CN109186827A - 一种带引压管的全石英光纤压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带引压管的全石英光纤压力传感器，包括石英毛细管#4，石英毛细管#4轴向内侧的左右两端对称设有一石英毛细管#3和一中空石英管#2，石英毛细管#3内熔接有一与其直径相匹配的光纤；中空石英管#2内熔接有一右端带石英微球的石英毛细管#1，石英微球为由石英毛细管#1制作而成的空心的球形壳体，尾部与石英毛细管#1相通；石英微球设置于石英毛细管#3和中空石英管#2之间的空腔内，其中心点与光纤的中心点位于同一水平线上；光纤两端分别延伸至石英毛细管#3外，其右端面与石英微球的外表面之间形成法珀腔。本发明具有极低的温度系数，结构紧凑，体积小，具有高温环境下压力测量的应用的潜力。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种带引压管的全石英光纤压力传感器。
背景技术
近年来，光纤法珀传感器因其响应快，隐蔽性好，配置简单，低成本且抗干扰的特点，已被广泛应用于测量压力、温度、应变、振动、超声波、加速度等多种物理量。
同时，基于空气腔或微球结构的全石英光纤法珀传感器成为新的研究热门。全石英结构具有很小的温度系数，空气腔或微球结构的法珀传感器制备简单且尺寸很小，这种结构的光纤法珀传感器在高温高压环境下具有很好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带引压管的全石英光纤压力传感器，本传感器可用于高温测量，具有温度系数小，构造简单，尺寸小且抗干扰的特点。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种带引压管的全石英光纤压力传感器，包括石英毛细管#4，所述石英毛细管#4轴向内侧的左右两端对称设有一石英毛细管#3和一中空石英管#2，所述石英毛细管#3的左端、中空石英管#2的右端分别延伸至石英毛细管#4外；所述石英毛细管#3内熔接有一与其直径相匹配的光纤；所述中空石英管#2内熔接有一右端带石英微球的石英毛细管#1，所述石英微球为由石英毛细管#1制作而成的空心的球形壳体，尾部与石英毛细管#1相通；所述石英微球设置于所述石英毛细管#3和中空石英管#2之间的空腔内，其中心点与光纤的中心点位于同一水平线上；所述光纤两端分别延伸至石英毛细管#3外，其右端面与石英微球的外表面之间形成法珀腔。
优选地，所述光纤为单模光纤、多模光纤或其他种类的光纤；光纤的规格可以替换为满足内外径与石英毛细管互相匹配的其他规格。
进一步地，
石英毛细管#1，其内径略大于光纤的外径，外径略小于石英毛细管#2的内径；
石英毛细管#2，其内径略大于石英毛细管#1的外径，外径略小于石英毛细管#4的内径，且与石英毛细管#3外径相同；
石英毛细管#3，其内径略大于光纤的外径，外径略小于石英毛细管#4的内径，且与石英毛细管#2外径相同；
石英毛细管#4，其内径略大于石英毛细管#2和石英毛细管#3的外径。
石英毛细管可替换为双孔光纤、边孔光纤、光子晶体光纤
进一步地，所述石英毛细管#1与石英微球一体加工成型，包括如下步骤：
S1、将石英毛细管#1的一端用熔接机手动模式熔接起来，其中，熔接的工艺参数为：放电强度100units，放电2次，每次的放电时间为1000ms、；另一端与压力泵相连；
S2、往石英毛细管#1中打气的同时调节光纤熔接机的放电强度至60-100units对石英毛细管#1封闭的端面进行电弧放电加工处理，通过调节压力泵气压和电弧放电参数控制微球的大小和形状，其中，电弧放电的次数为4-5次，每次的时间为300ms。
进一步地，石英毛细管#4内径与用石英毛细管#3包裹的光纤和石英微球的外径相匹配，光纤和石英微球分别从石英毛细管#4的两端放入对齐，并用熔接的方式将二者固定，使其端面对齐，形成法珀腔，光纤熔接机放电参数具体为：调节放电强度150units、放电时间为2000ms、放电6-8次。
进一步地，所述石英毛细管#1尾部延伸至中空石英管#2外，其延伸段即为引压管，该引压管内的介质可以是气体或液体。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的一种带引压管的全石英光纤压力传感器为全石英结构，结构紧凑，体积小，成本低廉，在室温下，1.1MPa的压力范围拥有4.84nm/MPa的灵敏度；室温到600℃范围内的温度系数很低，大约是2pm/℃，可应用于高温环境下的压力测量。
本发明中的微球结构可以根据需求进行尺寸的调节，制备方便。
附图说明
图1为本发明实施例一种带引压管的全石英光纤压力传感器的结构示意图。
图2为本发明实施例中包裹有中空石英管#2的右端带石英微球的石英毛细管#1的加工流程图。
图3为本发明实施例中包裹有石英毛细管#3的光纤的加工流程图。
图4为本发明实施例中石英毛细管#4、包裹有中空石英管#2的右端带石英微球的石英毛细管#1、包裹有石英毛细管#3的光纤的组装方式示意图。
具体实施方式
以下，参考附图，详细地说明本发明的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。
如图1所示，本发明实施的一种带引压管的全石英光纤压力传感器，由石英毛细管#46、包裹有石英毛细管#37的光纤1、包裹有中空石英管#28的右端带石英微球2的石英毛细管#13组成，具体的，所述石英毛细管#46轴向内侧的左右两端对称设有一石英毛细管#37和一中空石英管#28，所述石英毛细管#37的左端、中空石英管#28的右端分别延伸至石英毛细管#46外；所述石英毛细管#37内熔接有一与其直径相匹配的光纤1；所述中空石英管#28内熔接有一右端带石英微球2的石英毛细管#13，所述石英微球2为由石英毛细管#13制作而成的空心的球形壳体，尾部与石英毛细管#13相通；所述石英微球2设置于所述石英毛细管#37和中空石英管#28之间的空腔内，其中心点与光纤1的中心点位于同一水平线上；所述光纤1两端分别延伸至石英毛细管#37外，其右端面与石英微球2的外表面之间形成法珀腔5。
本实施例中，光纤1可以是单模光纤、多模光纤或其他种类的光纤。光纤1的外径略小于石英毛细管#37的内径，石英毛细管#13的外径略小于石英毛细管#28的内径，石英毛细管#28的外径应与石英毛细管#37的外径相匹配，微球结构2的外径和石英毛细管#37、石英毛细管#28的外径略小于石英毛细管#46的内径。优选地，石英毛细管可替换为双孔光纤、边孔光纤、光子晶体光纤。
所述包裹有中空石英管#28的右端带石英微球2的石英毛细管#13通过以下步骤加工而成：
S1、将石英毛细管#13一端的聚酰亚胺涂覆层剥去，两端切平后，作为导压管插入石英毛细管#28中；
S2、调节熔接机放电强度至100units，放电次数为5次，每次的放电时间为800ms，将石英毛细管#13和石英毛细管#28熔接在一起；
S3、将石英毛细管#13的一端用熔接机手动模式熔接起来，其中，熔接的工艺参数为：放电强度100units，放电2次，每次的放电时间为1000ms、；另一端与压力泵相连；
S4、往石英毛细管#13中打气的同时调节光纤熔接机的放电强度至60-100units对石英毛细管#13封闭的端面进行电弧放电加工处理，通过调节压力泵气压和电弧放电参数控制微球的大小和形状，其中，电弧放电的次数为4-5次，每次的时间为300ms。
这里导压管输入的气压仅用示意图表示，实际导压管连接到气压泵上进行打气，调节气压为如50-500KPa。所述的熔接机型号为FITEL,S183 version 2,Japan，可以替换为其他型号的熔接机。所述石英毛细管的切割方式可以是切割机或激光切割等各种切割方式。所述电弧放电制作微球可以替换为氢氧焰、激光或其他高温热源。
如图3所示，本具体实施通过以下步骤实现光纤1与石英毛细管#37的固接：
S1、将光纤1一端的聚酰亚胺涂覆层剥去，两端切平。
S2、将光纤1用熔接机插入石英毛细管#37中，并将两者紧密焊接以密封，光纤熔接机放电参数具体为：调节放电强度120units、放电时间为1000ms、放电4-5次。
这里所述的熔接机型号为FITEL,S183 version 2,Japan，可以替换为其他型号的熔接机。所述光纤的切割方式可以是切割机或激光切割等各种切割方式。
如图4所示，将包裹有石英毛细管#37的光纤1、包裹有中空石英管#28的右端带石英微球2的石英毛细管#13分别从石英毛细管#46的两端放入对齐，并用熔接4的方式将二者固定，使其端面对齐，形成法珀腔5。光纤熔接机放电参数具体为：调节放电强度150units、放电时间为2000ms、放电6-8次。其中，石英毛细管#4内径与用石英毛细管#37包裹的光纤1和石英微球2的外径相匹配，
这里所述的熔接机型号为FITEL,S183 version 2,Japan，可以替换为其他型号的熔接机。
以下，结合实例阐述本发明所述的一种带引压管的全石英光纤压力传感器，更进一步地详细地描述本实施方式。
实施例1
在本实施例中，利用光纤切割刀将康宁公司一种外径为125μm的单模光纤的两个端面切平，剥去包覆层，使用光纤熔接机(型号：FITEL S183 Version2)套入内径为130μm，外径为340μm的毛细石英管中，并将二者熔接，具体熔接参数为：放电强度120units、放电时间为1000ms、放电4-5次。使用光纤熔接机(型号：FITEL S183 Version2)将内径为126μm，外径为200μm的中空石英玻璃管套入内径为205μm，外径为340μm的石英玻璃管中，将二者熔接，具体熔接参数为：放电强度100units、放电时间为800ms、放电5次。同时将前者的一端熔塌陷至封闭，另一端接入打压器(型号：康斯特162型)，具体放电参数为放电强度100units、放电时间为1000ms、放电2次。
接着，调整打压器，使中空石英玻璃管的内部压力达到110kPa至120kPa(绝对压强)之间。调整光纤熔接机调节放电强度60-100units、放电时间为300ms，保持中空石英玻璃管的内部压强，在封闭端放电4-5次。在这个过程中，由于中空石英玻璃管的内外压力差的作用，中空石英玻璃管的放电处会膨胀形成大致中空球状体。
然后，将带有微球石英玻璃管从光纤熔接机取下，撤去高压源，另一端利用光纤切割刀重新切平。在光纤熔接机的手动模式下，将光纤和微球依次相对地插入内径为345μm，外径为450μm中空石英玻璃管中，重新调整放电时间为2000ms，放电强度为150units，放电6-8次，依次将光纤和微球结构分别与中空石英玻璃管熔接在一起，熔接过程中调整两端面之间的距离，使该距离为57μm，此时自由光谱区的宽度约为20nm。
实施例2
在本实施例中，利用光纤切割刀将康宁公司一种外径为125μm的单模光纤的两个端面切平，剥去包覆层，使用光纤熔接机(型号：FITEL S183 Version2)套入内径为130μm，外径为340μm的毛细石英管中，并将二者熔接，具体熔接参数为：放电强度120units、放电时间为1000ms、放电4-5次。使用光纤熔接机(型号：FITEL S183 Version2)将内径为126μm，外径为200μm的中空石英玻璃管套入内径为205μm，外径为340μm的石英玻璃管中，将二者熔接，具体熔接参数为：放电强度100units、放电时间为800ms、放电5次。同时将前者的一端熔塌陷至封闭，另一端接入打压器(型号：康斯特162型)，具体放电参数为放电强度100units、放电时间为1000ms、放电2次。
接着，调整打压器，使中空石英玻璃管的内部压力达到110kPa至120kPa(绝对压强)之间。调整光纤熔接机调节放电强度60-100、放电时间为300ms，保持中空石英玻璃管的内部压强，在封闭端放电4-5次。在这个过程中，由于中空石英玻璃管的内外压力差的作用，中空石英玻璃管的放电处会膨胀形成大致中空球状体。
然后，将带有微球石英玻璃管从光纤熔接机取下，撤去高压源，另一端利用光纤切割刀重新切平。在光纤熔接机的手动模式下，将光纤和微球依次相对地插入内径为345μm，外径为450μm中空石英玻璃管中，重新调整放电时间为2000ms，放电强度为150units，放电6-8次，依次将光纤和微球结构分别与中空石英玻璃管熔接在一起，熔接过程中调整两端面之间的距离，使该距离为138μm，此时自由光谱区的宽度约为8nm。
对打压器持续打气至1.1MPa，可以明显观测到自由光谱左移，传感器在室温下拥有良好的线性度，灵敏度大约为4.84nm/MPa，非线性度仅为2.07％。600℃时的温度系数大约是2pm/℃。
虽然以上结合附图和实施例对本发明进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本发明。本领域技术人员在不偏离本发明的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本发明进行变形和变化，这些变形和变化均落入本发明的范围内。
Claims (7)
1.一种带引压管的全石英光纤压力传感器，包括石英毛细管#4(6)，其特征在于：所述石英毛细管#4(6)轴向内侧的左右两端对称设有一石英毛细管#3(7)和一中空石英管#2(8)，所述石英毛细管#3(7)的左端、中空石英管#2(8)的右端分别延伸至石英毛细管#4(6)外；所述石英毛细管#3(7)内熔接有一与其直径相匹配的光纤(1)；所述中空石英管#2(8)内熔接有一右端带石英微球(2)的石英毛细管#1(3)，所述石英微球(2)为由石英毛细管#1(3)制作而成的空心的球形壳体，尾部与石英毛细管#1(3)相通；所述石英微球(2)设置于所述石英毛细管#3(7)和中空石英管#2(8)之间的空腔内，其中心点与光纤(1)的中心点位于同一水平线上；所述光纤(1)两端分别延伸至石英毛细管#3(7)外，其右端面与石英微球(2)的外表面之间形成法珀腔(5)。
2.如权利要求1所述的一种带引压管的全石英光纤压力传感器，其特征在于：所述光纤(1)为单模光纤、多模光纤或其他种类的光纤。
3.如权利要求1所述的一种带引压管的全石英光纤压力传感器，其特征在于：
石英毛细管#1(3)，其内径略大于光纤(1)的外径，外径略小于石英毛细管#2(8)的内径；
石英毛细管#2(8)，其内径略大于石英毛细管#1(3)的外径，外径略小于石英毛细管#4(6)的内径，且与石英毛细管#3(7)外径相同；
石英毛细管#3(7)，其内径略大于光纤(1)的外径，外径略小于石英毛细管#4(6)的内径，且与石英毛细管#2(8)外径相同；
石英毛细管#4(6)，其内径略大于石英毛细管#2(8)和石英毛细管#3(7)的外径。
4.如权利要求1所述的一种带引压管的全石英光纤压力传感器，其特征在于：所述石英毛细管#1(3)与石英微球(2)一体加工成型，包括如下步骤：
S1、将石英毛细管#1(3)的一端用熔接机手动模式熔接起来，另一端与压力泵相连；
S2、往石英毛细管#1(3)中打气的同时调节光纤熔接机的放电强度至60-100units对石英毛细管#1(3)封闭的端面进行电弧放电加工处理，通过调节压力泵气压和电弧放电参数控制微球的大小和形状，其中，电弧放电的次数为4-5次，每次的时间为300ms。
5.如权利要求1所述的一种带引压管的全石英光纤压力传感器，其特征在于：所述石英毛细管#4(6)内径与用石英毛细管#3(7)包裹的光纤(1)和石英微球(2)的外径相匹配，光纤(1)和石英微球(2)分别从石英毛细管#4(6)的两端放入对齐，并用熔接(4)的方式将二者固定，使其端面对齐，形成法珀腔(5)。
6.如权利要求4所述的一种带引压管的全石英光纤压力传感器，其特征在于：所述电弧放电加工处理可以替换为氢氧焰或激光处理。
7.如权利要求1所述的一种带引压管的全石英光纤压力传感器，其特征在于：所述石英毛细管#1(3)尾部延伸至中空石英管#2(8)外，其延伸段即为引压管，该引压管内的介质可以是气体或液体。
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2018
- 2018-10-31 CN CN201811287189.1A patent/CN109186827A/zh active Pending
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