CN106500906B - 基于无芯光纤的气压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无芯光纤的气压传感器。包括无芯光纤、上端单模光纤、下端单模光纤、壳体、通道、封闭腔和连通腔。无芯光纤的两端分别与上端单模光纤、下端单模光纤熔接，形成多模干涉仪，多模干涉仪竖直贯穿于带有内部空腔的所述壳体中，将液体在竖直方向上填充内部空腔的一段，将内部空腔分割为封闭腔和连通腔。当待测环境气压发生变化时，连通腔与封闭腔之间的压差推动液体发生相应的上移或下移，多模干涉仪通过感知该变化，将气压变化转化为光信号的变化输出。本发明无需使用膜片或复杂结构的特种光纤，器件结构简洁，采用稳定的多模干涉作为向光信号加载气压信息的方式，提高了传感器抗外界干扰性能，实现了一种大范围高精度的气压传感器。

Description

基于无芯光纤的气压传感器

技术领域

本发明涉及光纤气压传感器技术领域，尤其涉及一种基于无芯光纤的气压传感器。

背景技术

光纤气压传感器具有良好的绝缘、耐腐蚀、抗电磁干扰、利于复用、结构轻便等突出优点，受到了人们的广泛关注，尤其可以方便有效地应用于强电磁干扰、腐蚀性、易燃易爆、核辐射等恶劣特殊环境中。

目前,现有技术中的光纤气压传感器的结构主要分为两类：一类是基于膜片的光学腔结构，膜片、光纤端面及位于二者之间的空隙共同构成F-P腔，当待测气压发生变化时膜片发生相应形变，从而改变腔长进而实现传感。该基于膜结构的气压传感器的缺点是薄膜易破损、测量范围较小、器件辅助结构繁琐、操作复杂，导致其使用受到了极大限制。

另一类则需要借助结构复杂的特种光纤完成传感功能，如边孔光纤、边孔光子晶体光纤、边孔光纤光栅等。边孔类光纤及器件通过检测传输模式的变化感知气压变化，但边孔气压变化对传输模式的影响非常微小，导致该类器件灵敏度不高。此外这边孔类光纤制作难度大、价格昂贵，与传输信号使用的普通光纤接续困难，都限制了基于复杂结构特种光纤的气压传感器进一步实用化。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于无芯光纤的气压传感器，以避免使用膜片及相应复杂结构、避免使用复杂特种光纤，并提高气压传感器的应用范围和测量精度。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于无芯光纤的气压传感器，包括：无芯光纤、上端单模光纤、下端单模光纤、壳体、通道、封闭腔和连通腔；

所述无芯光纤的两端分别与所述上端单模光纤、所述下端单模光纤熔接，形成多模干涉仪，该多模干涉仪竖直贯穿于带有内部空腔的所述壳体中；

将一段液体在竖直方向上填充所述壳体的内部空腔的一段，由此将所述壳体的内部空腔分割为封闭腔和连通腔，所述封闭腔内预充一定气压的气体。所述连通腔对应的壳体通过通道与待测环境连通。

进一步地，所述无芯光纤竖直放置且完全处于所述壳体的内部空腔内。

进一步地，所述液体与所述无芯光纤接触，且液体高度高于所述无芯光纤的长度。

进一步地，所述无芯光纤与所述上部单模光纤之间的连接处低于所述壳体的内部空腔上壁，所述无芯光纤与所述下部单模光纤之间的连接处高于所述壳体的内部空腔下壁。

进一步地，当所述封闭腔位于所述连通腔的上部时，所述封闭腔中预充气体的初始压强P₀小于所述连通腔连通的待测环境初始压强P_c0。

进一步地，当所述封闭腔位于所述连通腔的下部时，所述封闭腔中预充气体的初始压强P₀大于所述连通腔连通的待测环境初始压强P_c0。

进一步地，在所述下部单模光纤的底部端面处设置反射装置，所述反射装置处于所述壳体的内部空腔内，且所述下端单模光纤和所述反射装置高于所述壳体的内部空腔下壁。

进一步地，所述反射装置位于液体下方且与液体无接触。

进一步地，所述反射装置为反射膜或曲面镜。

进一步地，所述液体上方的所述封闭腔带有连通口，该连通口与气压控制设备相连，以调整所述封闭腔中的气压。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于无芯光纤的大范围高精度气压传感器所用光纤结构极为简单，无需使用膜片或复杂结构的特种光纤，避免了膜片和复杂结构特种光纤的使用，极大提高了器件的稳定性和可靠性。采用稳定的多模干涉取代F-P腔作为向光信号加载气压信息的方式，提高了传感器抗外界干扰性能，能够提供大范围、高精度的气压传感功能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的基于无芯光纤的大范围高精度气压传感器的结构图；

图2为本发明实施例二提供的基于无芯光纤的大范围高精度气压传感器的结构图。

图3为本发明实施例三提供的基于无芯光纤的大范围高精度气压传感器的结构图。

图4为本发明实施例四提供的基于无芯光纤的大范围高精度气压传感器的结构图。

图5为本发明实施例五提供的基于无芯光纤的大范围高精度气压传感器的结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例使用最简单的光纤器件、最简洁的结构、提供优异的测量范围和测量精度。该传感器光纤及器件制作极为简易，壳体结构简单制作安装容易，器件性能稳定、造价低廉、加工可重复性好，具有良好的应用潜力。

本发明实施例提供的一种基于无芯光纤的大范围高精度气压传感器包括：包括：无芯光纤、上端单模光纤、下端单模光纤、壳体、通道、封闭腔和连通腔。所述无芯光纤的两端分别与所述上端单模光纤、所述下端单模光纤熔接，形成多模干涉仪，该多模干涉仪竖直贯穿于带有内部空腔的所述壳体中。

将一段液体在竖直方向上填充壳体的内部空腔的一段，并将壳体的内部空腔分割为封闭腔和连通腔，封闭腔内预充一定气压的气体。连通腔对应的壳体通过通道与待测环境连通。

液体与无芯光纤相接触，无芯光纤实际上是匀质的石英丝，该光纤结构和制作与普通通信光纤相比更为容易，成本极为低廉。

实施例一

该实施例提供的一种基于无芯光纤的大范围高精度气压传感器的结构如图1所示，包括：上端单模光纤1、无芯光纤2、下端单模光纤3、壳体4、通道5、液体6、封闭腔7和连通腔8。具体连接方式为：

无芯光纤2的两端分别与上端单模光纤1、下端单模光纤3熔接形成多模干涉仪。该熔接无特殊要求，可通过商用光纤熔接机直接完成。该多模干涉仪竖直贯穿带有空腔的壳体4并牢固封装。固定后干涉仪无芯光纤2完全处于空腔内，且无芯光纤2与上部单模光纤1之间的连接处低于空腔上壁、无芯光纤2与下部单模光纤3之间的连接处高于空腔下壁。一段液体6在竖直方向上填充壳体4内部空腔的一段，并将空腔分割为封闭腔7和连通腔8两个互不连通的部分。液体6的高度h_y应等于或略大于无芯光纤2的长度L以保证大量程。液体6在测量过程中需与无芯光纤2相接触。封闭腔7内预充一定气压的气体。连通腔8对应的壳体通过通道5与待测环境连通。

测量光源从上端单模光纤1注入传感器，携带气压信息的光信号从下端单模光纤3输出。当待测环境气压发生变化时，连通腔8与封闭腔7之间的压差会推动液体6发生相应的上移或下移，多模干涉仪能够感知液体的位置变化产生的气压变化，进而将气压变化转化为光信号的变化输出。

无芯光纤2的直径d和长度L、封闭腔7内预充气体的初始压强P₀及初始高度h₀、液体6的密度ρ和高度h_y等参数均可进行调整以满足具体的量程和精度要求。

为保证该结构的实施，依实施例一所示封闭腔7位于连通腔8上部时，要求封闭腔7中预充气体的初始压强P₀需小于连通腔8连通的待测环境初始压强P_c0。

实施例二

该实施例提供的一种基于无芯光纤的大范围高精度气压传感器的结构如图2所示。本实施例的具体连接方式与实施例一相似，区别在于封闭腔7位于连通腔8的下部。本实施例针对的应用需求是封闭腔7中预充气体的初始压强P₀大于连通腔8连通的待测环境初始压强P_c0。

实施例三

该实施例提供的一种基于无芯光纤的大范围高精度气压传感器的结构如图3所示。具体连接方式为：无芯光纤2的两端分别与上端单模光纤1、下端单模光纤3熔接形成多模干涉仪。该熔接无特殊要求，可通过商用光纤熔接机直接完成。下端单模光纤3的底部端面处设置反射装置9，该反射装置9可以为反射膜或曲面镜。该多模干涉仪竖直贯穿带有空腔的壳体4顶端并牢固封装。固定后无芯光纤2及其下端单模光纤3、反射装置9完全处于空腔内，且无芯光纤2与上端单模光纤1之间的连接处低于空腔上壁、单模光纤3及反射装置9高于空腔下壁。一段液体6在竖直方向上填充壳体4内部空腔的一段，并将空腔分割为封闭腔7和连通腔8两个互不连通的部分。液体6的高度h_y应等于或略大于无芯光纤2的长度L以保证大量程。液体6在测量过程中需与无芯光纤2相接触。封闭腔7内预充一定气压的气体。连通腔8对应的壳体通过通道5与待测环境连通。

测量光源从单模光纤1注入传感器，携带气压信息的光信号在单模光纤3底端的反射装置9处反射，然后返回单模光纤1输出。当待测环境气压发生变化时，连通腔8与封闭腔7之间的压差会推动液体6发生相应的上移或下移，多模干涉仪能够感知液体的位置变化产生的气压变化，进而将气压变化转化为光信号的变化输出。

反射装置9与已有F-P腔构成所用的膜片不同，装置9不用于形成腔体，仅用于反射传到此处的光信号，使光能够从输入单模光纤1处输出。这样做的原因是能够减少一个端口，进一步简化传感器结构，降低构成系统的复杂度。

无芯光纤2的直径d和长度L、封闭腔7内预充气体的初始压强P₀及初始高度h₀、液体6的密度ρ和高度h_y等参数均可进行调整以满足具体的量程和精度要求。

为保证该结构的实施，依实施例三所示封闭腔7位于连通腔8上部时，要求封闭腔7中预充气体的初始压强P₀需小于连通腔8连通的待测环境初始压强P_c0。

实施例四

该实施例提供的一种基于无芯光纤的大范围高精度气压传感器的结构如图4所示，本实施例的具体连接方式与实施例三相似，区别在于封闭腔7位于连通腔8的下部。本实施例针对的应用需求是封闭腔7中预充气体的初始压强P₀大于连通腔8连通的待测环境初始压强P_c0。

实施例五

该实施例提供的一种基于无芯光纤的大范围高精度气压传感器的结构如图5所示。本实施例的具体连接方式与实施例一相似，区别在于液体上方的封闭腔带有可选的连通口10。连通口10用于与气压控制设备相连，以调整封闭腔7中的气压，气体传感器使用时连通口10封闭，腔7仍然为封闭腔。

关于液体封入的实施方法。以封闭腔在下为例，可以如下处理：首先将封闭腔部分在上竖直放置，从下部灌入液体。封住连通通道后翻转腔体，封闭腔内预充气体的气压即将液体顶住，之后将通道与待测气压(或标定气压)相连，液体会下移到平衡位置停住。这个位置就是测试起始点的位置。

关于由气压变化向多模光纤干涉仪光信号变化的转化，本发明采用两个结构的协作实现：一是封闭腔气压变化影响液体停留位置，二是利用多模光纤干涉仪感知液体停留位置。封闭腔体积变化与封入其中的气体气压之间存在对应关系，当待测气压发生变化时，液体和两侧气压的整体平衡被破坏，举例来说，若待测气压增大，则液体向预充气体侧移动，封闭腔体积减小，封入气体气压增加，直到达到新的平衡。由此待测气压变化转化为液体停留位置变化，并被多模光纤干涉仪感知，从而实现气压测量。

本领域技术人员应能理解上述实施例中的通道与连通腔的具体相对位置的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的通道与连通腔的相对位置的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

综上所述，本发明实施例提供的一种基于无芯光纤的大范围高精度气压传感器具有如下的有益效果：

(1)本发明所用光纤结构极为简单，无需使用膜片或复杂结构的特种光纤，避免了膜片和复杂结构特种光纤的使用，极大提高了器件的稳定性和可靠性。

(2)本发明采用稳定的多模干涉取代F-P腔作为向光信号加载气压信息的方式，提高了传感器抗外界干扰性能。

(3)本发明所述连接和使用方式相结合，能够提供大范围、高精度的气压传感功能。

(4)通过简单调整该气压传感器的部分结构参数，相比以往基于膜片或复杂特种光纤的气压传感器，能够大幅改变传感器的气压检测范围和精度，提供大范围、高精度的气压传感功能。

(5)本发明构成简单，结构稳定，安装使用容易，给实用化提供了极大便利。器件稳定性好，成本极低，加工安装容易，实用化可能性高，在气压传感方面有良好的应用前景。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择或调整其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于无芯光纤的气压传感器，其特征在于，包括：无芯光纤、上端单模光纤、下端单模光纤、壳体、通道、封闭腔和连通腔；

所述无芯光纤的两端分别与所述上端单模光纤、所述下端单模光纤熔接，形成多模干涉仪，该多模干涉仪竖直贯穿于带有内部空腔的所述壳体中；

将一段液体在竖直方向上填充所述壳体的内部空腔的一段，所述液体在测量过程中与所述无芯光纤相接触，由此将所述壳体的内部空腔分割为封闭腔和连通腔，所述封闭腔内预充一定气压的气体，所述连通腔对应的壳体通过通道与待测环境连通。

2.根据权利要求1所述的基于无芯光纤的气压传感器，其特征在于，所述无芯光纤竖直放置且完全处于所述壳体的内部空腔内。

3.根据权利要求2所述的基于无芯光纤的气压传感器，其特征在于，所述液体与所述无芯光纤接触，且液体高度高于所述无芯光纤的长度。

4.根据权利要求1所述的基于无芯光纤的气压传感器，其特征在于，所述无芯光纤与所述上端单模光纤之间的连接处低于所述壳体的内部空腔上壁，所述无芯光纤与所述下端单模光纤之间的连接处高于所述壳体的内部空腔下壁。

5.根据权利要求4所述的基于无芯光纤的气压传感器，其特征在于，当所述封闭腔位于所述连通腔的上部时，所述封闭腔中预充气体的初始压强P₀小于所述连通腔连通的待测环境初始压强P_c0。

6.根据权利要求4所述的基于无芯光纤的气压传感器，其特征在于，当所述封闭腔位于所述连通腔的下部时，所述封闭腔中预充气体的初始压强P₀大于所述连通腔连通的待测环境初始压强P_c0。

7.根据权利要求4所述的基于无芯光纤的气压传感器，其特征在于，在所述下端单模光纤的底部端面处设置反射装置，所述反射装置处于所述壳体的内部空腔内，且所述下端单模光纤和所述反射装置高于所述壳体的内部空腔下壁。

8.根据权利要求7所述的基于无芯光纤的气压传感器，其特征在于，所述反射装置位于液体下方且与液体无接触。

9.根据权利要求8所述的基于无芯光纤的气压传感器，其特征在于，所述反射装置为反射膜或曲面镜。

10.根据权利要求4所述的基于无芯光纤的气压传感器，其特征在于，所述液体上方的所述封闭腔带有连通口，该连通口与气压控制设备相连，以调整所述封闭腔中的气压。

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