CN109631789A - 一种具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器 - Google Patents

一种具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器，其包括传感光纤和由3D打印成形的反射部件和外壳，外壳的内部设置有用于镶嵌反射部件的腔室，腔室的前端依次设置有第一通道、第二通道和第三通道；第二通道的横截面积大于第一通道的横截面积；反射部件的反射面正对第一通道，且反射部件的反射面面积大于第一通道的横截面积；传感光纤通过第三通道、第二通道和第一通道与反射部件的反射面形成珐珀传感器；传感光纤在第三通道处与外壳粘接。本珐珀传感器可以将腔长的变化控制在减小并尽量消除误差的范围内，使得本发明相比现有珐珀传感器的测量精度更高。

Description

一种具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器。
背景技术
光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一，具有体积小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、远距离传输等优点，可以用来检测多种物理量，比如应变、温度、压力、声场、电场、振动、加速度等。光纤珐珀应变传感器就是其中的一员，它广泛应用在桥梁、天平结构、石油管道等大型工程结构的实时健康检测中。光纤珐珀应变传感器受温度和应变的双重影响，尤其在测量应变的场合中，受温度影响极大，因此在测量应变时去除温度的影响有很大的实际意义，但是，在高温环境下要精确消除基底产生的热应变对传感器的影响或同时实现应变和温度分离的精确测量却一直是一个难题。
目前，在光纤传感领域，作为应变、温度测量的主要是布拉格光纤光栅和珐珀干涉腔。基于悬臂梁结构的珐珀应变传感器，一种方法是采用并联双路珐珀干涉腔分析技术来消除悬臂梁基底热应变对力应变测量的影响，但由于基底对两只珐珀传感器的热应变不会完全一样，因此也不能精确消除热应变导致的误差；另一种方法是使用高温光纤温度传感器FBG和应变传感器一并固定在基底上，实现热应变和力应变的分离，但是由于在高温测量过程中FBG测量的滞后性使得应变传感器和温度传感器测量的不是同一个温度点的应变，导致测量误差。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器解决了现有珐珀传感器测量误差大的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器，其包括传感光纤和由3D打印成形的反射部件和外壳，外壳的内部设置有用于镶嵌反射部件的腔室，腔室的前端依次设置有第一通道、第二通道和第三通道；第二通道的横截面积大于第一通道的横截面积；反射部件的反射面正对第一通道，且反射部件的反射面面积大于第一通道的横截面积；传感光纤通过第三通道、第二通道和第一通道与反射部件的反射面形成珐珀传感器；传感光纤在第三通道处与外壳粘接。
进一步地，反射部件设置呈T字形，反射部件的底部镶嵌于外壳内，反射部件的反射端位于腔室内且不与腔室的内壁接触。
进一步地，第一通道的横截面积与传感光纤的纤芯横截面积相等。
进一步地，第二通道的横截面积与传感光纤的包层横截面积相等。
进一步地，第三通道设置成漏斗状，且第三通道中开口大的一端位于外侧。
进一步地，传感光纤在第三通道处通过紫外胶与外壳粘接。
进一步地，反射部件和外壳的热膨胀系数满足关系：
其中Δλ为波长变化量；λ0干涉光谱共振波长初始值；ΔL0为腔室的腔长变化量；L0为传感光纤与反射部件之间的距离；L1为反射部件的应变伸长量；ΔT为温度变化量；Cclad为外壳的热膨胀系数，Ccore为反射部件的热膨胀系数。
本发明的有益效果为：本珐珀传感器在稳定升高时，反射部件和外壳一起受热膨胀，传感光纤跟随外壳一起朝远离反射部件的方向移动，传感光纤与反射部件之间形成的珐珀腔腔长增加，本珐珀传感器可以将腔长的变化控制在减小并尽量消除误差的范围内，使得本发明相比现有珐珀传感器的测量精度更高。
附图说明
图1为本发明的结构剖视图。
其中：1、反射部件；2、外壳；3、腔室；4、第一通道；5、第二通道；6、第三通道；7、传感光纤。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器包括传感光纤7和由3D打印成形的反射部件1和外壳2，外壳2的内部设置有用于镶嵌反射部件1的腔室3，腔室3的前端依次设置有第一通道4、第二通道5和第三通道6；第二通道5的横截面积大于第一通道4的横截面积；反射部件1的反射面正对第一通道4，且反射部件1的反射面面积大于第一通道4的横截面积；传感光纤7通过第三通道6、第二通道5和第一通道4与反射部件1的反射面形成珐珀传感器；传感光纤7在第三通道6处与外壳2粘接。
反射部件1设置呈T字形，反射部件1的底部镶嵌于外壳2内，反射部件1的反射端位于腔室3内且不与腔室3的内壁接触。
第一通道4的横截面积与传感光纤5的纤芯横截面积相等。
第二通道5的横截面积与传感光纤5的包层横截面积相等。
第三通道6设置成漏斗状，且第三通道6中开口大的一端位于外侧。
传感光纤7在第三通道6处通过紫外胶与外壳2粘接。
反射部件1和外壳2的热膨胀系数满足关系：
其中Δλ为波长变化量；λ0干涉光谱共振波长初始值；ΔL0为腔室3的腔长变化量；L0为传感光纤7与反射部件1之间的距离；L1为反射部件1的应变伸长量；ΔT为温度变化量；Cclad为外壳2的热膨胀系数，Ccore为反射部件1的热膨胀系数。
在本发明的一个实施例中，珐珀传感器对应变的灵敏度可有以下公式决定：
其中ε为应变量；由该公式可知，可以通过调节L0和L1的长度来提高珐珀传感器的对应变的灵敏度，制作满足需求的传感器。由于反射部件1和外壳2的热膨胀系数满足上述关系式，使得温度变化对传感测量造成的误差会被抵消，因此本传感器的测量效果更好。
在具体实施过程中，反射部件1的反射端设置成去顶锥形，其端面可以采取抛光处理，以提高其反射率，同时该端面的直径大于传感光纤7的纤芯直径。

Claims (7)

1.一种具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器，其特征在于，包括传感光纤(7)和由3D打印成形的反射部件(1)和外壳(2)，所述外壳(2)的内部设置有用于镶嵌反射部件(1)的腔室(3)，所述腔室(3)的前端依次设置有第一通道(4)、第二通道(5)和第三通道(6)；所述第二通道(5)的横截面积大于第一通道(4)的横截面积；所述反射部件(1)的反射面正对第一通道(4)，且所述反射部件(1)的反射面面积大于第一通道(4)的横截面积；所述传感光纤(7)通过第三通道(6)、第二通道(5)和第一通道(4)与反射部件(1)的反射面形成珐珀传感器；所述传感光纤(7)在第三通道(6)处与外壳(2)粘接。
2.根据权利要求1所述的具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器，其特征在于，所述反射部件(1)设置呈T字形，所述反射部件(1)的底部镶嵌于外壳(2)内，所述反射部件(1)的反射端位于腔室(3)内且不与腔室(3)的内壁接触。
3.根据权利要求1所述的具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器，其特征在于，所述第一通道(4)的横截面积与传感光纤(5)的纤芯横截面积相等。
4.根据权利要求1所述的具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器，其特征在于，所述第二通道(5)的横截面积与传感光纤(5)的包层横截面积相等。
5.根据权利要求1所述的具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器，其特征在于，所述第三通道(6)设置成漏斗状，且第三通道(6)中开口大的一端位于外侧。
6.根据权利要求1所述的具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器，其特征在于，所述传感光纤(7)在第三通道(6)处通过紫外胶与外壳(2)粘接。
7.根据权利要求1所述的具有温度自补偿效应的高灵敏珐珀传感器，其特征在于，所述反射部件(1)和外壳(2)的热膨胀系数满足关系：
其中Δλ为波长变化量；λ0干涉光谱共振波长初始值；ΔL0为腔室(3)的腔长变化量；L0为传感光纤(7)与反射部件(1)之间的距离；L1为反射部件(1)的应变伸长量；ΔT为温度变化量；Cclad为外壳(2)的热膨胀系数，Ccore为反射部件(1)的热膨胀系数。
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