的空间。一般情况下，高强度密封胶140和高强度密封胶150为同一种胶水，如DL577。

请参照图3，杯状凸台121与圆柱形凸台131所用材料均为刚性，为保证两个凸台顺利插接，实际制作过程中杯状凸台121的内径要略微大于圆柱形凸台131的外径（略大0.05～0.2mm）。然而，此结构在工作过程中，法布里-珀罗式压强感测腔易出现两个凸台不共轴的情况。为进一步解决此问题，设定杯状凸台121与圆柱形凸台131其中一种使用弹性材料，另一种使用刚性材料，杯状凸台121的内径略微小于圆柱形凸台131的外径，利用弹性材料的伸缩性保证两个凸台侧壁接近无空隙接触，进而保证凸台共轴。其中，该弹性材料可以为橡胶等。该刚性材料可以为金属、陶瓷等。杯状凸台121的内径小于圆柱形凸台131的外径约0.05～0.2mm。

本实施例中，圆柱形凸台131呈圆柱形，而杯状凸台121的剖面与其对应，但本发明并不以此为限。为进一步减小工作时膜片中心旋转变形，圆柱形凸台131外柱面的剖面还可以设计为多边形，如三角形、十字形、四边形、六边形等。杯状凸台121内筒面的剖面与之互补，如图3A至图3D所示，只要杯状凸台的内表面形状与柱形凸台外表面的形状相匹配即可。

光纤161穿过圆柱形凸台131，并通过胶水粘结或机械夹持等办法固定在圆柱形凸台131的轴线上。承受环境气压作用时，光纤161随第二膜片130及圆柱形凸台131做轴向运动。法布里-珀罗腔162的两个反射面可以是光纤161的端面和杯状凸台121的内表面本身，也可以是光纤161的端面和杯状凸台121内表面上镀制的反射面122，如金属膜或介质膜。此外，光纤161的端面是与光纤轴线垂直的平面，杯状凸台121的内表面所提供的反射面是与凸台轴线垂直的平面，保证杯状凸台121与圆柱形凸台131共轴插接时法布里-珀罗腔162的两个反射面保持平行。

请参照图1，第一膜片120直接与外界环境相连通。圆筒壳体110靠近第二膜片的一侧设有端盖180，用于保护壳内器件。圆筒壳体110与其下的端盖180通过螺钉190固定，也可以使用其它方法固定，如螺纹固定或胶水粘结。

端盖180上具有将光纤161顺利引出圆筒壳体外部的光纤引出结构170。光纤引出结构170可以与端盖180是一体的，也可以是通过螺接或粘贴等办法固定在端盖180上的独立零件。优选地，光纤引出结构170为柱状，从而方便组装时光纤161的插拔及固定。

事实上，光纤161为光缆160去除保护层之后的中心部分。光纤引出结构170与位于端盖180外侧的光缆160的保护层使用胶水粘结或机械固定，如704胶水。光纤161在第二膜片130和端盖180之间的部分完全处于松弛状态，从而不对第二膜片中心挠度随压强变化的响应产生干扰。

请参照图1，在第二膜片130和端盖180之间的圆筒壳体110侧壁开有至少一个通气孔112，用于将第二膜片130下侧的腔体与外界气压环境连通。由于该光纤压强传感器体积很小，或者在均匀气压环境下使用，第一膜片120和第二膜片130所受环境压强可视为相等。优选的，在圆筒壳体110侧壁的外围，均匀设置若干个通气孔。

通过上述说明可知，本实施例法布里-珀罗式压强感测腔中，第一膜片上的杯状凸台的内侧壁与第二膜片上的柱形凸台外侧壁共轴插接，以保证膜片受到压力时法布里-珀罗腔的两个反射面始终平行，此外，法布里-珀罗式压强感测腔的两个端面分别安置在两个膜片上，两个结构同时感受外界气压，提高光纤压强传感器的气压灵敏度。

至此，本发明实施例法布里-珀罗式压强感测腔介绍完毕。

在本发明的另一个实施例中，还提供了一种应用上述法布里-珀罗式压强感测腔的光纤压强传感器。

请参照图4，该光纤压强传感器包括：光源模块200，提供测量光，其依解调原理的不同可以为单色光源或宽带光源；光路转换模块300，用于将测量光传输至法布里-珀罗式压强感测腔100，并接收由该法布里-珀罗式压强感测腔100的反馈光信号，其可以是光环形器或光耦合器等；信号处理模块400用于对反馈光信号进行光电转换、数据处理，输出上述法布里-珀罗式压强感测腔100所处环境的气压，其解调方法包括强度解调法、双峰法、白光干涉法等等。

本实施例光纤压强传感器的工作原理为：气压感测组件100放置或安装在待测气压环境中，其反馈光信号的光谱随法布里-珀罗腔腔长的变化而变化；该气压感测组件100通过光路转换模块300与信号解调组件400相连，由信号解调组件200从气压感测组件100输出的光谱信号中反演出气压感测组件100所在位置的气压。

为了进一步验证本实施例光纤压强传感器的测量能力，利用双峰法解调原理对其进行光谱观察试验。光源模块采用C波段ASE光源，观察到光纤压强传感器的反射光谱如图5所示。可以看出，光纤压强传感器的反射光谱图内可清晰的寻得干涉峰，即利用双峰法解调原理可实现气压的准确测量。

本实施例光纤压强传感器不同于电学压强传感器，其采用全光测量方法，不必在压强传感器内部安装电容、电阻等电学器件，因此可以在电磁干扰、打雷天气等恶劣环境下应用，且适合于实现长距离信号实时传输和长期连续观测。

至此，本发明实施例光纤压强传感器介绍完毕。

上文已经结合附图对本发明两实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明法布里-珀罗式压强感测腔及应用其的光纤压强传感器有了清楚的认识。

此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

（1）穿过圆柱形凸台131的光纤161还可以用光纤跳线头来代替；

（2）光纤161的端面除了垂直端面之外，还可以是具有特定角度的倾斜端面。

综上所述，本发明提供一种可保证相对的两膜片始终平行的法布里-珀罗式压强感测腔及应用其的光纤压强传感器。即使环境扰动引起膜片不规则变形，本发明光纤压强传感器也能实现对待测气压的稳定测量，从而可以广泛应用于航空航天、油气勘探、气象测报等诸多领域。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种法布里-珀罗式压强感测腔，其特征在于，包括：

壳体；

第一膜片，沿垂直于所述壳体中心轴线的方向密封并固定于所述壳体内，在其中心位置设置杯状凸台；

第二膜片，沿垂直于所述壳体中心轴线的方向密封并固定于所述壳体内，在其中心位置设置柱形凸台，所述柱形凸台的外柱面和所述杯状凸台的内筒面以共轴插接方式可滑动匹配，所述杯状凸台的底面与柱状凸台的顶面之间形成一容积空间；

光纤，穿过所述柱形凸台伸入所述容积空间内，其端面和所述杯状凸台的底面作为所构成的法布里-珀罗腔的两个反射面；以及

端盖，设置于所述壳体靠近第二膜片的一侧，该端盖上具有将所述光纤引出壳体外部的光纤引出结构；

其中，所述第一膜片和/或第二膜片随外界气压的变化而运动，从而所述柱形凸台在所述杯状凸台内前后运动，进而引起所述法布里-珀罗腔的腔长发生变化。

2.根据权利要求1所述的法布里-珀罗式压强感测腔，其特征在于，所述柱形凸台外柱面的横截面形状为圆形、椭圆形、三角形、十字形、四边形，或六边形，所述杯状凸台内筒面的横截面与其互补。

3.根据权利要求2所述的法布里-珀罗式压强感测腔，其特征在于，所述柱形凸台外柱面为外圆柱面，所述杯状凸台内筒面为内圆筒面。

4.根据权利要求1所述的法布里-珀罗式压强感测腔，其特征在于：

所述杯状凸台和所述柱形凸台的材料为刚性材料；或

所述杯状凸台和所述柱形凸台中，其中之一的材料为刚性材料，其中另一的材料为弹性材料。

5.根据权利要求1所述的法布里-珀罗式压强感测腔，其特征在于：

所述第一膜片直接与外界气压环境相连通；

在所述第二膜片和所述端盖之间的壳体侧壁开有至少一个通气孔，用于将所述第二膜片与所述端盖之间的腔体与外界气压环境相连通。

6.根据权利要求5所述的法布里-珀罗式压强感测腔，其特征在于，在壳体侧壁的外围，均匀设置若干个所述通气孔。

7.根据权利要求1所述的法布里-珀罗式压强感测腔，其特征在于，所述光纤在所述第二膜片和所述端盖之间的部分处于完全松弛状态。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的法布里-珀罗式压强感测腔，其特征在于：所述壳体的横截面形状为：圆形、椭圆形、矩形或梯形；

所述第一膜片和第二膜片的材料为弹性材料，两者的厚度介于0.05mm～1mm之间。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的法布里-珀罗式压强感测腔，其特征在于：

所述光纤为光缆去除保护层之后的中心部分；所述光纤引出结构与位于所述端盖外侧的光缆的保护层胶水粘结或机械固定；

所述壳体的内部包含有一环形凸台；所述第一膜片和所述第二膜片分别密封连接于所述环形凸台的两侧，从而在所述第一膜片和所述第二膜片之间形成密封的空间。

10.一种包括权利要求1至7中任一项所述法布里-珀罗式压强感测腔的光纤压强传感器，其特征在于，还包括：

光源模块，提供测量光；

光路转换模块，将所述测量光传输至所述法布里-珀罗式压强感测腔，并接收由该法布里-珀罗式压强感测腔的反馈光信号；

信号处理模块，对所述法布里-珀罗式压强感测腔的反馈光信号进行光电转换、数据处理，输出所述法布里-珀罗式压强感测腔所处环境的气压。