CN109459164B - 一种光纤压力传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于传感器领域，提供了一种光纤压力传感器及其制作方法，包括信号发射与接收装置、传输光纤和压力探测装置，其中，传输光纤包括与信号发射与接收装置连接的光入射端、与压力探测装置连接的光反射端，压力探测装置包括介质存储腔、折射率敏感介质和弹性膜片，介质存储腔具有与传输光纤的轴向方向平行的开口端，传输光纤的光反射端的纤芯面与介质存储腔的沿腔长方向的内侧面构成法布里‑珀罗谐振腔的两个反射面，介质存储腔内填充有折射率敏感介质，并通过弹性膜片密封其开口端。该弹性膜片形变引起折射率敏感介质的折射率变化，弹性膜片可作为压力传感器的压力感应面，用于测量从传输光纤的侧面施加的压力。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，尤其涉及一种光纤压力传感器及其制作方法。
背景技术
压力传感器广泛应用于各个领域，包括航空航天、土木工程、生物医学、海洋工程等，科技的发展对压力传感器提出了更高的要求：高灵敏度、结构紧凑、抗电磁干扰、低能耗、便于集成分布、能应用于强酸强碱等恶劣环境。
基于法布里-珀罗(简称F-P)干涉原理、利用光纤制作的光纤法布里-珀罗压力传感器，其优点是体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、耐酸碱腐蚀、耐高温、便于集成分布、能耗低、无毒性、不导电等。现有的绝大部分光纤F-P压力传感器的传感面都设置在光纤的顶端，只能用于测量来自于光纤端部方向的压力。然而，越来越多的场合需要对来自于光纤侧面的压力进行测量，显然现有的光纤压力传感器不能满足要求。
发明内容
本发明提供了一种光纤压力传感器，旨在解决现有的光纤压力传感器不能用于测量光纤侧面的压力的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种光纤压力传感器，包括：信号发射与接收装置、传输光纤和压力探测装置；
所述传输光纤包括与所述信号发射与接收装置连接的光入射端、与所述压力探测装置连接的光反射端；
所述压力探测装置包括介质存储腔、折射率敏感介质和弹性膜片，其中，所述介质存储腔具有与所述传输光纤的轴向方向平行的开口端，所述传输光纤的光反射端的纤芯面与所述介质存储腔的沿腔长方向的内侧面构成法布里-珀罗F-P谐振腔的两个反射面；
所述介质存储腔内填充有折射率敏感介质，并通过所述弹性膜片密封其开口端。
本发明第二方面提供了一种光纤压力传感器的制作方法，包括：
在传输光纤的第一端连接毛细石英棒，并将所述毛细石英棒切割成预设长度；
采用微加工的方法在所述毛细石英棒上加工出介质储存腔，所述介质储存腔的开口端与所述传输光纤的轴向方向平行，其中，所述传输光纤的第一端的纤芯面与所述介质存储腔的内侧面构成F-P谐振腔的两个反射面；
向所述介质存储腔内填充折射率敏感介质，并通过弹性膜片密封其开口端；
将所述传输光纤的第二端连接在信号发射与接收装置上。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：由于传输光纤的光反射端的纤芯面与介质存储腔的内侧面构成F-P谐振腔的两个反射面，因此信号发射与接收装置提供的光信号分别在两个反射面产生的反射光相干，当外界压力通过弹性膜片传导至该F-P谐振腔，导致介质存储腔内填充的折射率敏感介质对光的折射率发生变化时，改变了干涉光谱特性。通过分析该干涉光谱特性数据，可精确地测量施加在弹性膜片上的压力的大小。在本发明中，由于介质存储腔具有与传输光纤的轴向方向平行的开口端，设置于介质存储腔的开口端的弹性膜片可作为压力感应面，用于接收从传输光纤的侧面施加的压力，因此本发明提供的光纤压力传感器可用于测量传输光纤的侧面方向的压力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例提供的的技术方案，下面将对本发明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，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例提供的光纤压力传感器的结构示意图；
图2为本发明第一实施例提供的光纤压力传感器的剖面图；
图3(a)为本发明第二实施例提供的光纤压力传感器中的压力探测装置的横向剖面图；
图3(b)为本发明第二实施例提供的光纤压力传感器中的压力探测装置的纵向剖面图；
图4(a)为本发明第三实施例提供的光纤压力传感器中的压力探测装置的横向剖面图；
图4(b)为本发明第三实施例提供的光纤压力传感器中的压力探测装置的纵向剖面图；
图5为本发明第四实施例提供的一种光纤压力传感器的制作方法流程图。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为本发明第一实施例提供的光纤压力传感器的结构示意图。该光纤压力传感器包括信号发射与接收装置1、传输光纤2和压力探测装置3。
如图2所示，图2为本发明第一实施例提供的光纤压力传感器的剖面图。图2中未示出信号发射与接收装置1。其中，传输光纤2包括纤芯21以及与信号发射与接收装置1连接的光入射端(图2中传输光纤的左端)、与压力探测装置3连接的光反射端(图2中传输光纤的右端)。该压力探测装置3包括介质存储腔31、折射率敏感介质(图中未标出)和弹性膜片32，其中，介质存储腔31具有与传输光纤2的轴向方向平行的开口端，且传输光纤2的光反射端的纤芯面与介质存储腔31的沿腔长方向的内侧面构成F-P谐振腔的两个反射面。介质存储腔31内填充有折射率敏感介质，并通过弹性膜片32密封其开口端，其中，弹性膜片32受力形变会引起腔内的折射率敏感介质的折射率变化。
在本发明实施例中，由于该弹性膜片32受力形变将接收到的压力传递到F-P腔，该弹性膜片32可作为压力传感器的传感面。并且，由于弹性膜片32与传输光纤2的轴向方向平行，该弹性膜片32可用于测量来自于传输光纤2的侧向、径向方向的压力。
具体地，信号发射与接收装置1可用于提供连续的光信号，该光信号从传输光纤2的光入射端垂直射入，并在其光反射端发生菲涅尔反射。传输光纤2的光反射端的纤芯面与介质存储腔31的沿腔长方向的内侧面互相平行，共同构成F-P谐振腔的两个反射面，一部分光信号被该纤芯面反射回传输光纤2中，另一部分透射进入介质存储腔31，并在介质存储腔31的内侧面上发生反射，且该反射光穿过传输光纤2的光反射端后与传输光纤2中的反射光发生干涉。
由于介质存储腔31的腔长方向与传输光纤2的轴向方向一致，且腔长一定，也就是传输光纤2的光反射端与介质存储腔31的沿腔长方向的内侧面之间的距离不变，故光在F-P光学谐振腔中传播的距离不变。光经传输光纤2垂直射入介质存储腔31，分别被传输光纤2的光反射端的纤芯面、介质存储腔31的该内侧面反射，形成反射光E1和反射光E2，将介质存储腔31的外侧面粗糙化处理，入射光在该粗糙面上的反射可以忽略，因此反射谱可看作是E1、E2双光束干涉。信号发射与接收装置1还用于接收从传输光纤2的光反射端传递到光入射端的干涉光信号，并对该干涉光信号进行解调处理。
需要说明的是，当外界压力作用于弹性膜片32上使其发生弹性形变时，介质存储腔31的体积改变，介质存储腔31内填充的折射率敏感介质的密度和对光的折射率随之变化，由于光信号在F-P谐振腔中传播的路程不变，介质的折射率变化会导致光信号在该F-P谐振腔中的光程发生变化，进而引起干涉光谱变化。光程理解为在相同时间内光在真空中传播的距离，通常情况下，光程在数值上等于介质折射率乘以光在介质中传播的路程。本发明实施例提供的光纤压力传感器通过对产生的干涉光谱进行解调以获得外部压力。
进一步地，信号发射与接收装置1包括光源模块、解调模块和转换模块。
其中，光源模块用于提供信号光。
解调模块用于接收由F-P谐振腔产生的干涉光谱信号，并通过对干涉光谱信号解调以获取折射率信息。
转换模块中保存有介质的折射率与弹性膜片32所受压力的对应关系，用于将获取到的折射率信息转换为被测压力。
由于介质的折射率变化会引起两束反射光的光程差改变，从而导致产生的干涉光谱中波峰或波谷的位置发生漂移，本发明实施例中利用信号发射与接收装置1，具体为光纤解调仪等设备对干涉光谱解调。由于光谱中波峰或波谷的位置漂移反映了光程差的改变，漂移的距离与介质存储腔31内的介质折射率直接相关，从而实现高精度解调。通过解调该干涉光谱获取介质的折射率信息，并建立作用于弹性膜片32上的压力与介质的折射率信息的一一对应关系，将获得的折射率信息转换为被测压力。
在实际应用中，通过解调模块对接收到的低相干干涉信号进行自适应Fourier滤波，然后从滤波后的低相干干涉信号中提取出有效的波峰或波谷以获取低相干干涉信号的整体平移信息，进而得到F-P腔中的折射率变化实现解调；然后设置上限阈值和下限阈值提取若干有效波峰或有效波谷，并对该有效波峰或波谷按次序编号，当作用于弹性膜片32上的压力发生变化时，其中任意一个有效波峰或有效波谷的极值点位置都随压力单调变化，解调时只追踪其中一个固定编号的波峰或波谷的极值位置，即可获取相应的介质折射率信息。最后通过转换模块将获得的折射率信息转换为对应的压力参数。
如图3(a)和图3(b)所示，图3(a)为本发明第二实施例提供的光纤压力传感器中的压力探测装置的横向剖面图，图3(b)为本发明第二实施例提供的光纤压力传感器中的压力探测装置的纵向剖面图。
如图所示，压力探测装置3还包括应力膜片33。弹性膜片32设置在介质存储腔31的开口端，用于将折射率敏感介质密封在腔体内，应力膜片33设置在弹性膜片32的外表面，用于将接收到的压力传递到弹性膜片32上。应力膜片33的横截面面积小于弹性膜片32的横截面面积，使受力位置精确，并且，应力膜片33的弹性很小，在对其施加压力时不易发生形变，而弹性膜片32的弹性好，受到压力时具有明显的弹性形变。
本发明实施例中的介质存储腔31内部的形状可以是如图3(a)和图3(b)所示的长方体，也可以是其他任何可以满足要求的形状，需要说明的是，介质存储腔31的开口端的深度不小于传输光纤2内纤芯的深度。
如图4(a)和图4(b)所示，图4(a)为本发明第三实施例提供的光纤压力传感器中的压力探测装置的横向剖面图，图4(b)为本发明第三实施例提供的光纤压力传感器中的压力探测装置的纵向剖面图。
在本发明实施例中，传输光纤2的光反射端的纤芯面与介质存储腔31的某一内侧面互相平行，构成F-P谐振腔的两个反射面，且介质存储腔31的深度不小于传输光纤2内纤芯的深度，保证了从传输光纤2中出射的信号光进入该F-P谐振腔。
进一步地，本发明实施例中的折射率敏感介质是具有导光性且受挤压后折射率变化的气体、液体、胶体或胶状物质等。传输光纤2包括蓝宝石光纤、硫化物光纤、氟化物光纤、聚合物光纤、多模石英光纤、塑包光纤或光子晶体光纤等。
如图5所示，本发明第四实施例提供了一种光纤压力传感器的制作方法流程图，该方法包括：
步骤S101、将传输光纤的第一端连接毛细石英棒，并将毛细石英棒切割成预设长度；
步骤S102、采用微加工的方法在毛细石英棒上加工出介质储存腔，其中，介质储存腔的开口端与传输光纤的轴向方向平行，且传输光纤第一端的纤芯面与介质存储腔的内侧面构成F-P谐振腔的两个反射面；
步骤S103、向介质存储腔内填充折射率敏感介质，并通过弹性膜片密封其开口端；
步骤S104、将传输光纤的第二端连接在信号发射与接收装置上。
在步骤S101中，首先取一定长度的光纤，例如蓝宝石光纤、硫化物光纤、氟化物光纤、聚合物光纤、多模石英光纤、塑包光纤或光子晶体光纤中的任一种，将光纤的一端切割平整后在其端面上熔接一根毛细石英棒，然后，将切割刀固定在显微镜下方，利用螺旋测微器夹持光纤控制其进给量进行切割，将毛细石英棒切割成合适的长度。
示例性的，切割后的毛细石英棒的长度范围为1-10000μm。
本发明中光纤、毛细石英棒的材质均为二氧化硅，其热膨胀系数相同，避免了不同材料高温失配造成的结构失效，温度串扰小，并且，该光纤压力传感器的制作工艺只需要基础的切割、熔接等操作，制作工艺简单、成本低廉、可实现性强。
在步骤S102中，从毛细石英棒与光纤的连接处开始，在毛细石英棒上开设一定长度的开口腔，该开口腔即为介质存储腔。示例性的，储存介质腔的腔长范围是0.5-5000μm。需要说明的是，该介质存储腔的开口端的深度不小于光纤内纤芯的深度，介质存储腔的开口方向与与光纤的轴向方向平行，这样在光纤和毛细石英棒之间形成了一段空气隙，且光纤的纤芯面与介质存储腔的沿腔长方向的内表面互相平行，构成法布里-珀罗谐振腔的两个反射面。
进一步地，步骤S102中的微加工方法包括聚焦离子束刻蚀法、飞秒激光器加工法，以及氢氟酸腐蚀法。
例如，可以将光纤与毛细石英棒固定在光纤加持装置上，利用飞秒激光器在毛细石英棒上加工出一个诱导槽，然后在该诱导槽内导入适量氢氟酸溶液，利用氢氟酸溶液的腐蚀作用腐蚀出满足要求的介质储存腔。
在步骤S103中，往介质储存腔的开口端向腔内注入的折射率敏感介质是具有导光性且受挤压后折射率可变的气体、液体、胶体或胶状物质等，且注入介质后利用一弹性膜片密封介质储存腔的开口端，该弹性膜片即为本实施例中的光纤压力传感器的压力敏感膜。
可选地，弹性膜片密封介质存储腔的方法包括强力胶粘接法、加热熔接法等。
在实际应用中，信号发射与接收装置可以为光纤解调仪，该光纤解调仪自身提供的光信号经传输光纤传输到F-P谐振腔，外界压力作用于弹性膜片上使其发生弹性形变，导致腔内存储的折射率敏感介质对光的折射率发生变化。通过F-P谐振腔产生的携带有介质折射率信息的干涉光谱信号再次经过传输光纤耦合到光纤解调仪的接收端，光纤解调仪将测得的光谱数据扫描存盘，然后在计算机中进行解调处理，获取该折射率信息，最后将该折射信息转换为对应的压力参数，实现压力传感。
以上为对本发明实施例提供的一种光纤压力传感器及其制作方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种光纤压力传感器，其特征在于，所述光纤压力传感器包括：
信号发射与接收装置、传输光纤和压力探测装置；
所述传输光纤包括与所述信号发射与接收装置连接的光入射端、与所述压力探测装置连接的光反射端，所述光反射端的端面与所述压力探测装置的一端连接；
所述压力探测装置包括介质存储腔、折射率敏感介质、弹性膜片和应力膜片，其中，所述介质存储腔的横截面面积小于所述光反射端的端面面积，所述介质存储腔具有与所述传输光纤的轴向方向平行的开口端，所述光反射端的纤芯面与所述介质存储腔的沿腔长方向的内侧面构成法布里-珀罗F-P谐振腔的两个反射面，所述应力膜片设置在所述弹性膜片的外表面，用于将接收到的压力传递到所述弹性膜片上，所述应力膜片的横截面面积小于所述弹性膜片的横截面面积；
所述介质存储腔内填充有折射率敏感介质，并通过所述弹性膜片密封其开口端，所述折射率敏感介质是具有导光性且受挤压后折射率可变的气体、液体、胶体或胶状物质。
2.根据权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述弹性膜片受力形变引起折射率敏感介质的折射率变化；
所述信号发射与接收装置包括光源模块、解调模块和转换模块；
所述光源模块用于提供信号光；
所述解调模块用于接收由所述F-P谐振腔产生的干涉光谱信号，并通过对所述干涉光谱信号解调以获取介质的折射率信息；
所述转换模块中保存有介质的折射率与弹性膜片所受压力的对应关系，用于将获取到的折射率信息转换为被测压力。
3.根据权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述介质存储腔的开口端的深度不小于所述传输光纤内纤芯的深度。
4.根据权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述传输光纤包括蓝宝石光纤、硫化物光纤、氟化物光纤、聚合物光纤、多模石英光纤、塑包光纤或光子晶体光纤。
5.一种光纤压力传感器的制作方法，应用于如权利要求1至4任一项所述光纤压力传感器，其特征在于，所述方法包括：
在传输光纤的第一端连接毛细石英棒，并将所述毛细石英棒切割成预设长度；
采用微加工的方法在所述毛细石英棒上加工出介质储存腔，其中，所述介质储存腔的开口端与所述传输光纤的轴向方向平行，且所述传输光纤的第一端的纤芯面与所述介质存储腔的内侧面构成F-P谐振腔的两个反射面；
向所述介质存储腔内填充折射率敏感介质，所述折射率敏感介质是具有导光性且受挤压后折射率可变的气体、液体、胶体或胶状物质，并通过弹性膜片密封其开口端，在所述弹性膜片的外表面设置应力膜片，所述应力膜片的横截面面积小于所述弹性膜片的横截面面积；
将所述传输光纤的第二端连接在信号发射与接收装置上。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，切割后的所述毛细石英棒的长度范围是1-10000μm，所述储存介质腔的腔长范围是0.5-5000μm。
7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述的微加工方法包括聚焦离子束刻蚀法、飞秒激光加工法或氢氟酸腐蚀法。
8.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述弹性膜片密封所述介质存储腔的方法包括强力胶粘接法或加热熔接法。
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