CN112697339A - 一种高强度耐高温快响应光纤气压传感探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度耐高温快响应光纤气压传感探头，由单模光纤、渐变折射率多模光纤、双芯光纤、空心石英管同轴级联熔接而成，在空心石英管4的管壁两个端面之间形成第一法布里‑珀罗谐振腔且在内外侧壁之间形成第二法布里‑珀罗谐振腔；通过设置双法布里泊罗干涉腔实现对环境的温度和气压的检测，从而对气压压强探测中的温度串扰进行补偿修正，提高气体压强测量准确性，此外，由于空心石英管的开放内腔的存在，无需额外钻孔，并且气压传感区域与外界环境完全连通，能够快速响应环境气压变化，有效减小响应时间。

Description

一种高强度耐高温快响应光纤气压传感探头
技术领域
本发明涉及传感探头技术领域，尤其涉及一种高强度耐高温快响应光纤气压传感探头。
背景技术
气压传感探头在化工、生物制药、能源开采等工业生产领域及环境监测领域具有重要应用价值。常见的电子式气压传感探头易于受到电磁干扰，耐高温能力不足，且在易燃易爆气体环境中应用时具有安全隐患，应用场景受到限制。光纤气压传感探头具有抗电磁干扰、耐腐蚀、全光传输、结构小巧等独特优势，已经在许多恶劣环境气压监测领域中得到广泛应用。
目前已有的光纤气压传感探头一般分为薄膜受压形变探测型和气体折射率探测型两类。基于薄膜受压形变探测的光纤气压传感探头一般将薄膜材料固定在光纤末端的空心腔体开口处，形成密封的法布里珀罗干涉微腔，利用薄膜受压形变导致的干涉腔长改变，对光纤中的宽谱光信号进行调制。但由于薄膜材料本身的限制，此类探头一般无法应用于高温高压环境。另一类光纤气压传感探头通过探测光纤周围环境气体折射率的改变，实现气压传感探测。由于基于纯石英材料，具有耐高温高压的优点。但光纤中的光信号主要集中在直径仅为几个微米到几十微米的纤芯中，无法直接探测周围环境的气体折射率。为了提高探测灵敏度，往往需要将光纤腐蚀、拉锥、侧面研磨或内部掏空，使纤芯暴露在周围环境中，但是，这些方法严重破坏了光纤的机械强度，且制备过程繁琐耗时。将石英毛细管熔接在光纤之间，可以在石英毛细管内形成中空的法布里珀罗干涉微腔，保证了光纤结构的机械强度。但需通过额外开孔，将中空微腔与外界环境联通，才可以实现光纤周围环境气体折射率的探测，从而实现气体压强探测。
在专利CN108225657B中，直接将光子晶体光纤熔接在石英毛细管末端，利用光子晶体光纤的孔状结构使气体进入石英毛细管的干涉微腔内，进一步提高了机械强度，并利用游标效应提高了探测灵敏度。但是，无论是额外钻孔还是利用光子晶体光纤的孔状结构，都影响了外界气体的进入速度，导致气体压强探测的响应时间延长。此外，以上介绍的光纤气压传感探头均存在一定的温度串扰，为了对温度串扰进行补偿，需要额外串联光纤光栅等温度探测结构，使实际的光纤气压传感探头更加复杂。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种高强度耐高温快响应光纤气压传感探头。
本发明提出的一种高强度耐高温快响应光纤气压传感探头，包括：单模光纤、多模光纤、双芯光纤和空心石英管；
单模光纤内部设有单模纤芯，多模光纤内设有多模纤芯，双芯光纤内设有中轴纤芯和偏轴纤芯，单模光纤、多模光纤、双芯光纤和空心石英管依次级联熔接，单模纤芯、多模纤芯、中轴纤芯和空心石英管的中部通腔依次连接，偏轴纤芯远离多模光纤一端与空心石英管管壁端面对应，在空心石英管的管壁两个端面之间形成第一法布里-珀罗谐振腔且在内外侧壁之间形成第二法布里-珀罗谐振腔。
优选地，空心石英管内外壁为同轴设置的圆柱面。
优选地，单模纤芯、多模纤芯、中轴纤芯和空心石英管同轴设置。
优选地，空心石英管的内径为35-45μm。
优选地，单模光纤、多模光纤、双芯光纤和空心石英管的外径相等。
优选地，多模光纤采用渐变折射率多模光纤。
优选地，多模纤芯的直径为100-110μm，长度为550-650μm。
优选地，中轴纤芯和偏轴纤芯的直径为8-10μm，双芯光纤的长度为800-1000μm。
优选地，中轴纤芯远离多模光纤一端的端面垂直于轴向设置。
本发明中，所提出的高强度耐高温快响应光纤气压传感探头，由单模光纤、渐变折射率多模光纤、双芯光纤、空心石英管同轴级联熔接而成，在空心石英管的管壁两个端面之间形成第一法布里-珀罗谐振腔且在内外侧壁之间形成第二法布里-珀罗谐振腔；通过设置双芯光纤实现对环境的温度和气压的准确检测，从而对气压压强探测中的温度串扰进行补偿修正，提高气体压强测量准确性，此外，由于空心石英管的开放内腔的存在，无需额外钻孔，并且气压传感区域与外界环境完全连通，能够快速响应环境气压变化，有效减小响应时间。
附图说明
图1为本发明提出的一种高强度耐高温快响应光纤气压传感探头的结构示意图。
图2为本发明提出的一种高强度耐高温快响应光纤气压传感探头的检测光路示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，图1为本发明提出的一种高强度耐高温快响应光纤气压传感探头的结构示意图，图2为本发明提出的一种高强度耐高温快响应光纤气压传感探头的检测光路示意图。
参照图1，本发明提出的一种高强度耐高温快响应光纤气压传感探头，包括：单模光纤1、多模光纤2、双芯光纤3和空心石英管4；
单模光纤1内部设有单模纤芯1a，多模光纤2内设有多模纤芯2a，双芯光纤3内设有中轴纤芯3a和偏轴纤芯3b，单模光纤1、多模光纤2、双芯光纤3和空心石英管4依次级联熔接，单模纤芯1a、多模纤芯2a、中轴纤芯3a和空心石英管4的中部通腔4b依次连接，偏轴纤芯3b远离多模光纤2一端与空心石英管4管壁端面对应，在空心石英管4的管壁两个端面之间形成第一法布里-珀罗谐振腔且在内外侧壁之间形成第二法布里-珀罗谐振腔。
参照图2，本实施例的高强度耐高温快响应光纤气压传感探头的具体工作过程中，用于气体压强探测时，将光纤气压传感探头暴露置于气体环境中，单模光纤1入射端通过环形器连接宽谱光源与光谱仪，单模光纤1的纤芯1a中的宽谱光信号通过多模光纤2，耦合到双芯光纤3的中轴3a、偏轴3b两个纤芯中；
其中，一方面，中轴纤芯3a出射的光信号入射到空心石英管中部通腔4b后，通过空心石英管4的内壁斜入射到空心石英管4的侧壁中发生反共振现象，在空心石英管内外侧壁之间的第二法布里-珀罗谐振腔内形成法布里珀罗干涉后，光信号经过空心石英管远离双轴光纤一端的端面4c反射，经空心石英管管壁4a进入双芯光纤偏轴纤芯3b中，并通过多模光纤2重新耦合回单模光纤1的纤芯1a输出，形成受温度扰动的气压探测光路；
另一方面，双芯光纤偏轴纤芯3b出射到空心石英管管壁4a中的光信号经过空心石英管的端面4c反射，也重新进入双芯光纤的偏轴纤芯3b中，并通过多模光纤2重新耦合回单模光纤1的纤芯1a输出，与中轴纤芯3a远离多模光纤一端端面3c反射回的光信号在第一法布里-珀罗谐振腔内形成法布里珀罗干涉，形成温度探测光路；因此，光谱仪监测到的该光纤气压传感探头的反射光谱中能够同时观察到反共振条纹与干涉条纹。
由于当气体压强改变时，空心石英管中部通腔4b内的气体折射率发生改变，从而通过空心石英管4的内壁斜入射到空心石英管4的管壁4a内第二法布里-珀罗谐振腔中参与共振的入射角和折射角进行调制，导致反射光谱中的反共振条纹移动，通过监测反共振条纹移动即可以实现空心石英管内气压传感探测；同时，当环境温度发生变化时，空心石英管侧壁4a的折射率由于热光效应发生改变，也会引起反共振条纹的移动，由于气压探测光路受温度扰动，因此通过温度探测对气压压强探测进行温度串扰的补偿修正，增加了传感结构压强探测的准确性。
本发明的光纤气压传感探头自带温度串扰补偿功能，双芯光纤偏轴芯3b出射到空心石英管侧壁4a中的光信号经过侧壁4a端面4c反射，重新进入双芯光纤偏轴纤芯3b中，与中轴纤芯3a端面3c反射回的光信号形成法布里珀罗干涉。该干涉的光程差只与空心石英管侧壁4a的折射率有关，与气体压强无关。因此，当环境温度发生变化时，反射光谱的干涉条纹同样会产生移动，且不受气体压强影响。可以通过监测干涉条纹移动，即可实现气体环境温度的准确探测，从而对气压压强探测中的温度串扰进行补偿修正，提高气体压强测量准确性。
在本实施例中，所提出的高强度耐高温快响应光纤气压传感探头，由单模光纤、渐变折射率多模光纤、双芯光纤、空心石英管同轴级联熔接而成，在空心石英管的管壁两个端面之间形成第一法布里-珀罗谐振腔且在内外侧壁之间形成第二法布里-珀罗谐振腔；通过设置双芯光纤实现对环境的温度和气压的准确检测，从而对气压压强探测中的温度串扰进行补偿修正，提高气体压强测量准确性，此外，由于空心石英管的开放内腔的存在，无需额外钻孔，并且气压传感区域与外界环境完全连通，能够快速响应环境气压变化，有效减小响应时间。
在空心石英管的具体实施方式中，空心石英管4内外壁为同轴设置的圆柱面。
进一步地，单模纤芯1a、多模纤芯2a、中轴纤芯3a和空心石英管4同轴设置。
在其尺寸选择中，空心石英管4的内径为35-45μm。
在其他具体实施方式中，单模光纤1、多模光纤2、双芯光纤3和空心石英管4的外径相等。
在多模光纤的选择中，多模光纤2采用渐变折射率多模光纤，单模光纤1的纤芯1a中的宽谱光信号通过渐变折射率多模光纤扩束并准直输出，保证双芯光纤的中轴纤芯和偏轴纤芯内的光信号强度均匀。
具体地，多模纤芯2a的直径为100-110μm，长度为550-650μm。
在双芯光纤的线芯具体尺寸选择中，中轴纤芯3a和偏轴纤芯3b的直径为8-10μm，双芯光纤3的长度为800-1000μm。
在中轴线芯的进一步设计方式中，中轴纤芯3a远离多模光纤2一端的端面垂直于轴向设置。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高强度耐高温快响应光纤气压传感探头，其特征在于，包括：单模光纤(1)、多模光纤(2)、双芯光纤(3)和空心石英管(4)；
单模光纤(1)内部设有单模纤芯(1a)，多模光纤(2)内设有多模纤芯(2a)，双芯光纤(3)内设有中轴纤芯(3a)和偏轴纤芯(3b)，单模光纤(1)、多模光纤(2)、双芯光纤(3)和空心石英管(4)依次级联熔接，单模纤芯(1a)、多模纤芯(2a)、中轴纤芯(3a)和空心石英管(4)的中部通腔(4b)依次连接，偏轴纤芯(3b)远离多模光纤(2)一端与空心石英管(4)管壁端面对应，在多模纤芯(2a)内，在空心石英管(4)的管壁两个端面之间形成第一法布里-珀罗谐振腔且在内外侧壁之间形成第二法布里-珀罗谐振腔。
2.根据权利要求1所述的高强度耐高温快响应光纤气压传感探头，其特征在于，空心石英管(4)内外壁为同轴设置的圆柱面。
3.根据权利要求2所述的高强度耐高温快响应光纤气压传感探头，其特征在于，单模纤芯(1a)、多模纤芯(2a)、中轴纤芯(3a)和空心石英管(4)同轴设置。
4.根据权利要求2所述的高强度耐高温快响应光纤气压传感探头，其特征在于，空心石英管(4)的内径为35-45μm。
5.根据权利要求1所述的高强度耐高温快响应光纤气压传感探头，其特征在于，单模光纤(1)、多模光纤(2)、双芯光纤(3)和空心石英管(4)的外径相等。
6.根据权利要求1所述的高强度耐高温快响应光纤气压传感探头，其特征在于，多模光纤(2)采用渐变折射率多模光纤(2)。
7.根据权利要求1所述的高强度耐高温快响应光纤气压传感探头，其特征在于，多模纤芯(2a)的直径为100-110μm，长度为550-650μm。
8.根据权利要求1所述的高强度耐高温快响应光纤气压传感探头，其特征在于，中轴纤芯(3a)和偏轴纤芯(3b)的直径为8-10μm，双芯光纤(3)的长度为800-1000μm。
9.根据权利要求1所述的高强度耐高温快响应光纤气压传感探头，其特征在于，中轴纤芯(3a)远离多模光纤(2)一端的端面垂直于轴向设置。
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