CN114486054A - 一种高温光纤动态压力传感器及其压力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温光纤动态压力传感器及其压力计算方法，压力传感器包括传感器探头、传输光缆和光电调解模块，相比较现有传统压力传感器，高温光纤动态压力传感器可以直接将传感器探头设置在高温、高压环境中，传感器探头采用高温变形合金，具有耐高温属性，实现高温、高压环境下压力信号的直接测量，而不需要额外的保护措施；由于光信号本质上抗电磁干扰，电磁环境对光信号的相位，幅度等参数都无影响，传感器探头可以免除周围环境的干扰，具有较高的抗电磁干扰能力，解决了电学压力传感器在高温环境下使用必须采取隔热措施或将压力引流至远端进行测量的问题，解决了电学压力传感器容易在极端温度和电磁干扰情况下出现失效和测量不准的现象。

Description

一种高温光纤动态压力传感器及其压力计算方法

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种高温光纤动态压力传感器及其压力计算方法。

背景技术

随着光纤制造技术的迅速发展和光纤材料的深入研究，光纤传感技术也得到了快速发展。光纤传感器与传统的各类传感器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、耐高温、结构简单、体积小、重量轻等一系列独特的优点。因此其在高温高压、辐射环境、工况监测、微机电等领域都具有极好的应用前景。发动机作为国民经济领域中的重要动力装置，是船舶、机车、汽车等运输工具的主要动力设备。由于往复式机械具有零部件多且相互关联、运动复杂和工作条件恶劣等特点，其发生故障的可能性较大，因此开展发动机的工作状态监测与诊断技术研究，可以及时发现发动机故障征兆，为发动机维修与保养提供了可靠的技术参数。而在发动机状态监测过程中，发动机缸内压力指标是其中最重要的技术参数，可直接反应出当前发动机健康状况。

当前用于发动机内部压力测量的传感器多为基于电学原理的压力传感器。由于发动机缸内环境温度较高、压力较大、振动强度大、电磁环境复杂，所以基于电学原理的压力传感器在使用过程中需要对传感器进行保护，如在压力传感器外部包裹隔热材料，利用引流管路将待测介质引流降温等。这些保护措施虽然可以对电学压力传感器起到一定的保护作用，但是同时带来了传感器整体重量增加，测试压力信号存在滞后性，电磁兼容设计难度大等一系列问题。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种高温光纤动态压力传感器及其压力计算方法，解决了传统电学压力传感器在高温环境下使用时，因必须采取隔热措施或利用引流管路将待测介质引流降温而导致传感器整体重量增加，测试压力信号存在滞后性，电磁兼容设计难度大的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供了一种高温光纤动态压力传感器，其包括传感器探头、传输光缆和光电调解模块；传感器探头包括膜片基座，膜片基座的顶部固定设置有敏感膜片，敏感膜片的下表面为光反射面，敏感膜片的下表面和膜片基座的上表面之间设置有间距，敏感膜片的材料为高温变形合金，变形高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温环境下抗氧化或耐腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的一类金属材料。

膜片基座内部设置有发射光纤和接收光纤，发射光纤和接收光纤的一端均与膜片基座的上表面相接；

光电调解模块包括光源和光电探测器；发射光纤的另一端通过传输光缆与光源连接，接收光纤的另一端通过传输光缆与光电探测器连接。

本方案中一种高温光纤动态压力传感器的基本原理为：将传感器探头直接暴露与燃烧环境中，敏感膜片在高温、高压环境下产生稳定的位移量，且具有较低的蠕变、较小的迟滞和非线性效应，且能达到千万次以上压力循环的疲劳寿命要求；当外界压力作用于敏感膜片上时，敏感膜片中心处产生轴向位移，该位移将导致敏感膜片与发射光纤和接收光纤之间的距离发生变化，从而引起接收光纤接收到的光强度发生变化，通过探测光强度的变化量，得到外部压力的变化量，从而达到高精度探测压力的目的。

进一步地，敏感膜片的材料优选但不限于GH4169或Inconel718；敏感膜片的形状为底部具有开口的中空圆柱结构，敏感膜片的顶部直径为1.5mm~5mm，敏感膜片的厚度为0.1mm~0.5mm，敏感膜片外形尺寸及厚度可根据传感器的设计量程不同而进行更改；

敏感膜片的圆周侧面底部与膜片基座上表面固定连接，敏感膜片的顶部为受力面；敏感膜片顶部下表面对光信号的反射率为80%~95%，敏感膜片内表面的反射率越高，则反射光信号强度越强，传感器信噪比越高；敏感膜片的挠度为10μm~50μm，可以充分利用反射光强特性曲线前坡灵敏度较高、线性度好的区间，适用于分辨率要求较高的位移测量，进而实现动态压力信号的高精度测量。

进一步地，敏感膜片顶部的下表面设置有金属镀层，金属镀层的厚度为0.1μm~3μm，金属镀层可以提高光信号反射率，过薄的镀层在热冲击作用下容易发生脱落，过厚的镀层则可能影响到敏感膜片的刚度，使膜片实际变形量与设计变形量产生较大差异，所以镀层厚度可选择在0.1μm~3μm。可以采用化学镀、电镀、磁控溅射等工艺手段对敏感膜片内表面进行镀金、镀银、镀铜等。

进一步地，为了便于将发射光纤和接收光纤固定在膜片基座内，膜片基座内部中心处设置有光纤基座，光纤基座的上表面与膜片基座的上表面平齐，发射光纤和接收光纤固定在光纤基座内，发射光纤和接收光纤的一端端面均与膜片基座的上表面平齐。可以在光纤基座设置有V型槽、台阶孔或半球型圆坑等结构，发射光纤和接收光纤设置在光纤基座内，通过玻璃焊料将发射光纤和接收光纤固定在光纤基座内部，玻璃焊料可以为玻璃浆料、玻璃粉料或玻璃预烧结件。

进一步地，发射光纤和接收光纤均为耐高温多模光纤；发射光纤和接收光纤的纤芯直径均为50μm~500μm，发射光纤和接收光纤的数值孔径NA为0.2~0.37，发射光纤和接收光纤均设置有涂覆层，涂覆层为聚酰亚胺涂覆层或金属涂覆层，发射光纤和接收光纤之间的间距为0μm~500μm。

本发明还提供一种高温光纤动态压力传感器的压力计算方法，其包括以下步骤：

S1、获取高温光纤动态压力传感器的反射光强特性曲线，反射光强特性曲线的横坐标为发射光纤和接收光纤到敏感膜片反射面的距离，纵坐标为接收光纤接收得到的光信号强度；

S2、外界压力作用于敏感膜片，计算发射光纤端面出射光场强度

：

其中，P₀为光源耦合到发射光纤中的光功率，w(d)为距离发射光纤端面d处的模场半径，NA为发射光纤的数值孔径，r _T 为发射光纤的纤芯半径，d为发射光纤和接收光纤到敏感膜片反射面的距离；ρ为远离发射光纤中心的径向距离；为使模型与实际情况更符合，在w(d)中引入无量纲的参数

和η，在本文中

的值为 0.21，η的值为1.6；

S3、由斯涅尔定理可知，由发射光纤出射并经过反射面反射后传送至接收光纤端面处的光强分布，等价于发射光纤的像发出的光并传送至接收光纤端面处的光强分布。计算当前反射光锥的模场半径为：

d'=2d+h

其中，W（d'）为当前反射光锥的模场半径，d'为发射光纤投射到接收光纤端面时光波的传播距离；h为发射光纤和接收光纤端部的偏移距离；

S4、根据当前反射光锥的模场半径W（d'），计算接收光纤端面上的光强分布：

其中，I _R （ρ,d）为接收光纤104端面上的光强分布，I _R （ρ,d）为敏感膜片反射面的光场强度，δ为敏感膜片反射面的反射率；

S5、根据接收光纤端面上的光强分布，计算耦合进入接收光纤中的光功率P(d)，耦合进入接收光纤中的光功率的计算公式为：

其中， S_R为接收光纤芯径和反射光锥的重叠面积；

S6、定义耦合进入接收光纤中的光功率的计算公式的特征函数M：

则，耦合进入接收光纤中的光功率P(d)为：

其中，s为发射光纤和接收光纤之间的轴间距，r _R 为接收光纤的纤芯半径。

S7、将敏感膜片设置为圆形薄膜片，对于敏感膜片在压力作用下的形变，在力学模型上可以认为其是无孔圆板受均布载荷的问题；根据计算可知固定边界条件下敏感膜片的挠度为：

其中，q ₀ 为外部均布载荷值，q ₀ 的数值等于压力P的数值，a为敏感膜片的半径，

为敏感膜片的弯曲刚度，f为敏感膜片上任一点到圆心的距离；在敏感膜片的圆心位置额挠度为：

其中：

在上式中，E为金属材料的弹性模量，

为金属薄片的厚度，

为金属材料的泊松比。由上式可知，金属弹性膜片在压力作用下的挠度ω仅与外界压力P相关。即外界压力P的改变，将引起敏感膜片与发射光纤和接收光纤端面之间的距离d发生改变。

特征函数M仅与发射光纤和接收光纤到敏感膜片反射面的距离d有关。耦合进入接收光纤中的光功率P(d)通过光电探测器可以直接测量得到，进而计算得到发射光纤和接收光纤到敏感膜片反射面的距离d，在外界压力作用下，发射光纤和接收光纤端面到敏感膜片反射面之间的距离d会改变，根据探测得到的光信号强度及反射光强特性曲线，可计算得到当前外界压力P的数值。

本发明的有益效果为：相比较于现有传统压力传感器，本方案中的高温光纤动态压力传感器可以直接将传感器探头设置在高温、高压环境中，传感器探头采用高温变形合金，具有耐高温属性，实现高温、高压环境下压力信号的直接测量，而不需要额外的保护措施；由于光信号本质上抗电磁干扰，电磁环境对光信号的相位，幅度等参数都无影响，且金属壳体在传感器中只起到保护与加固的作用，所以该结构的传感器探头可以免除周围环境的干扰，具有较高的抗电磁干扰能力，解决了电学压力传感器在高温环境下使用必须采取隔热措施或将压力引流至远端进行测量的问题，解决了电学压力传感器容易在极端温度和电磁干扰情况下出现失效和测量不准的现象。

附图说明

图1为高温光纤动态压力传感器的结构示意图。

图2为传感器探头的结构示意图。

图3为传感器探头的工作原理图。

图4为高温光纤动态压力传感器的反射光强特性曲线示意图。

图5斯涅尔原理示意图。

图6接收光纤端面反射光斑示意图。

其中，1、传感器探头；101、膜片基座；102、敏感膜片；103、发射光纤；104、接收光纤；105、金属镀层；106、光纤基座；2、传输光缆；3、光电调解模块；301、光源；302、光电探测器。

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1~6所示，本发明提供了一种高温光纤动态压力传感器，其包括传感器探头1、传输光缆2和光电调解模块3；传感器探头1包括膜片基座101，膜片基座101的顶部固定设置有敏感膜片102，敏感膜片102的下表面为光反射面，敏感膜片102的下表面和膜片基座101的上表面之间设置有间距，敏感膜片102的材料为高温变形合金，变形高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温环境下抗氧化或耐腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的一类金属材料。

膜片基座101内部设置有发射光纤103和接收光纤104，发射光纤103和接收光纤104的一端均与膜片基座101的上表面相接；光电调解模块3包括光源301和光电探测器302；发射光纤103的另一端通过传输光缆2与光源301连接，接收光纤104的另一端通过传输光缆2与光电探测器302连接。

优选但不局限地，为了便于将发射光纤103和接收光纤104固定在膜片基座101内，膜片基座101内部中心处设置有光纤基座106，光纤基座106的上表面与膜片基座101的上表面平齐，发射光纤103和接收光纤104固定在光纤基座106内，发射光纤103和接收光纤104的一端端面均与膜片基座101的上表面平齐。可以在光纤基座106设置有V型槽、台阶孔或半球型圆坑等结构，发射光纤103和接收光纤104设置在光纤基座106内，通过玻璃焊料将发射光纤103和接收光纤104固定在光纤基座106内部，玻璃焊料可以为玻璃浆料、玻璃粉料或玻璃预烧结件。光纤自身材料为二氧化硅，其熔点超过1200℃，通过选择适当的金属材料制作光纤基座106，并利用低温玻璃将发射光纤103、接收光纤104与光纤基座106烧结在一起，从而使光纤敏感探头整体耐受温度超过400℃，能够适应发动机缸内的高温环境，并可以对发动机缸内进行压力监测。

本方面的基本原理为：将传感器探头1直接暴露与燃烧环境中，敏感膜片102在高温、高压环境下产生稳定的位移量，且具有较低的蠕变、较小的迟滞和非线性效应，且能达到千万次以上压力循环的疲劳寿命要求；当外界压力作用于敏感膜片102上时，敏感膜片102中心处产生轴向位移，该位移将导致敏感膜片102与发射光纤103和接收光纤104之间的距离发生变化，从而引起接收光纤104接收到的光强度发生变化，通过探测光强度的变化量，得到外部压力的变化量，从而达到高精度探测压力的目的。

敏感膜片102的材料优选但不限于GH4169或Inconel718；敏感膜片102的形状为底部具有开口的中空圆柱结构，敏感膜片102的顶部直径为1.5mm~5mm，敏感膜片102的厚度为0.1mm~0.5mm，敏感膜片102外形尺寸及厚度可根据传感器的设计量程不同而进行更改。

敏感膜片102的圆周侧面底部与膜片基座101上表面固定连接，敏感膜片102的顶部为受力面；敏感膜片102的圆周侧面底部固定约束后，受力面相当于是在力学模型上认为是无孔圆板受均布载荷的问题，便于计算敏感膜片102的挠度，外部压力均布载荷即为外界压力，与敏感膜片102圆心位置处的挠度成正比，即外部压力增大会导致膜片圆心处挠度增大，从而敏感膜片102与发射（接收）光纤端面之间的间距减小。

敏感膜片102顶部下表面对光信号的反射率为80%~95%，敏感膜片102内表面的反射率越高，则反射光信号强度越强，传感器信噪比越高；敏感膜片102的挠度为10μm~50μm，可以充分利用反射光强特性曲线前坡灵敏度较高、线性度好的区间，适用于分辨率要求较高的位移测量，进而实现动态压力信号的高精度测量。

敏感膜片102顶部的下表面设置有金属镀层105，金属镀层105的厚度为0.1μm~3μm，金属镀层105可以提高光信号反射率，过薄的镀层在热冲击作用下容易发生脱落，过厚的镀层则可能影响到敏感膜片102的刚度，使膜片实际变形量与设计变形量产生较大差异，所以镀层厚度可选择在0.1μm~3μm。可以采用化学镀、电镀、磁控溅射等工艺手段对敏感膜片102内表面进行镀金、镀银、镀铜等。

发射光纤103和接收光纤104均为耐高温多模光纤；发射光纤103和接收光纤104的纤芯直径均为50μm~500μm，发射光纤103和接收光纤104的数值孔径NA为0.2~0.37，发射光纤103和接收光纤104均设置有涂覆层，涂覆层为聚酰亚胺涂覆层或金属涂覆层，发射光纤103和接收光纤104之间的间距为0μm~500μm。

在制作高温光纤动态压力传感器时，选取符合设计尺寸、厚度，且内表面金属镀层105平整、无划痕的敏感膜片102，将敏感膜片102通过定位台阶扣于膜片基座101上，利用连续激光焊接的方式进行焊接固定，焊接完成后检查膜片组件气密性，并对该组件进行热处理强化。将发射光纤103和接收光纤104穿过光纤基座106内部通孔，并利用玻璃烧结的方式将三者烧结成为光纤敏感探头，烧结完成的光纤敏感探头需利用研磨设备对烧结处进行研磨，研磨至表面光洁无划痕。利用微动平台固定光纤敏感探头与敏感膜片102组件，旋转微动平台旋钮，使光纤敏感探头缓慢插入膜片基座101中，当光纤敏感探头插入至预定位置处，锁紧微动平台，利用焊接的方式将光纤敏感探头与膜片基座101进行焊接固定制作成光纤动态压力传感器探头1。

相比现有传统压力传感器，本方案中的高温光纤动态压力传感器可以直接将传感器探头1设置在高温、高压环境中，传感器探头1采用高温变形合金，具有耐高温属性，实现高温、高压环境下压力信号的直接测量，而不需要额外的保护措施；由于光信号本质上抗电磁干扰，电磁环境对光信号的相位，幅度等参数都无影响，且金属壳体在传感器中只起到保护与加固的作用，所以该结构的传感器探头1可以免除周围环境的干扰，具有较高的抗电磁干扰能力，解决了电学压力传感器在高温环境下使用必须采取隔热措施或将压力引流至远端进行测量的问题，解决了电学压力传感器容易在极端温度和电磁干扰情况下出现失效和测量不准的现象。

本发明还提供一种高温光纤动态压力传感器的压力计算方法，其包括以下步骤：

S1、获取高温光纤动态压力传感器的反射光强特性曲线，反射光强特性曲线的横坐标为发射光纤103和接收光纤104到敏感膜片102反射面的距离，纵坐标为接收光纤接收得到的光信号强度；

S2、外界压力作用于敏感膜片102，计算发射光纤103端面出射光场强度

：

其中，P₀为光源301耦合到发射光纤103中的光功率，w(d)为距离发射光纤103端面d处的模场半径，NA为发射光纤103的数值孔径，r _T 为发射光纤103的纤芯半径，d为发射光纤103和接收光纤104到敏感膜片102反射面的距离；ρ为远离发射光纤103中心的径向距离；

为0.21，η为1.6。

S3、如图5所示，由斯涅尔定理可知，由发射光纤103出射并经过反射面反射后传送至接收光纤104端面处的光强分布，等价于发射光纤103的像发出的光并传送至接收光纤104端面处的光强分布，计算当前反射光锥的模场半径：

d'=2d+h

其中，W（d'）为当前反射光锥的模场半径，d'为发射光纤103投射到接收光纤104端面时光波的传播距离；h为发射光纤和接收光纤端部的偏移距离；

S4、根据当前反射光锥的模场半径W（d'），计算接收光纤104端面上的光强分布：

其中，I _R （ρ,d）为接收光纤104端面上的光强分布，I _R （ρ,d）为敏感膜片反射面的光场强度，δ为敏感膜片反射面的反射率；

S5、根据接收光纤104端面上的光强分布，计算耦合进入接收光纤104中的光功率P(d)，耦合进入接收光纤104中的光功率的计算公式为：

其中， 如图6所示，S_R为接收光纤104芯径和反射光锥的重叠面积；

S6、定义耦合进入接收光纤104中的光功率的计算公式的特征函数M：

则，耦合进入接收光纤104中的光功率P(d)为：

其中，s为发射光纤103和接收光纤104之间的轴间距，h为发射光纤103和接收光纤104端部的偏移距离；r _R 为接收光纤的纤芯半径。

S7、将敏感膜片102设置为圆形薄膜片，对于敏感膜片102在压力作用下的形变，在力学模型上可以认为其是无孔圆板受均布载荷的问题；根据计算可知固定边界条件下敏感膜片102的挠度为：

其中，q ₀ 为外部均布载荷值，q ₀ 的数值等于压力P的数值，a为敏感膜片的半径，

为敏感膜片的弯曲刚度，f为敏感膜片上任一点到圆心的距离；在敏感膜片的圆心位置处的挠度为：

其中：

在上式中，E为金属材料的弹性模量，

为金属薄片的厚度，

为金属材料的泊松比。由上式可知，金属弹性膜片在压力作用下的挠度ω仅与外界压力P相关。即外界压力P的改变，将引起敏感膜片与发射光纤和接收光纤端面之间的距离d发生改变。

特征函数M仅与发射光纤103和接收光纤104到敏感膜片102反射面的距离d有关。耦合进入接收光纤104中的光功率P(d)通过光电探测器302可以直接测量得到，进而计算得到发射光纤103和接收光纤104到敏感膜片102反射面的距离d，在外界压力作用下，发射光纤103和接收光纤104端面到敏感膜片102反射面之间的距离d会改变，根据探测得到的光信号强度及反射光强特性曲线，可计算得到当前外界压力P的数值。

由图4可知，当d值很小时，反射光锥模场区域和接收光纤104纤芯没有交集，此时接收到的光功率为零，产生一个死区；随着距离d的增大，接收到的光功率随着接收光纤104和反射光锥模场的交叠区域增加而急剧增加，当反射光锥模场区域完全覆盖接收光纤104纤芯时能接收到最大的光功率，此时光强调制函数M达到最大值。随着距离d的继续增大，反射光锥光强减小，而两者交叠面积为恒定的，导致耦合到接收光纤104的光功率减少，如图4所示，因此在其他参数不变的情况下，光强调制函数M仅与接收光纤104的端面和被测物体表面之间的距离d有关。

由以上结论可知，在外部压力作用下，敏感膜片102产生的位移将导致膜片内表面与发射（接收）光纤端面之间的距离d发生变化。同时根据光发射及耦合原理可知接收光强度Mp仅与接收光纤104端面和被测物体表面之间的距离d相关。本发明通过探测接收光纤104接收到的光强度的大小，计算得到发射光纤103与接收光纤104的端面与敏感膜片102内表面的距离，进而解调得到外部压力信号值。

图4中定义d0为光纤动态压力传感器特性曲线的起始距离，当敏感膜片102内表面与光纤端面之间距离d小于d0时，反射光信号不能耦合进接收光纤104中，所以[0，d0]这段区间被称为死区范围。特性曲线到达峰值时所对应的被测距离dp被称为峰值距离，所对应的光强调制型特性函数，Mp被称为峰值调制系数。[d0，dp]这段为特性曲线前坡，灵敏度较高，线性度较好，但线性范围较小，适用于量程较小但分辨率要求较高的位移测量。不同的光源301，或相同光源301在不同的驱动电流驱动下，其发射光功率都是不同的，但光强调制特性曲线的特征均为图4所示。本发明中先利用专用光纤耦合光源301与光纤插芯及敏感膜片102组件，在确定的驱动电流下测试并得到反射光强的特性曲线。再利用光学位移平台，结合微位移测量软件精确控制光纤端面与敏感膜片102内表面之间的距离，使光纤插芯与敏感膜片102内表面之间的距离处于反射光强特性曲线的前坡位置，然后对光纤插芯进行焊接固定。本发明中敏感膜片102尺寸较小，在压力作用下挠度较小，正是利用该特性曲线的前坡灵敏度高、线性度好的特点从而实现动态压力信号的高精度测量。

Claims (6)

1.一种高温光纤动态压力传感器，其特征在于，包括传感器探头、传输光缆和光电调解模块；

所述传感器探头包括膜片基座，所述膜片基座的顶部固定设置有敏感膜片，所述敏感膜片的上表面为受力面，下表面为光反射面，敏感膜片的下表面和膜片基座的上表面之间设置有间距，敏感膜片的材料为高温变形合金；

膜片基座内部设置有发射光纤和接收光纤，所述发射光纤和接收光纤的一端均与膜片基座的上表面相接；

光电调解模块包括光源和光电探测器；发射光纤的另一端通过所述传输光缆与所述光源连接，接收光纤的另一端通过传输光缆与所述光电探测器连接。

2.根据权利要求1所述的高温光纤动态压力传感器，其特征在于，所述敏感膜片的形状为底部具有开口的中空圆柱结构，敏感膜片的顶部直径为1.5mm~5mm，敏感膜片的圆周侧面底部与所述膜片基座上表面固定连接，敏感膜片顶部下表面对光信号的反射率为80%~95%，敏感膜片的挠度为10μm~50μm。

3.根据权利要求2所述的高温光纤动态压力传感器，其特征在于，所述敏感膜片顶部的下表面设置有金属镀层，所述金属镀层的厚度为0.1μm~3μm。

4.根据权利要求1所述的高温光纤动态压力传感器，其特征在于，所述膜片基座内部中心处设置有光纤基座，所述光纤基座的上表面与膜片基座的上表面平齐，所述发射光纤和接收光纤固定在光纤基座内，发射光纤和接收光纤的一端端面均与膜片基座的上表面平齐。

5.根据权利要求4所述的高温光纤动态压力传感器，其特征在于，所述发射光纤和接收光纤均为耐高温多模光纤；发射光纤和接收光纤的纤芯直径均为50μm ~500μm，发射光纤和接收光纤的数值孔径NA为0.2~0.37，发射光纤和接收光纤均设置有涂覆层，涂覆层为聚酰亚胺涂覆层或金属涂覆层，发射光纤和接收光纤之间的间距为0μm ~500μm。

6.一种根据权利要求1~5任一所述的高温光纤动态压力传感器的压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取高温光纤动态压力传感器的反射光强特性曲线，反射光强特性曲线的横坐标为发射光纤和接收光纤到敏感膜片反射面的距离，纵坐标为接收光纤接收得到的光信号强度；

S2、外界压力作用于敏感膜片，计算发射光纤端面出射光场强度

：

其中，P₀为光源耦合到发射光纤中的光功率，w(d)为距离发射光纤端面d处的模场半径，NA为发射光纤的数值孔径，r _T 为发射光纤的纤芯半径，d为发射光纤和接收光纤到敏感膜片反射面的距离；ρ为远离发射光纤中心的径向距离；

和η均为无量纲的参数，

的值为 0.21，η的值为1.6；

S3、根据斯涅尔定理，计算当前反射光锥的模场半径为：

d'=2d+h

其中，W（d'）为当前反射光锥的模场半径，d'为发射光纤投射到接收光纤端面时光波的传播距离，h为发射光纤和接收光纤端部的偏移距离；

S4、根据当前反射光锥的模场半径W（d'），计算接收光纤端面上的光强分布：

其中，I _R （ρ,d）为接收光纤端面上的光强分布，I（ρ, d'）为敏感膜片反射面的光场强度，δ为敏感膜片反射面的反射率；

S5、根据接收光纤端面上的光强分布，计算耦合进入接收光纤中的光功率P(d)，耦合进入接收光纤中的光功率的计算公式为：

其中， S_R为接收光纤芯径和反射光锥的重叠面积；

S6、定义耦合进入接收光纤中的光功率的计算公式的特征函数M：

则，耦合进入接收光纤中的光功率P(d)为：

其中，s为发射光纤和接收光纤之间的轴间距， r _R 为接收光纤的纤芯半径；

S7、将敏感膜片设置为圆形薄膜片，计算敏感膜片的挠度为：

其中，q ₀ 为外部均布载荷值，q ₀ 的数值等于压力P的数值，a为敏感膜片的半径，

为敏感膜片的弯曲刚度，f为敏感膜片上任一点到圆心的距离；在敏感膜片的圆心位置处的挠度为：

其中：

在上式中，E为敏感膜片的弹性模量，

为敏感膜片的厚度，

为敏感膜片的泊松比。

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