CN103674358A - 一种膜片式光纤f-p腔压力传感器温度补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种膜片式F-P腔压力传感器温度补偿方法，属于光纤传感和压力测量及健康监测领域。首先选取玻璃7740材料制作腔底，同时采用硅制作F-P腔膜片，厚度为40μm；其次根据材料的热膨胀系数，玻璃的为3.3×10-6，硅片的为2.4×10-6，同时考虑到与硅的亲和性与柔韧性，选用钛进行真空溅射镀膜，其热膨胀系数为10.8×10-6，膜厚为100nm；然后采用研磨、抛光仪器对硅及玻璃表面进行预处理，并采用高温键合方法将两者固定一起，腔体为真空环境；最后采用环氧树脂胶粘剂将传输光纤固定于腔底的下侧。本发明流程简单，易于实现可以代替复杂的软件算法进行的温度补偿。

Description

一种膜片式光纤F-P腔压力传感器温度补偿方法
技术领域
本发明涉及一种膜片式F-P腔压力传感器温度补偿方法，属于光纤传感和压力测量及健康监测领域。
背景技术
随着光纤传感器技术的不断发展，其在工程测量中的应用越来越为广泛。相对于传统压力传感器，光纤F-P腔压力传感器有其自身很多的优点，如尺寸小，结构形式多变，不受电磁干扰，可以在恶劣环境下工作等，目前已广泛应用于航空航天、船舶、石油、医学等领域中。
由于光纤F-P腔压力传感器的结构小巧，精确度高，结构形式可以随测量对象改动，并且在不同的测量场合可以选择合适的膜片材料。同时对于一些特殊的领域，工作环境苛刻，给传感器提供的安装空间也十分有限，所以光纤F-P腔压力传感器已经广泛应用于航空航天及石油领域的压力和液位的测量，以及桥梁、船舶等大型结构的健康监测中。
光纤F-P腔压力传感器的工作原理是外界压力作用在敏感膜片上，膜片将发生变形，进而影响F-P腔的腔长，引起干涉谱的变化，实现压力的传感。当传感器的工作环境同时有温度载荷时，需要考虑温度效应对传感器压力测量结果的影响。因为传感器的腔底和膜片在温度变化时都会产生相应的变形，而两者的热膨胀系数不同，则它们的变形量也不相同，即产生不协调变形，这会对腔长的变化产生影响。压力的测量对F-P腔长的变化比较敏感，所以温度、压力交叉敏感度对光纤F-P腔压力传感器的测量精度的影响不能忽略，需要进行温度补偿来解决该问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决由于F-P腔压力传感器膜片和腔底材料的热膨胀系数的不同，在温度影响下造成膜片热变形与腔底部分的热变形不协调，从而影响F-P腔长的变化及压力的测量精度的问题，提供一种膜片式F-P腔压力传感器温度补偿方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种膜片式F-P腔压力传感器温度补偿方法，是采用在膜片表面真空溅射镀膜的方法来解决F-P腔压力传感器的温度、压力交叉问题，具体实现步骤如下：
①选取玻璃7740材料制作腔底，同时采用硅制作F-P腔膜片，厚度为40μm；
②根据材料的热膨胀系数，玻璃的为3.3×10-6，硅片的为2.4×10-6，同时考虑到与硅的亲和性与柔韧性，选用钛进行真空溅射镀膜，其热膨胀系数为10.8×10-6，膜厚为100nm，以保证其拉力不至于过大；
③采用研磨、抛光仪器对硅及玻璃表面进行预处理键合界面，然后采用高温键合方法将两者固定一起，腔体为真空环境；
④采用环氧树脂胶粘剂将传输光纤固定于腔底的下侧。
有益效果
本发明是一种膜片式F-P腔压力传感器温度补偿方法，解决了由于F-P腔压力传感器膜片和腔底材料的热膨胀系数的不同、在工作环境的温度影响下造成膜片热变形与腔底部分的热变形不协调、从而影响F-P腔长的变化及压力的测量精度问题，采用在膜片表面真空溅射镀膜的方法抵消由于膜片和腔底产生不协调的热变形，要求镀膜材料的热膨胀系数应大于膜片的热膨胀系数，以保证传感器受到环境热载荷时带动膜片产生与腔底一致的变形，仪器测得的腔长变化反映实际压力载荷大小，从而抵消掉由于膜片和腔底热学性能不匹配带来的测量误差，解决了F-P腔压力传感器的温度、压力交叉敏感问题。该法工艺流程简单，易于实现，可以代替复杂的软件算法进行的温度补偿。
附图说明
图1为本发明的工作原理简图；
图2为不同腔底形状的俯视图；（a）腔底模型为六面体，（b）腔底模型为圆柱体；
图3为腔底固定传输光纤不同形式截面图；（c）腔底用于固定传输光纤处的横截面形状为矩形，（d）腔底用于固定传输光纤处的横截面形状为梯形。
图中标号，1-镀膜、2-膜片、3-F-P腔、4-腔底、5-环氧树脂胶粘剂、6-传输光纤、7-键合界面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
见图1，一种膜片式F-P腔压力传感器温度补偿方法，其具体的实施步骤如下：
①选取玻璃7740材料制作腔底4，同时采用硅制作F-P腔膜片2，厚度为40μm；
②根据材料的热膨胀系数，玻璃的为3.3×10-6，硅片的为2.4×10-6，同时考虑到与硅的亲和性与柔韧性，选用钛进行真空溅射镀膜1，其热膨胀系数为10.8×10-6，膜厚为100nm，以保证其拉力不至于过大；
③采用研磨、抛光仪器对硅及玻璃表面进行预处理键合界面，然后采用高温键合方法将两者固定一起，腔体3为真空环境；
④采用环氧树脂胶粘剂5将传输光纤6固定于腔底的下侧。
见图2，腔底模型可以为六面体（a）或圆柱体（b）。
见图3，腔底用于固定传输光纤处的横截面形状为矩形（c）或者梯形（d）。

Claims (5)

1.一种膜片式F-P腔压力传感器温度补偿方法，其特征在于：通过以下步骤实现：
①选取玻璃7740材料制作腔底，同时采用硅制作F-P腔膜片，厚度为40μm；
②根据材料的热膨胀系数，玻璃为3.3×10-6，硅片为2.4×10-6，同时考虑到与硅的亲和性与柔韧性，选用钛金属进行真空溅射镀膜，其热膨胀系数为10.8×10-6，膜厚为100nm，以保证其拉力不至于过大；
③采用研磨、抛光仪器对硅及玻璃表面进行预处理，然后采用高温键合方法将两者固定一起，腔体为真空环境；
④采用环氧树脂胶粘剂将传输光纤固定于腔底的下侧。
2.根据权利要求1所述的膜片式F-P腔压力传感器温度补偿方法，其特征在于：采用真空溅射法的镀膜的形状包括矩形，圆环形或圆形。
3.根据权利要求1所述的膜片式F-P腔压力传感器温度补偿方法，其特征在于：采用真空溅射法的镀膜的材料包括金属或者复合材料。
4.根据权利要求1所述的膜片式F-P腔压力传感器温度补偿方法，其特征在于：腔底外观模型可以为六面体或圆柱体。
5.根据权利要求1所述的膜片式F-P腔压力传感器温度补偿方法，其特征在于：腔底用于固定传输光纤处的横截面形状为矩形或者梯形。
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