CN105136358A - 一种光纤双法-珀压力传感器、测量装置及计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤双法-珀压力传感器，包括毛细管、入射光纤和反射光纤，毛细管包括密封端和开口端，在毛细管内部靠近密封端一侧设置有长度为第一腔长的反射光纤，反射光纤与毛细管形成腔长为第一腔长的本征法-珀腔，用于根据第一腔长得到环境温度；在毛细管开口端设置有入射光纤，入射光纤与反射光纤之间距离为第二腔长，入射光纤、反射光纤与毛细管形成第二腔长的非本征法-珀腔，用于根据第二腔长得到非本征法-珀腔数据，非本征法-珀腔数据与外部压力和环境温度相关。本发明可以简化探头结构，消除环境温度对压力传感器的影响，提高测量精度。

Description

一种光纤双法-珀压力传感器、测量装置及计算方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤双法-珀压力传感器、测量装置及计算方法。

背景技术

光纤法布里-珀罗干涉仪(Fiber-opticFabry-Perotinterferometer,FFPI)，简称光纤法-珀干涉仪，或光纤法-珀腔，是一种典型的光纤传感结构。

根据腔内介质是否为光纤，又分为本征法-珀腔(IntrinsicFabry-Perotinterferometer,IFPI)和非本征法-珀腔(ExtrinsicFabry-Perotinterferometer,EFPI)。由于非本征法-珀腔传感器制作简单、灵敏度高、稳定性好等优点，已被广泛应用于环境测量和大型结构监测中，如用作压力、应变等传感器。

现有技术中，如图1所示，采用两个非本征法-珀腔构成压力传感器。但由于非本征法-珀腔对环境温度敏感，使得在环境温度变化明显或者测量精度要求高时，对测量结果造成一定的影响。

通过在非本征法-珀腔传感器上再连接一个温度传感单元，如光纤光栅(FBG)用作温度测量和补偿。但引入额外的结构会增加传感器的复杂度，且在探头安装与封装过程中带来各种问题，如串联光栅的光纤法-珀腔压力传感器，就需要无应力封闭光纤光栅。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种光纤双法-珀压力传感器、测量装置及计算方法，可以消除环境温度对压力传感器的影响，从而提高测量精度。

第一方面，本发明提供了一种光纤双法-珀压力传感器，包括毛细管、入射光纤和反射光纤，所述毛细管包括密封端和开口端，在所述毛细管内部靠近密封端一侧设置有长度为第一腔长的反射光纤，所述反射光纤与所述毛细管形成腔长为第一腔长的本征法-珀腔，用于根据所述第一腔长得到环境温度；

在所述毛细管开口端设置有入射光纤，所述入射光纤与所述反射光纤之间距离为第二腔长，所述入射光纤、所述反射光纤与所述毛细管形成第二腔长的非本征法-珀腔，用于根据所述第二腔长得到所述非本征法-珀腔数据，所述非本征法-珀腔数据与外部压力和所述环境温度相关。

可选地，所述第一腔长大于第二腔长，用于使本征法-珀腔的温度灵敏度高于非本征法-珀腔的温度灵敏度。

可选地，所述反射光纤的两端为平面，且所述平面垂直于所述毛细管内壁；

所述入射光纤与所述反射光纤相邻的一端为平面，所述平面垂直于所述毛细管内壁。

可选地，所述入射光纤与所述反射光纤通过环形焊固定在所述毛细管内部。

可选地，所述毛细管采用熔融石英制成。

第二方面，本发明还提供了一种光纤法-珀压力测量装置，利用上述的光纤双法-珀压力传感器制成，还包括计算单元，

所述计算单元用于根据所述第一环境温度与所述非本征法-珀腔数据计算所述外部压力。

第三方面，本发明还提供了一种光纤双法-珀压力传感器的压力计算方法，该光纤双法-珀压力传感器包括毛细管、入射光纤和反射光纤，所述毛细管包括密封端和开口端，在所述毛细管内部靠近密封端处设置有第一腔长的反射光纤，所述反射光纤与所述毛细管形成第一腔长的本征法-珀腔；通过所述毛细管开口端设置有入射光纤，所述入射光纤与所述反射光纤之间距离为第二腔长，所述入射光纤、所述反射光纤与所述毛细管形成第二腔长的非本征法-珀腔；该方法包括：

根据所述第一腔长得到环境温度；

根据所述第二腔长得到所述非本征法-珀腔数据，所述非本征法-珀腔数据与外部压力和所述环境温度相关；

根据所述第一环境温度与所述非本征法-珀腔数据计算所述外部压力。

可选地，所述根据所述第一腔长得到环境温度的步骤，计算式为：

ΔT＝ΔG₂/G₂α_i

其中，ΔG₂为本征法-珀腔的第一腔长变化值，G₂为本征法-珀腔的实际腔长，α_r为反射光纤的热膨胀系数，ΔT为温度变化值。

可选地，所述根据所述第一环境温度与所述非本征法-珀腔数据计算所述外部压力，还包括计算所述温度变化引起第二腔长变化的步骤

可选地，所述计算温度变化引起第二腔长变化的步骤，计算式为：

ΔG₁＝G₁α_iΔT

其中，ΔG₁为非本征法-珀腔的第二腔长变化值，G₁为本征法-珀腔的实际腔长，α_i为反射光纤的热膨胀系数，ΔT为温度变化值。

本发明通过结合光纤法-珀腔传感器与光纤非法-珀腔传感器，可以在已知光纤法-珀腔的腔长情况下，得到当前环境温度；在得到光纤非法-珀腔的腔长的情况下，结合当前环境温度，测得光纤双法-珀压力传感器所受到的外部压力，从而消除环境温度对测量时的影响。本发明传感器的不改变原有封闭、结构简单。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了非本征法-珀腔示意图；

图2示出了本发明实施例中光纤双法-珀腔结构示意图；

附图标记：10-毛细管，11-毛细管密封端，12-毛细管开口端，20-反射光纤，21-反射光纤端面，30-入射光纤，31-入射光纤端面，40-环形固定位置。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

第一方面，本发明提供了一种光纤双法-珀压力传感器，包括毛细管、入射光纤和反射光纤，毛细管包括密封端和开口端，在毛细管内部靠近密封端一侧设置有长度为第一腔长的反射光纤，反射光纤与毛细管形成腔长为第一腔长的本征法-珀腔，用于根据第一腔长得到环境温度；

在毛细管开口端设置有入射光纤，入射光纤与反射光纤之间距离为第二腔长，入射光纤、反射光纤与毛细管形成第二腔长的非本征法-珀腔，用于根据第二腔长得到非本征法-珀腔数据，非本征法-珀腔数据与外部压力和环境温度相关。

本发明通过结合光纤法-珀腔传感器与光纤非法-珀腔传感器，可以在光纤法-珀腔的腔长情况下，得到当前环境温度；在得到光纤非法-珀腔的腔长的情况下，结合当前环境温度，测得光纤双法-珀压力传感器所受到的外部压力，从而消除环境温度对测量时的影响。本发明传感器的不改变原有封闭、结构简单。

如图2所示，本发明提供的一种光纤双法-珀压力传感器，包括毛细管10、反射光纤20和入射光纤30。其中，毛细管10包括密封端11和开口端12，并且内壁平滑的曲面。反射光纤20长度为G₂，设置在毛细管10内部，并且靠近密封端11。该毛细管10与该反射光纤20形成了本征法-珀腔，该本征法-珀腔的腔长为G₂。密码端11一方面保护反射光纤20的端面21，另一方面隔绝如外部压力的外部环境对反射光纤20的影响。

入射光纤30的一部分通过毛细管10的开口端12设置在毛细管10的内部。该入射光纤30的端面31与反射光纤20的端面21之间的距离为G₁。该入射光纤30、毛细管10和反射光纤20形成了非本征法-珀腔。该非本征法-珀腔的腔长为G₁。

可选地，反射光纤20的端面21为平面，且该平面垂直于毛细管10的内壁。

可选地，入射光纤30与反射光纤20固定在毛细管10的内部。本发明实施例中，通过在环形固定位置将入射光纤30与反射光纤20固定在毛细管10的内部，固定方法采用环形焊。

可选地，毛细管10采用熔融石英制成。本发明实施例中，毛细管采用熔融石英制作，使毛细管10与入射光纤30和反射光纤20的热膨胀系统相同，使环境温度对毛细管10、入射光纤30和反射光纤20的影响相同。

第二方面，本发明还提供了一种光纤法-珀压力测量装置，利用上述的光纤双法-珀压力传感器制成，还包括计算单元，计算单元用于根据第一环境温度与非本征法-珀腔数据计算外部压力。

该光纤法-珀压力测量装置由于包括上述任意一种光纤法-珀压力传感器，因而可以解决同样的技术问题，并取得相同的技术效果，在此不再详述。

基于上述发明目的，第三方面，本发明又提供了一种光纤双法-珀压力传感器的压力计算方法，其特征在于，该光纤双法-珀压力传感器包括毛细管、入射光纤和反射光纤，毛细管包括密封端和开口端，在毛细管内部靠近密封端处设置有第一腔长的反射光纤，反射光纤与毛细管形成第一腔长的本征法-珀腔；通过毛细管开口端设置有入射光纤，入射光纤与反射光纤之间距离为第二腔长，入射光纤、反射光纤与毛细管形成第二腔长的非本征法-珀腔；该方法包括：

根据第一腔长得到环境温度；

根据第二腔长得到非本征法-珀腔数据，非本征法-珀腔数据与外部压力和环境温度相关；

根据第一环境温度与非本征法-珀腔数据计算外部压力。

可见，本发明实施例中，非本征法-珀腔对外部压力和环境温度均敏感，且都为线性关系，本征法珀腔部分只对温度敏感，也为线性关系，合适结构尺寸下并且温度敏感性高于非本征法-珀腔。理论压力计算模型为：

P＝k₁G₁+k₂G₂+b

其中，G₁为非本征法-珀腔的腔长，G₂是本征法-珀腔的腔长，k₁为非本征法-珀腔的温度压力敏感系统，k₂为本征法-珀腔的温度敏感系统，b为基础腔长。

通过实验标定确定相关系数，实时解调出两部分腔长，即可得到测量压力值。实际应用中，在重复性基础上，使用非线性拟合，可提高测量精度。

下面详细介绍该压力计算模块的计算过程。

如图2所示，当外部压力作用在非本征法-珀腔上时，轴向的作用使腔长缩短，径向和切向的作用使腔长增加。由广义胡克定律可得，腔长的变化量为：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{L}{E}[{\mathrm{\σ}}_z-\mathrm{\μ}({\mathrm{\σ}}_r+{\mathrm{\σ}}_t)]---\left(1\right)$

其中，E为材料杨氏模量，μ为泊松比，σ_z,σ_r和σ_t分别为轴向，径向和切向应力。设内压为P_i，外压为P，由弹性力学分析可知：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{\frac{r_o^2}{r^2}-1}{\frac{r_o^2}{r_i^2}-1}{P}_i-\frac{1-\frac{r_i^2}{r^2}}{1-\frac{r_i^2}{r_o^2}}P---\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}_t=\frac{\frac{r_o^2}{r^2}+1}{\frac{r_o^2}{r_i^2}-1}{P}_i-\frac{1+\frac{r_i^2}{r^2}}{1-\frac{r_i^2}{r_o^2}}P---\left(3\right)$

取边界r＝r_o，忽略内压P_i，只考虑应力大小，则式(2)(3)可以为：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{1-\frac{r_i^2}{r_o^2}}{1-\frac{r_i^2}{r_o^2}}P=P---\left(4\right)$

${\mathrm{\σ}}_t=\frac{1+\frac{r_i^2}{r_o^2}}{1-\frac{r_i^2}{r_o^2}}P=\frac{r_o^2+r_i^2}{r_o^2-r_i^2}P---\left(5\right)$

轴向应力为：

${\mathrm{\σ}}_z=\frac{r_o^2}{r_o^2-r_i^2}P---\left(6\right)$

将式(4)(5)(6)代入(1)式得：

$\mathrm{\ΔG}=\frac{L{r}_0^2}{E(r_0^2-r_i^2)}(1-2\mathrm{\μ})\mathrm{\ΔP}---\left(7\right)$

由式(7)可知，非本征法-珀腔的腔长变化与压力呈简单线性关系，从而作为压力传感器具有很大优势。

但是由于热胀冷缩，该结构非本征法-珀腔也对温度敏感，由温度变化导致的腔长变化为：

ΔG₁＝Lα_hΔT-L_iα_iΔT-L_rα_rΔT＝(Lα_h-L_iα_i-L_rα_r)ΔT(8)

其中，α_h,α_i和α_r分别为毛细管、入射光纤和反射光纤的热膨胀系数。

毛细管为入射光纤和反射光纤材料相似的熔融石英制作，使它们的热膨胀系数相同，从而可以得到式(8)为：

ΔG₁＝(Lα_i-L_iα_i-L_rα_i)ΔT＝G₁α_iΔT(9)

因此，温度与外部压力同时作用时，非本征法-珀腔的腔长变化为：

$\mathrm{\Δ}{G}_1=\frac{L{r}_0^2}{E(r_0^2-r_i^2)}(1-2\mathrm{\μ})\mathrm{\ΔP}+G_1{\mathrm{\α}}_i\mathrm{\ΔT}---\left(10\right)$

记 $k_{\mathrm{GP}}=\frac{L{r}_0^2}{E(r_0^2-r_i^2)}(1-2\mathrm{\μ}),$ k_GT＝G₁α_i，则：

ΔG₁＝k_GPΔP+k_GTΔT(11)

即有：

G₁-G₁₀＝k_GP(P-P₀)+k_GT(T-T₀)(12)

其中，G₁₀为外部压力为P₀、环境温度为T₀时非本征法-珀腔的腔长值。

如图2所示，由于本征法-珀腔密封在毛细管内，只对环境温度敏感，其温度灵敏度可表示为：

ΔG₂＝G₂α_rΔT(13)

记k_TG2＝1/G₂α_r，则：

ΔT＝k_GT2ΔG₂(14)

即有：

T-T₀＝k_TG2(G₂-G₂₀)(15)

其中，G₂₀为环境温度为T₀时本征法-珀腔的腔长值。

将式(15)代入式(12)中，得：

G₁-G₁₀＝k_GP(P-P₀)+k_GTk_TG2(G₂-G₂₀)，

即可得：

P＝k₁G₁+k₂G₂+b(15)

其中

k₁＝1/k_GP

k₂＝-k_GTk_TG2/k_GP

b＝P₀+(k_GTk_TG2G₂₀-G₁₀)

当G₂>G₁时，本征法-珀腔的温度灵密度高于非本征法-珀腔的温度灵密度。实际应用中，取本征法-珀腔的腔长G₂的长度为非本征法-珀腔的腔长G₁的数倍，从而在测量外部压力时消除环境温度的影响。

本发明的光纤双法-珀压力传感器采用本征法-珀腔与非本征法-珀腔相结合的方式，只需要实际测得本征法-珀腔与非本征法-珀腔的腔长值即可，可以消除环境温度对压力传感器引起的误差。并且，本发明的压力传感器可以省去现有技术中的温度补偿单元，结构简单。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤双法-珀压力传感器，其特征在于，包括毛细管、入射光纤和反射光纤，所述毛细管包括密封端和开口端，在所述毛细管内部靠近密封端一侧设置有长度为第一腔长的反射光纤，所述反射光纤与所述毛细管形成腔长为第一腔长的本征法-珀腔，用于根据所述第一腔长得到环境温度；

在所述毛细管开口端设置有入射光纤，所述入射光纤与所述反射光纤之间距离为第二腔长，所述入射光纤、所述反射光纤与所述毛细管形成第二腔长的非本征法-珀腔，用于根据所述第二腔长得到所述非本征法-珀腔数据，所述非本征法-珀腔数据与外部压力和所述环境温度相关。

2.如权利要求1所述的光纤双法-珀压力传感器，其特征在于，

所述第一腔长大于第二腔长，用于使本征法-珀腔的温度灵敏度高于非本征法-珀腔的温度灵敏度。

3.如权利要求1所述的光纤双法-珀压力传感器，其特征在于，

所述反射光纤的两端为平面，且所述平面垂直于所述毛细管内壁；

所述入射光纤与所述反射光纤相邻的一端为平面，所述平面垂直于所述毛细管内壁。

4.如权利要求1所述的光纤双法-珀压力传感器，其特征在于，

所述入射光纤与所述反射光纤通过环形焊固定在所述毛细管内部。

5.如权利要求1～4中任一项所述的光纤双法-珀压力传感器，其特征在于，

所述毛细管采用熔融石英制成。

6.一种光纤法-珀压力测量装置，其特征在于，包括权利要求1～5任一项所述的光纤双法-珀压力传感器，还包括计算单元，

所述计算单元用于根据所述第一环境温度与所述非本征法-珀腔数据计算所述外部压力。

7.一种光纤双法-珀压力传感器的压力计算方法，其特征在于，该光纤双法-珀压力传感器包括毛细管、入射光纤和反射光纤，所述毛细管包括密封端和开口端，在所述毛细管内部靠近密封端处设置有第一腔长的反射光纤，所述反射光纤与所述毛细管形成第一腔长的本征法-珀腔；通过所述毛细管开口端设置有入射光纤，所述入射光纤与所述反射光纤之间距离为第二腔长，所述入射光纤、所述反射光纤与所述毛细管形成第二腔长的非本征法-珀腔；该方法包括：

根据所述第一腔长得到环境温度；

根据所述第二腔长得到所述非本征法-珀腔数据，所述非本征法-珀腔数据与外部压力和所述环境温度相关；

根据所述第一环境温度与所述非本征法-珀腔数据计算所述外部压力。

8.如权利要求7所述的压力计算方法，其特征在于，

所述根据所述第一腔长得到环境温度的步骤，计算式为：

ΔT＝ΔG₂/G₂α_i

其中，ΔG₂为本征法-珀腔的第一腔长变化值，G₂为本征法-珀腔的实际腔长，α_r为反射光纤的热膨胀系数，ΔT为温度变化值。

9.如权利要求7所述的压力计算方法，其特征在于，

所述根据所述第一环境温度与所述非本征法-珀腔数据计算所述外部压力，还包括计算所述温度变化引起第二腔长变化的步骤。

10.如权利要求9所述的压力计算方法，其特征在于，

所述计算温度变化引起第二腔长变化的步骤，计算式为：

ΔG₁＝G₁α_iΔT

其中，ΔG₁为非本征法-珀腔的第二腔长变化值，G₁为本征法-珀腔的实际腔长，α_i为反射光纤的热膨胀系数，ΔT为温度变化值。