CN105953958B - 全石英光纤珐珀压力传感器 - Google Patents
全石英光纤珐珀压力传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了两种新型全石英光纤珐珀压力传感器，包括光纤、石英球壳、连接在石英球壳尾部的中空石英管组成；其中一种结构为光纤插入中空石英管并伸至石英球壳内，中空石英管与光纤熔接在一起，使珐珀腔密闭；另一种结构是光纤、中空石英管外分别熔接石英套管，两个石英套管外再共同熔接大石英套管，光纤一端面及石英球壳都位于大石英套管内且相对而置。两种传感器的工作原理都为当外部压力作用于石英球壳上时，引起珐珀腔腔长改变，干涉信号随之发生变化。本发明成本低廉，制备工艺简单，无需大型仪器；信号耦合情况好，灵敏度高；全石英结构耐高温性能良好，温度系数小，适于高温环境下应用。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体是一种全新结构设计的全石英光纤珐珀压力传感器。
背景技术
近年来，随着国防、航空航天、能源、环境、电力、汽车等领域的迅猛发展，对传感器的微型化、低耗能、耐恶劣环境等要求提出了更高的要求。光纤式传感器因其具有较好的隐身性，较高的测量精度和灵敏度、较快的动态响应速度，测量范围宽，本质安全，不受电磁干扰等优点，受到越来越多的关注。
光纤珐珀传感器因尺寸小、结构简单、灵敏度高等特点，应用广泛。光纤珐珀压力传感器是主要应用之一，被广泛应用于国防安全、航空航天、石油勘测等领域。目前，光纤珐珀压力传感器的制作方法有MEMS技术、电弧焊光子晶体光纤技术等。但这些方法存在制作工艺复杂、成本高、耐高温性能差等缺点。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供两种全新结构设计且具有灵敏度高、耐高温性能好、温度系数低、加工方法简单、成本低等特点的全石英光纤珐珀压力传感器。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种结构的全石英光纤珐珀压力传感器，包括光纤、中空石英管和石英球壳；中空石英管的一端口与石英球壳连接相通，光纤的一端（即内端）从中空石英管的另一端口插入并伸至石英球壳内，同时光纤与中空石英管熔接在一起，形成密闭空腔。其中，石英球壳为空心状的球形壳体，其壁厚与所测试压力的量程与灵敏度有关。
其中，光纤伸至石英球壳内的一端端面（即内端面）为垂直切平状或半球状（也可称为半球辐射状）。当光纤伸至石英球壳内的内端面为半球状时，半球状的焦点与石英球壳内表面的焦点重合。
光纤与中空石英管的熔接点距离光纤内端面的长度大于光纤内端面距离石英球壳内表面的长度（即大于实际珐珀腔的长度），其具体比值根据光纤材料的热膨胀系数不同而变化，调整熔接点的位置，可以调整传感器的温度系数。
另一种结构的全石英光纤珐珀压力传感器，包括光纤、中空石英管和石英球壳；中空石英管的一端口与石英球壳连接相通；光纤外套装并熔接有第一石英套管，中空石英管外套装并熔接有第二石英套管，第一石英套管和第二石英套管外共同套装并熔接有第三石英套管，以形成密闭空腔；第一石英套管位于第三石英套管的一端端口处，光纤的一端置于第三石英套管外、另一端置于第三石英套管内；第二石英套管位于第三石英套管的另一端端口处，中空石英管的管口朝外且石英球壳位于第三石英套管内；光纤置于第三石英套管内的一端端面与石英球壳相对而置。其中，石英球壳为空心状的球形壳体，其壁厚与所测试压力的量程与灵敏度有关。
其中，光纤置于第三石英套管内的一端端面（即内端面）为垂直切平状。
光纤与第一石英套管的熔接点距离光纤内端面的长度大于光纤内端面距离石英球壳外表面的长度。
上述两种结构的全石英光纤珐珀压力传感器中，光纤可选择单模光纤、多模光纤、光子晶体光纤、粗芯光纤或边孔光纤等。
本发明所述的两种结构的全石英光纤珐珀压力传感器，其核心结构都是由光纤、中空石英管和石英球壳构成的，一种为光纤置于石英球壳内，另一种是光纤置于石英球壳外并与石英球壳相对而置，两种结构的全石英光纤珐珀压力传感器的使用及测试原理是相同的，具体为：光纤的内端端面（垂直切平状或半球辐射状）与石英球壳内表面或外表面形成平行的反射面，构成珐珀腔。光经光纤内端面时，部分光反射回光纤，部分光透过光纤内端面，到达球壳内表面或外表面并反射耦合进入光纤。两部分反射光形成干涉光谱。当外界环境压力变化时，石英球壳受到挤压，石英球壳内表面或外表面反射回光纤的光程发生变化，从而改变干涉光谱，解调干涉光谱，从而达到测量外界环境压力的效果。当传感器应用于高温环境的测量时，由于熔接点（第一种结构中指光纤与中空石英管的熔接点，第二种结构中指光纤与第一石英套管的熔接点）距离光纤内端面的长度大于光纤内端面距离球壳内表面或外表面的长度，光纤向内的热膨胀会抵消球壳本向外的热膨胀，从而降低传感器的温度漂移。
图4为本发明传感器的干涉光谱图，从图中可以得出，本发明传感器的光强达到-24dB,对比度达7dB；图5为本发明传感器的压力响应曲线，从图中可以得出，本发明传感器对压力有良好的线性响应，响应灵敏度达-6.61nm/MPa。
本发明具有以下有益效果：
（1）设计科学合理，结构简单新颖；（2）成本低廉，制备工艺简单，无需大型仪器；（3）信号耦合情况好，灵敏度高；（4）全石英结构耐高温性能良好，温度系数低。
附图说明
图1为本发明传感器的结构示意图一。
图2为本发明传感器的结构示意图二。
图3为本发明传感器的结构示意图三。
图4为本发明传感器的干涉光谱图。
图5为本发明传感器的压力响应曲线。
图中：1-光纤、2-中空石英管、3-石英球壳、4-垂直切平状、5-半球状、6-熔接点、7-第一石英套管、8-第二石英套管、9-第三石英套管。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图3所示，本发明提供了一种全石英光纤珐珀压力传感器，包括光纤1、中空石英管2和石英球壳3，光纤1可选择单模光纤、多模光纤、光子晶体光纤、粗芯光纤或边孔光纤等；石英球壳3为空心状的球形壳体，其壁厚与所测试压力的量程与灵敏度有关，中空石英管2的一端与石英球壳3连接相通；
所述传感器的一种结构如图1、2所示，具体为：光纤1的一端从中空石英管2的另一端插入并伸至石英球壳3内；光纤1插入石英球壳3内的内端面为垂直切平状4或半球状5，当光纤内端面为半球状5时，半球状5的焦点与石英球壳3内表面的焦点重合；光纤1与中空石英管2熔接在一起，形成密闭空腔，光纤1与中空石英管2的熔接点6距离光纤1内端面的长度大于光纤1内端面距离石英球壳3内表面的长度，其具体比值根据光纤材料的热膨胀系数不同而变化；调整熔接点位置，以调传感器的温度系数。
所述传感器的另一种结构如图3所示，具体为：光纤1外套装并熔接有第一石英套管7，中空石英管2外套装并熔接有第二石英套管8，第一石英套管7和第二石英套管8外共同套装并熔接有第三石英套管9，形成密闭空腔；第一石英套管7位于第三石英套管9的一端端口处，光纤1的一端置于第三石英套管9外、另一端置于第三石英套管9内；第二石英套管8位于第三石英套管9的另一端端口处，中空石英管2的管口朝外且石英球壳3位于第三石英套管9内；光纤1置于第三石英套管9内的一端端面为垂直切平状4且该端面与石英球壳3相对而置。光纤1与第一石英套管）的熔接点6距离光纤1内端面的长度大于光纤1内端面距离石英球壳3外表面的长度，其具体比值根据光纤材料的热膨胀系数不同而变化；调整熔接点位置，以调传感器的温度系数。
本具体实施的原理为：垂直切平状4或半球状5光纤1内端面与石英球壳3内表面或外表面形成平行的反射面，构成珐珀腔。光经光纤1内端面时，部分光反射回光纤1，部分光透过光纤1内端面，到达球壳3内表面或外表面并反射耦合进入光纤1。两部分反射光形成干涉光谱。当外界环境压力变化时，石英球壳3受到挤压，石英球壳3内表面或外表面反射回光纤1的光程发生变化，从而改变干涉光谱。解调干涉光谱，从而达到测量外界环境压力的效果。当传感器应用于高温环境的测量时，由于熔接点6距离光纤1内端面的长度应大于光纤1内端面距离石英球壳3内表面或外表面的长度，光纤1向内的热膨胀会抵消球壳本向外的热膨胀，从而降低传感器的温度系数。
实施例1
一种全石英光纤珐珀压力传感器：光纤1使用康宁公司生产的普通单模光纤，其外直径为125μm，内端部为垂直切平状4；中空石英管2内外径分别为126μm和200μm，石英球壳3外直径280μm，壁厚约为5μm。光纤1内端面距离石英球壳3内表面的长度为200μm，熔接点6位置距离光纤1内端面的长度为2000μm左右。
实施例2
一种全石英光纤珐珀压力传感器：光纤1使用康宁公司生产的普通多模光纤，其外直径为125μm，内端面为半球状4；中空石英管2内外径分别为135μm和200μm，石英球壳3外直径350μm，壁厚约为3μm；光纤1内端面距离石英球壳3内表面的长度为110μm，熔接点6位置距离光纤1内端面的长度为1125μm左右。
实施例3
一种全石英光纤珐珀压力传感器：光纤1使用康宁公司生产的普通多模光纤，其外直径为125μm，内端面为垂直切平状4；中空石英管2内外径分别为125μm和80μm，石英球壳3外直径200μm，壁厚约为3μm；第一石英套管7和第二石英套管8内外直径均为135μm和250μm，第三石英套管9内外直径分别为260μm和350μm。光纤1内端面距离石英球壳3外表面的长度为50μm，熔接点6位置距离光纤1内端面的长度为550μm左右。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种全石英光纤珐珀压力传感器，其特征在于：包括光纤（1）、中空石英管（2）和石英球壳（3）；中空石英管（2）与石英球壳（3）连接相通，光纤（1）的一端从中空石英管（2）插入并伸至石英球壳（3）内，同时光纤（1）与中空石英管（2）熔接在一起。
2.根据权利要求1所述的全石英光纤珐珀压力传感器，其特征在于：光纤（1）伸至石英球壳内的一端端面为垂直切平状（4）或半球状（5）。
3.根据权利要求1或2所述的全石英光纤珐珀压力传感器，其特征在于：当光纤（1）伸至石英球壳（3）内的一端端面为半球状（5）时，半球状（5）的焦点与石英球壳（3）内表面的焦点重合。
4.根据权利要求1或2所述的全石英光纤珐珀压力传感器，其特征在于：光纤（1）与中空石英管（2）的熔接点（6）距离光纤（1）内端面的长度大于光纤（1）内端面距离石英球壳（3）内表面的长度。
5.根据权利要求3所述的全石英光纤珐珀压力传感器，其特征在于：光纤（1）与中空石英管（2）的熔接点（6）距离光纤（1）内端面的长度大于光纤（1）内端面距离石英球壳（3）内表面的长度。
6.一种全石英光纤珐珀压力传感器，其特征在于：包括光纤（1）、中空石英管（2）和石英球壳（3）；中空石英管（2）与石英球壳（3）连接相通，光纤（1）外套装并熔接有第一石英套管（7），中空石英管（2）外套装并熔接有第二石英套管（8），第一石英套管（7）和第二石英套管（8）外共同套装并熔接有第三石英套管（9），中空石英管（2）的管口朝外且石英球壳（3）位于第三石英套管（9）内，光纤（1）的一端置于第三石英套管（9）内并与石英球壳（3）相对而置。
7.根据权利要求6所述的全石英光纤珐珀压力传感器，其特征在于：光纤（1）置于第三石英套管（9）内的一端端面为垂直切平状（4）。
8.根据权利要求6或7所述的全石英光纤珐珀压力传感器，其特征在于：光纤（1）与第一石英套管（8）的熔接点（6）距离光纤（1）内端面的长度大于光纤（1）内端面距离石英球壳（3）外表面的长度。
9.根据权利要求1或6所述的全石英光纤珐珀压力传感器，其特征在于：光纤（1）为单模光纤、多模光纤、光子晶体光纤、粗芯光纤或边孔光纤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |