CN107843291A - 一种光纤温度压力复合传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤温度压力复合传感器，具体涉及一种光纤温度压力复合传感器，该传感器可用于液体、气体的温度、绝对压力或相对压力的同时测量，属于光纤传感技术领域。该传感器通过较为简单的两层结构实现温度和压力的同时测量，利用端面安装有准直微透镜的传输光纤提高传感器的信号质量，利用包含有厚度不同光楔的两个光谱分析模块分别对感压腔长和感温腔长进行解调，通过光楔厚度与腔长的一一对应实现对两个腔的干涉信号的分离，从而简化了数据处理的步骤，提高了解调速度，有利于实现动态压力和温度信号的测量。

Description

一种光纤温度压力复合传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤温度压力复合传感器，具体涉及一种光纤温度压力复合传感器，该传感器可用于液体、气体的温度、绝对压力或相对压力的同时测量，属于光纤传感技术领域。

背景技术

基于Fabry-Perot干涉原理的光纤压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高等特点，尤其是利用MEMS工艺制造的膜片式光纤压力传感器是近年来的研究热点。该类传感器的基本测量原理通常是通过光纤端面与膜片表面形成Fabry-Perot干涉腔，当压力作用使得膜片发生变形时，Fabry-Perot干涉腔的腔长发生变化，通过对腔长的解调，从而实现压力测量。

但是在实际测量过程中，传感器材料受到温度影响，会使得干涉腔的腔长、膜片的力学性能等参数发生变化，从而导致传感器压力响应特性发生变化，影响测量精度。同时，各领域也都提出了温度和压力参数同时测量的应用需求，因此国内外研究人员进行了相关研究。

授权公告号CN102721492B的专利引入了光纤光栅温度传感器用作温度测量和补偿，需要对光纤光栅温度传感器进行无应力封装，增加了整体结构的复杂程度。授权公告号CN102607761B的专利提供了一种温度自校正式双法-珀光纤压力传感器，利用MEMS工艺制作出涉及两种材料四层结构的双法-珀腔式传感器，实现对温度和压力的同时测量，该方法的制作工艺和结构复杂，层数过多会导致传感器信号质量下降，不利于实现高精度测量。Oxsensis公司(Fabrice F.M.Maillaud*,Ralf D.Pechstedt,High-accuracy opticalpressure sensor for gas turbine monitoring,Proc.of SPIE Vol.8421 8421AF)提出了一种蓝宝石光纤压力传感器，利用基底来直接实现温度测量从而实现对压力结果的温度补偿，但该结构是将传输光纤直接接触基底，受到光纤数值孔径的影响，基底的厚度会使得前端压力腔的有效信号弱，影响后续信号解调。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在信号质量下降，很难实现高精度测量的问题，提供一种法珀式光纤温度压力复合传感器，该传感器利用比较简单紧凑的结构同时实现对温度和压力的高精度测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种光纤温度压力复合传感器，包括：感压腔体、感温基底、石英中空管和传输光纤；在传输光纤的端面安装准直微透镜

1)所述的光纤温度压力复合传感器由感压腔体、感温基底、石英中空管和传输光纤构成；

2)所述的感压腔体由单晶硅制成，感压腔体上表面为进行漫反射处理的平面，感压腔体下表面加工成圆形浅坑的感压腔，感压腔体上表面和感压腔底面构成了感压膜片的上下表面，感压腔的深度d即为感压腔长；

3)所述的感温基底由双面抛光的石英片制成，其外部尺寸与感压腔体相同，感温基底上表面与感压腔体下表面固连。感温基底上表面和感温基底下表面构成了传感温度的感温腔，其光学厚度l即为感温腔长，感温腔长是感压腔长的2倍以上；

4)所述的石英中空管外径与感温基底相同，其上端为平面，与感温基底下表面固连，石英中空管中心有一个通孔，其直径与传输光纤匹配，用于穿入传输光纤；

5)所述的传输光纤的端面安装有准直微透镜，带有准直微透镜的一端穿入石英中空管的通孔中，准直微透镜端面与感温基底下表面的距离在1mm～2mm之间，传输光纤与石英中空管固连。

一种光纤温度压力复合传感器，采用如下方法实现对温度和压力的同时测量，

1)宽带光源发出的光经由环形器耦合到传感器的传输光纤中，光经过传输光纤端面的准直微透镜准直出射，依次被感温基底下表面、感温基底上表面和感压腔底面反射，反射的光束再经由准直微透镜耦合进入传输光纤，再次通过环形器进入1×2的3dB耦合器，经分光后分别进入压力光谱分析模块和温度光谱分析模块的输入端口；

2)由压力光谱分析模块的输入端口进入的光束经过测压整形光路后形成线光束，入射到测压光楔上，测压光楔的最大光学厚度比感压腔长略大，线光束在光楔的上下表面发生等厚干涉，在测压光楔的厚度与感压腔长相等的位置，反射条纹的光强最大，通过紧贴测压光楔的测压光电探测器可以获取光强的分布，搜索测压光电探测器最大输出光强所对应的像素就可以得到感压腔长。当外界压力作用于感压膜片时，使得感压膜片弯曲，感压腔长变小，测压光电探测器最大输出光强所对应的像素位置发生改变，从而求得当前的感压腔长，即可计算出外界压力的大小；

3)由温度光谱分析模块的输入端口进入的光束经过测温整形光路后形成线光束，入射到测温光楔上，测温光楔的中间位置的光学厚度与感温腔长相等，线光束在光楔的上下表面发生等厚干涉，在测温光楔的厚度与感温腔长相等的位置，反射条纹的光强最大，通过紧贴测温光楔的测温光电探测器可以获取光强的分布，搜索测温光电探测器最大输出光强所对应的像素就可以得到感温腔长。当外界温度变化是作用于感温基底时，使得感温基底收缩或者膨胀，从而使得感温腔长变化，测温光电探测器最大输出光强所对应的像素位置发生改变，从而求得当前的感温腔长，即可计算出外界温度的大小；

4)当温度和压力同时作用于传感器时，可通过温度光谱分析模块测得的温度对压力光谱分析模块测得的感压腔长值进行温度补偿，从而得到当前温度下准确的压力值。

有益效果

1、本发明所涉及的光纤温度压力复合传感器直接利用基底层实现温度的测量，不引入其他结构或元件，使得传感器整体结构简单；

2、本发明所涉及的光纤温度压力复合传感器利用端面安装有准直微透镜的传输光纤来传输光信号，将光纤出射的发散光束整形为准直光束，使光束在感温腔和感压腔中接近垂直入射和反射，可大大提高反射光耦合回到传输光纤的效率，减少反射损耗，提高传感器有效信号的强度，有利于提高后端的解调精度；

3、本发明所涉及的光纤温度压力复合传感器利用包含有厚度不同光楔的两个光谱分析模块分别对感压腔长和感温腔长进行解调，通过光楔厚度与腔长的一一对应实现对两个腔的干涉信号的分离，从而简化了数据处理的步骤，提高了解调速度，有利于实现动态压力和温度信号的测量。

附图说明

图1为本发明的传感器基本构成示意图；

图2为本发明的传感器的四个主要构成模块的详细示意图；

图3为本发明的传感器的光束传播的比较示意图；

其中图3(a)为本发明的传感器的光束传播示意图，图3(b)为不安装准直微透镜的传感器光束传播示意图；

图4为本发明的温度和压力的同时测量的系统示意图；

图5为本发明实施例的中测压光电探测器测得光谱的仿真图；

图6为本发明实施例的中测压光电探测器测得光谱的实测图；

其中，1-感压腔体，2-感温基底，3-石英中空管，4-传输光纤，5-感压腔体上表面，6-感压腔体下表面，7-感压腔，8-感压腔底面，9-感压膜片，10-感压腔长，11-感温基底上表面，12-感温基底下表面，13-感温腔长，14-准直微透镜，15-宽带光源，16-环形器，17-3dB耦合器，18-压力光谱分析模块，19-温度光谱分析模块，20-测压整形光路，21-测压光楔，22-测压光电探测器，23-测温整形光路，24-测温光楔，25-测温光电探测器，26-光纤温度压力复合传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，该光纤温度压力复合传感器26由感压腔体1、感温基底2、石英中空管3和传输光纤4构成。如图2所示，所述的感压腔体1由单晶硅制成，为1.8mm×1.8mm的方片，感压腔体上表面5为进行漫反射处理的平面，感压腔体下表面6加工成半径为650μm圆形浅坑的感压腔7，感压腔体上表面5和感压腔底面8构成了感压膜片9的上下表面，感压膜片9的厚度为50μm，感压腔7的深度d即为感压腔长10，d＝20μm。感温基底2由双面抛光的石英片制成，选取实际厚度为500μm、1.8mm×1.8mm的方形石英片，通过阳极键合将感温基底上表面11与感压腔体下表面6键合到一起。感温基底上表面11和感温基底下表面12构成了传感温度的感温腔，其光学厚度l即为感温腔长13，感温腔长l＝735μm。选取外径为1.8mm、长度10mm的石英中空管3，中心通孔的直径为150μm。石英中空管3的上端与感温基底下表面12通过激光焊接的方式固定。传输光纤4的端面安装有准直微透镜14，带有准直微透镜14的一端穿入石英中空管3的通孔中，准直微透镜14端面与感温基底下表面12的距离在1mm～2mm之间，传输光纤4与石英中空管3通过激光焊接的方式固定。

光在光纤温度压力复合传感器26中传输的过程如图3(a)所示，由传输光纤4末端出射的发散光束经过准直微透镜14的整形，出射为准直光束，依次被感温基底下表面12、感温基底上表面11和感压腔底面8进行了垂直入射和反射，反射的光束再经由准直微透镜14耦合进入传输光纤4。传输光纤4的末端如果没有准直微透镜14，其光束传播过程如图3(b)所示，由传输光纤4末端出射的发散光束依次被感温基底下表面12、感温基底上表面11和感压腔底面8进行入射和反射，由于是发散光束，反射光束只有一小部分可以返回传输光纤4的端面并耦合回到光纤中。因此在传输光纤4的端面增加准直微透镜14可以大大提高反射光耦合回到传输光纤的效率，减少反射损耗，从而提高传感器有效信号的强度，有利于提高后端的解调精度。

光纤温度压力复合传感器26用于温度和压力的同时测量的系统框图如图4所示，宽带光源15发出的光经由环形器16耦合到光纤温度压力复合传感器26中，光经过光纤温度压力复合传感器26反射，反射的光束再次通过环形器16进入1×2的3dB耦合器17，经分光后分别进入压力光谱分析模块18和温度光谱分析模块19的输入端口。

由压力光谱分析模块18的输入端口进入的光束经过测压整形光路20后形成线光束，入射到测压光楔21上，测压光楔21的最大光学厚度为35μm，线光束在光楔的上下表面发生等厚干涉，在测压光楔21的厚度与感压腔长10相等的位置，反射条纹的光强最大，通过紧贴测压光楔21的测压光电探测器22可以获取光强的分布，搜索测压光电探测器22最大输出光强所对应的像素就可以得到感压腔长。当外界压力作用于感压膜片9时，使得感压膜片9弯曲，感压腔长10变小，测压光电探测器22最大输出光强所对应的像素位置发生改变，从而求得当前的感压腔长10，即可计算出外界压力的大小。

由温度光谱分析模块19的输入端口进入的光束经过测温整形光路23后形成线光束，入射到测温光楔24上，测温光楔24的中间位置的光学厚度为735μm，线光束在光楔的上下表面发生等厚干涉，在测温光楔24的厚度与感温腔长13相等的位置，反射条纹的光强最大，通过紧贴测温光楔24的测温光电探测器25可以获取光强的分布，搜索测温光电探测器25最大输出光强所对应的像素就可以得到感温腔长13。当外界温度变化是作用于感温基底2时，使得感温基底2收缩或者膨胀，从而使得感温腔长13变化，测温光电探测器25最大输出光强所对应的像素位置发生改变，从而求得当前的感温腔长13，即可计算出外界温度的大小。

当温度和压力同时作用于光纤温度压力复合传感器26时，可通过温度光谱分析模块19测得的温度对压力光谱分析模块18测得的感压腔长10进行温度补偿，从而得到当前温度下准确的压力值。

感压腔7反射的信号(即感压腔底面8和感温基底上表面11反射的信号)经过测压光楔21后在测压光电探测器22上的光谱信号的仿真曲线和实测曲线分别如图5和图6所示。感温基底2的反射信号经过测温光楔24后在测温光电探测器25与感压腔7的信号相似，不再赘述。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种光纤温度压力复合传感器，包括：感压腔体、感温基底、石英中空管和传输光纤；其特征在于：在位于石英中空管内部的传输光纤的端面安装准直微透镜。

2.如权利要求1所述的一种光纤温度压力复合传感器，其特征在于：所述的准直微透镜端面与感温基底下表面的距离在1mm～2mm之间。

3.如权利要求1或2所述的一种光纤温度压力复合传感器，其特征在于：所述传感器，采用如下方法实现对温度和压力的同时测量：

1)宽带光源发出的光经由环形器耦合到传感器的传输光纤中，光经过传输光纤端面的准直微透镜准直出射，依次被感温基底下表面、感温基底上表面和感压腔底面反射，反射的光束再经由准直微透镜耦合进入传输光纤，再次通过环形器进入1×2的3dB耦合器，经分光后分别进入压力光谱分析模块和温度光谱分析模块的输入端口；

2)由压力光谱分析模块的输入端口进入的光束经过测压整形光路后形成线光束，入射到测压光楔上，测压光楔的最大光学厚度比感压腔长略大，线光束在光楔的上下表面发生等厚干涉，在测压光楔的厚度与感压腔长相等的位置，反射条纹的光强最大，通过紧贴测压光楔的测压光电探测器可以获取光强的分布，搜索测压光电探测器最大输出光强所对应的像素就可以得到感压腔长；当外界压力作用于感压膜片时，使得感压膜片弯曲，感压腔长变小，测压光电探测器最大输出光强所对应的像素位置发生改变，从而求得当前的感压腔长，即可计算出外界压力的大小；

3)由温度光谱分析模块的输入端口进入的光束经过测温整形光路后形成线光束，入射到测温光楔上，测温光楔的中间位置的光学厚度与感温腔长相等，线光束在光楔的上下表面发生等厚干涉，在测温光楔的厚度与感温腔长相等的位置，反射条纹的光强最大，通过紧贴测温光楔的测温光电探测器可以获取光强的分布，搜索测温光电探测器最大输出光强所对应的像素就可以得到感温腔长；当外界温度变化是作用于感温基底时，使得感温基底收缩或者膨胀，从而使得感温腔长变化，测温光电探测器最大输出光强所对应的像素位置发生改变，从而求得当前的感温腔长，即可计算出外界温度的大小；

4)当温度和压力同时作用于传感器时，可通过温度光谱分析模块测得的温度对压力光谱分析模块测得的感压腔长值进行温度补偿，从而得到当前温度下准确的压力值。