CN109431481B - 微型光纤压力传感器及其制造方法、压力传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型光纤压力传感器及其制造方法、压力传感系统，传感器包括具有沿延伸方向贯穿的通孔的套管、设置在套管的一端的封套、滑动地设置在通孔内的滑动光纤、以及相对固定地设置在通孔内的传输光纤，滑动光纤的一端固定连接在封套上、另一端的端面为滑动反射面，传输光纤靠近滑动光纤的端面为固定反射面，滑动反射面与固定反射面相互平行且存在间距，该间距构成法珀腔。传感器受压时，引起法珀腔的腔长变化，通过获得并比对腔长和压力间的函数关系，能够测得压力值。相比于膜片式法珀传感器，本发明的传感器不会产生膜片式传感器在应用时的法珀腔反射面变形的问题，提高了测量范围和精度。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感领域，特别涉及一种滑动式的微型光纤压力传感器及其制造方法、压力传感系统。
背景技术
在许多心血管病例中，对血管内不同位置处管内血压的测量是判断患者病情和决定治疗方案的基础。目前有不同类型的压力导丝进行管内血压的测量。现有大量应用的传统压力导丝技术为电学导丝，主要基于MEMS工艺的半导体压阻测量原理，存在电磁干扰难以与其它设备同时使用、以及尺寸有限、加工成本高昂等问题。
基于光学传感测量技术的压力导丝则可有效解决上述问题。目前发展最好的是基于法珀（F-P）干涉原理的传感器，已有大量研究及产品均基于F-P传感器。（专利CN103162878B，CN102879136B，CN103528735B，CN103994851B等）所有这些传感器均采用相同结构，即利用一片弹性膜片进行压力感知，膜片受压后会弯曲，从而改变法珀腔的腔长，通过对干涉条纹信号的解调处理，计算出腔长值，再利用腔长与压力之间的关系，获得压力值。不同报道中采用的膜片材料、厚度和大小不同，所制作的传感器测量范围和灵敏度也有所不同。采用以上方法测量简单，但在微米级的光纤压力导丝应用中存在如下问题：（1）微米级的膜片加工和装配均很困难，对设备要求高，且成品率低；（2）膜片受压后会形成凹陷，对应的法珀腔一侧也将产生变形，形成下陷的曲面，原本的平行腔成为一侧平面一侧曲面结构，使得所形成的干涉输出信号对比度降低。当压力较大引起变形增加时，信号输出质量会急剧恶化，降低解调精度，导致测量结果不准确。产生以上问题的根源在于传统法珀腔结构中弹性膜片既为受压敏感元件，又为光腔的反射面，这种缺陷设计使得膜片必须保持在极小的形变范围内，不利于传感器量程和精度的提高。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种微型光纤压力传感器，不仅可解决传统微型膜片制造和安装困难的问题，还可解决膜式传感器件弧形反射面引入的信号非线性及解调复杂等问题，能够实现在大压力范围测量时保持信号输出对比度的稳定性，从而直接提高测量范围和精度，并有助于提高测量速度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种微型光纤压力传感器，包括套管、滑动光纤、传输光纤，所述套管具有沿延伸方向贯穿的通孔，所述滑动光纤滑动配合地设置在所述通孔中，所述传输光纤的一端固定地穿设在所述通孔中且相对所述套管固定设置，所述套管远离所述传输光纤的一端设置有由弹性材料制成的封套，所述滑动光纤的一端固定连接在所述封套上、另一端的端面为滑动反射面，所述传输光纤靠近所述滑动光纤的端面为固定反射面，所述滑动反射面与所述固定反射面相互平行且存在间距，该间距构成法珀腔。
优选地，所述套管的由玻璃、不锈钢、高分子材料中的任一种材料制成。
优选地，所述滑动反射面与所述固定反射面的间距在20~100μm之间。
优选地，所述滑动光纤和所述传输光纤的直径在100~500μm之间，所述通孔的直径比所述滑动光纤的直径大10~30μm。
本发明的第二个目的是提供制造上述微型光纤压力传感器的方法，其过程简单，容易掌握，对加工设备要求较低。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：微型光纤压力传感器的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：准备套管，检查套管端面平整性，进行超声、去离子水清洗；
步骤2：将封套安装在套管的一端；
步骤3：将滑动光纤的一端部点胶，并使得该端部朝内地将滑动光纤放入通孔中，将滑动光纤顶至通孔的另一端，使得滑动光纤与封套粘接；
步骤4：传输光纤的一端伸入至通孔内，根据设计需求，调节传输光纤的位置；
步骤5：当滑动反射面与固定反射面的间距满足了设计需求时，在传输光纤与套管端部的连接处进行固定处理。
优选地，套管完成清洗后，将其一端浸入可固化的高分子溶液中，当所述高分子溶液在毛细作用力下进入套管内后，将套管取出，随后对套管上的高分子溶液进行固化，形成固态封套。
优选地，所述封套与所述套管连接处点胶处理。
优选地，所述传输光纤与套管端部的连接处通过点胶的方式固定、或通过光纤熔接机进行熔接固定。
本发明还有一个目的是提供一种压力传感系统，能够实现在大压力范围测量时保持信号输出对比度的稳定性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种压力传感系统，包括如前所述的微型光纤压力传感器、以及与所述微型光纤压力传感器连接的解调系统。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：当本发明的微型光纤压力传感器置于压力环境中时，封套受压后变形，引起通孔内的滑动光纤产生位移，滑动光纤与传输光纤之间的间距构成法珀腔，受压后滑动光纤的移动将导致腔长发生变化。不同腔长法珀腔的干涉光谱不同，通过解调系统对光谱特性数据进行处理分析，获得法珀腔的腔长。腔长值与压力值之间具有一一对应的函数关系，该关系可通过预先标定获得，测量时通过数学计算处理腔长数据即可获得待测环境的压力值。相比于膜片式法珀传感器，本发明的传感器在受压时滑动光纤在通孔内移动，其滑动反射面始终为平面，不会产生膜片式传感器在应用时的法珀腔反射面变形的问题，从而实现在大压力范围测量时保持信号输出对比度的稳定性，从而直接提高测量范围和精度，并有助于提高测量速度。
附图说明
附图1为本发明的微型光纤压力传感器的结构示意图；
附图2为本发明的微型光纤压力传感器制造过程示意图；
附图3为本发明的压力传感系统的原理图；
其中：1、套管；11、通孔；2、封套；3、传输光纤；31、固定反射面；4、滑动光纤；41、滑动反射面；5、连接处；10、法珀腔。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图1所示为本发明一种微型光纤压力传感器，包括具有沿延伸方向贯穿的通孔11的套管1、设置在套管1的一端且由弹性材料制成的封套2、滑动配合地设置在通孔11内的滑动光纤4、以及相对固定地设置在通孔11内的传输光纤3，滑动光纤4的一端固定连接在封套2上、另一端的端面为滑动反射面41，传输光纤3靠近滑动光纤4的端面为固定反射面31，滑动反射面41与固定反射面31相互平行且存在间距，该间距构成法珀腔10。
滑动反射面41和固定反射面31都可根据应用需求进行镀膜处理以改变表面反射率，因此本发明的压力传感器结构能够满足不同的使用需求。
套管1可以根据需要选用不同的材料制造，如玻璃、不锈钢、高分子材料等。
滑动反射面41与固定反射面31的间距在20~100μm之间。
滑动光纤4和传输光纤3可采用标准裸石英光纤，也可采用塑料光纤。光纤的直径在100~500μm之间，通孔11的直径比光纤的直径略大，以便于传感器的装配、以及滑动光纤4的滑动，但通孔11的直径也不能太大，否则光纤会在通孔11的内部有较大弯曲，影响测量结果。一般通孔11的直径比光纤的直径大10~30μm。
参见图3所示，本发明的压力传感系统包括如前所述的微型光纤压力传感器、以及通过传输光纤3与该微型光纤压力传感器连接的解调系统。该解调系统具体包括与传输光纤3连接的环形器，环形器还连接有用于为传感器提供光源的光源模块，法珀腔产生的光谱信息经环形器传递给光盘测量模块，信号处理模块对采集到的光谱信息处理后得到固定反射面31与滑动反射面41之间的距离。
参见图2所示，在本实施例中，本发明的微型光纤压力传感器的制作方法如下：
步骤1：准备套管1
步骤1.1：检查套管1端面平整性，进行超声、去离子水清洗；
步骤2：封套2制作（如图2b所示）
步骤2.1：将套管1浸入可固化的高分子溶液中（如PMMA、PDMS等与固化剂的混合液），随后迅速取出。高分子溶液将在毛细作用力下进入套管1内一定高度，通过控制溶液成分或侵入时间，或改变管内气压，可实现对液柱上升高度的控制，从而控制封套2的厚度；
步骤2.2：将毛细管置入温控箱中，对上述溶液进行高温固化，形成固态封套2；可在封套2与套管1的连接处点胶，加强封套2与套管1的连接强度；
步骤3：置入滑动光纤4（如图2c所示）
步骤3.1：将滑动光纤4的一端部点胶，并使得该端部朝内地将滑动光纤4放入通孔11中；
步骤3.2：用一根较长的光纤，将滑动光纤4顶入至套管端头，使得滑动光纤4与封套2的粘接；
步骤4：制作法珀腔10（如图2d所示）
步骤4.1：传输光纤3的一端伸入至通孔11内、另一端连接光纤法珀信号解调系统；
步骤4.2：通过光纤法珀信号解调系统，测量滑动反射面41与固定反射面31的间距，根据设计需求，调节传输光纤3的位置；
步骤5：固定传输光纤（如图2e所示）
当滑动反射面41与固定反射面31的间距满足了设计需求时，在传输光纤3与套管1端部的连接处5进行固定处理。固定处理可以为点胶固定、或通过光纤熔接机等手段进行套管1与传输光纤3的熔接，完成传输光纤3的固定。
通过以上制造方法可以看出，该微型光纤压力传感器的加工方法简单、成本低廉，对加工设备的要求低，加工者容易掌握。
当本发明的微型光纤压力传感器置于压力环境中时，封套2受压后变形，引起通孔11内的滑动光纤4产生位移，滑动光纤4与传输光纤3之间的间距构成法珀腔10，受压后滑动光纤4的移动将导致腔长发生变化。不同腔长法珀腔10的干涉光谱不同，通过解调系统对光谱特性数据进行处理分析，获得法珀腔10的腔长。腔长值与压力值之间具有一一对应的函数关系，该关系可通过预先标定获得，测量时通过数学计算处理腔长数据即可获得待测环境的压力值。相比于膜片式法珀传感器，本发明的传感器在受压时滑动光纤4在通孔11内移动，其滑动反射面41始终为平面，不会产生膜片式传感器在应用时的法珀腔反射面变形的问题，从而实现在大压力范围测量时保持信号输出对比度的稳定性，从而直接提高测量范围和精度，并有助于提高测量速度。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种制造微型光纤压力传感器的方法，其特征在于：所述微型光纤压力传感器包括套管、滑动光纤、传输光纤，所述套管具有沿延伸方向贯穿的通孔，所述滑动光纤滑动配合地设置在所述通孔中，所述传输光纤的一端固定地穿设在所述通孔中且相对所述套管固定设置，所述滑动光纤和所述传输光纤的直径在100～500μm之间，所述通孔的直径比所述滑动光纤的直径大10～30μm，所述套管远离所述传输光纤的一端设置有由弹性材料制成的封套，所述滑动光纤的一端固定连接在所述封套上、另一端的端面为滑动反射面，所述传输光纤靠近所述滑动光纤的端面为固定反射面，所述滑动反射面与所述固定反射面相互平行且存在间距，该间距构成法珀腔，
所述微型光纤压力传感器的制造方法为：
步骤1：准备套管，检查套管端面平整性，进行超声、去离子水清洗；
步骤2：将封套安装在所述套管的一端，所述套管完成清洗后，将其一端浸入可固化的高分子溶液中，当所述高分子溶液在毛细作用力下进入套管内后，将套管取出，随后对套管上的高分子溶液进行固化，形成固态封套，通过控制溶液成分或侵入时间，或改变管内气压，可实现对液柱上升高度的控制，从而控制所述封套的厚度；
步骤3：将滑动光纤的一端部点胶，并使得该端部朝内地将滑动光纤放入通孔中，将滑动光纤顶至通孔的另一端，使得滑动光纤与封套粘接；
步骤4：传输光纤的一端伸入至通孔内，根据设计需求，调节传输光纤的位置；
步骤5：当滑动反射面与固定反射面的间距满足了设计需求时，在传输光纤与套管端部的连接处进行固定处理。
2.根据权利要求1所述的制造微型光纤压力传感器的方法，其特征在于：所述滑动反射面和/或所述固定反射面镀有反射膜。
3.根据权利要求1所述的制造微型光纤压力传感器的方法，其特征在于：所述套管由玻璃、不锈钢、高分子材料中的任一种材料制成。
4.根据权利要求1所述的制造微型光纤压力传感器的方法，其特征在于：所述滑动反射面与所述固定反射面的间距在20～100μm之间。
5.根据权利要求1所述的制造微型光纤压力传感器的方法，其特征在于：所述封套与所述套管连接处点胶处理。
6.根据权利要求1所述的制造微型光纤压力传感器的方法，其特征在于：所述传输光纤与套管端部的连接处通过点胶的方式固定、或通过光纤熔接机进行熔接固定。
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