CN114659684B - 基于双层毛细管的低温度敏感fp压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器，包括单模光纤、细径毛细管、固体膜片、粗径毛细管和液体，所述细径毛细管的的一端与所述单模光纤熔接，另一端外表面附有所述固体膜片，所述单模光纤与细径毛细管的熔接面、所述固体膜片的内表面构成光纤FP干涉腔的两个反射表面；所述光纤FP干涉腔由所述粗径毛细管包围，中间留有空气间隙；所述粗径毛细管的一个端面通过密封胶与所述单模光纤固定，另一个端面用所述密封液体密封，所述密封液体未包裹所述固定膜片。该压力传感器通过外加一层液体半填充毛细管结构达到膜片内外空气同时膨胀，从而相互抵消热效应，减小温度交叉敏感效应，提高了压力检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域中的压力测量领域，具体涉及一种基于双层毛细管的低温度敏感FP(法布里-珀罗)压力传感器。
背景技术
光纤法布里珀罗传感器的特点是利用单根光纤和多束光干涉进行测量和传感。其主体结构是两个相互平行的反射镜，即法布里珀罗腔体结构。当光纤中的光遇到这两个反射镜后分别反射产生反射光，并在光纤中相遇形成干涉光，从而产生干涉光谱。干涉光谱受到干涉腔的腔长影响。光纤法布里珀罗传感器的优势在于结构简单，灵敏度高，体积小以及响应迅速。常见的光纤法布里珀罗传感器基于膜片感应外界环境变量，从而实现传感。然而现有的膜片式光纤法布里珀罗传感器由于结构内材料及空气的热膨胀效应，其温度交叉敏感效应明显，不易将温度敏感与压力敏感区别，所以无法达到很高的压力灵敏度要求，且加工成本昂贵，需要复杂的工艺制备流程和器械，无法满足大规模生产的需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种制作方便、结构简单的基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器，通过外加一层液体半填充毛细管结构达到膜片内外空气同时膨胀，从而相互抵消热效应，实现减小温度交叉敏感效应。本发明采用以下技术方案：
一种基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器，包括单模光纤4、细径毛细管2、固体膜片3、粗径毛细管6和液体5，所述单模光纤4、细径毛细管2、固体膜片3、粗径毛细管6的中心均在同一轴线上，所述单模光纤4和所述细径毛细管2的外径相同，所述细径毛细管2的的一端与所述单模光纤4熔接，另一端外表面附有所述固体膜片3，所述单模光纤4与细径毛细管2的熔接面、所述固体膜片3的内表面构成光纤FP干涉腔的两个反射表面；所述光纤FP干涉腔由所述粗径毛细管6包围，中间留有空气间隙；所述粗径毛细管6的一个端面通过密封胶与所述单模光纤4固定，另一个端面用所述液体5密封，所述液体5未包裹所述固体膜片3。
进一步的，位于所述粗径毛细管6端面的密封液体5与所述固体膜片3端面保留距离。
进一步的，所述传感器的温度敏感特性为0.0014μm/℃。
一种上述基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1，将单模光纤4与细径毛细管2熔接，形成FP腔体；
S2，将熔接好的单模光纤-细径毛细管结构7的毛细管部分用切割刀9切出合适长度以控制FP腔腔长；
S3，将细径毛细管2的开放端口键合固体膜片3，得到光纤FP干涉腔；
S4，将光纤FP干涉腔的腔体外部套入粗径毛细管6中，并用夹具固定住FP干涉腔体结构和外部粗径毛细管6；
S5，将粗径毛细管6的开放端口通过提拉机控制浸入液体5中，由于表面张力，液体5浸入粗径毛细管6中且与固体膜片3端面维持一段距离，以保证液体5未包裹固体膜片3；
S6，将粗径毛细管6的未封端口用紫外胶13密封。
本发明的优点在于：
(1)本发明适用于测量环境温度变化明显，需要隔绝温度影响且测压精度较高的场合。(2)本发明提出的F-P腔传感器原理简单，制作过程简单，可满足批量生产。
(3)本发明提出的压力传感器结构很小，可满足狭小空间内测压的需求。
附图说明
图1是本发明基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器装置结构图；
图2是本发明基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器的制备方法的制作步骤一示意简图；
图3是本发明基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器的制备方法的制作步骤二示意简图；
图4是本发明基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器的制备方法的制作步骤三示意简图；
图5是本发明基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器的制备方法的制作步骤四示意简图；
图6是本发明基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器的制备方法的制作步骤五示意简图；
图7是本发明基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器的制备方法的制作步骤六示意简图；
图8是无双层毛细管的传统FP压力传感器的温度敏感特性；
图9是本发明基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器的温度敏感特性；
图中：1-空气，2-细径毛细管，3-固体膜片，4-单模光纤，5-液体，6-粗径毛细管，7-单模光纤-细径毛细管结构，8-夹具，9-切割刀，10-切割好的单模光纤-细径毛细管结构，11-光纤FP腔体，12-固定夹具，13-紫外胶。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例一
图1为基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器的结构示意图，包括单模光纤4，细径毛细管2，固体膜片3，粗径毛细管6和液体5。其中单模光纤4和细径毛细管2的外径相同，均为125μm。细径毛细管2一端与单模光纤4熔接，另一端外表面附有固体膜片3，分别构成光纤FP干涉腔的两个反射面。两个反射面之间距离即腔长，外界压力作用在粗径毛细管6内部流体上，进而将力传导至固体膜片3上，使得固体膜片3发生形变，从而改变法布里珀罗腔的腔长，引起干涉谱的变化，实现压力的传感。通过光学手段测量腔长即可得到压力大小，其中光纤FP干涉腔的腔长不能超过100μm，否则干涉反射光强度太低不利于解调。
由于固体膜片3材料特性，FP腔内不与外界空气联通，为完全封闭腔体。光纤FP干涉腔外部插入粗径毛细管6内部，一端由紫外胶13密封，另一端由浸入粗径毛细管6内部的液体5密封。引起FP压力传感器温度敏感的主要原因在于FP腔内空气的热膨胀效应，本发明在FP腔体外部的两端均被密封的粗径毛细管6的中间留有空气1，以保证当传感器外部温度变化时，光纤FP腔体内的空气及粗径毛细管6内部的空气同时发生热胀冷缩效应，以相反方向作用于敏感部件固体膜片3，以减少外部温度变化对固体膜片3的变形影响。
对于本发明提供的低温度敏感FP压力传感器的制备方法，具体步骤如下：
步骤一，如图2所示，将单模光纤4以及细径毛细管2切出平整端面，利用光纤熔接机将单模光纤4和细径毛细管2熔接。
步骤二，如图3所示，利用夹具8将单模光纤-细径毛细管结构7固定在显微镜载物台上，控制夹具8位置，通过特制切割刀9切割出合适长度，以满足FP腔腔长要求。
步骤三，如图4所示，利用切割好的单模光纤-细径毛细管结构10的毛细管部分与固体膜片3进行键合处理，使固体膜片3附在切割好的单模光纤-细径毛细管结构10的端面位置，形成封闭FP腔体结构。
步骤四，如图5所示，将粗径毛细管6两端切割出平整端面，并控制其整体长度。将附有固体膜片3的光纤FP腔体11插入粗径毛细管6中，保证前端FP腔体部分处于粗径毛细管6中。将光纤FP腔体11与粗径毛细管6均固定在特殊设计的固定夹具12上，以保证两个部分不会产生相对移动及粗径毛细管的内侧端口在固定夹具12的空隙处，方便后续密封处理。
步骤五，如图6所示，将固定夹具12垂直放置并固定在提拉机上，通过控制提拉机高度参数，将粗径毛细管6外部端口浸入液体5中，液体5由于毛细管效应进入粗径毛细管6中，同时控制提拉机的浸入时间参数，以保证密封液体将粗径毛细管6端面密封，但距离固体膜片3的端面仍有一定距离。
步骤六，如图7所示，将固定夹具12平整放置在桌面，用紫外胶13涂抹在未被密封液体密封的粗径毛细管6的端面处，保证其胶体固化且已密封住粗径毛细管6端面。
如图8和图9所示，本发明提供的基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器的温度敏感特性根据仿真结果为0.014μm/℃，较传统的无双层毛细管密封的FP压力传感器的温度敏感特性0.12μm/℃相比，减少了8.57倍，有效降低了FP压力传感器在压力传感应用时的温度耦合效应，解决了在温度变化环境下的高灵敏压力传感问题。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将单模光纤（4）与细径毛细管（2）熔接，形成FP腔体；
S2，将熔接好的单模光纤-细径毛细管结构（7）的毛细管部分用切割刀（9）切出合适长度以控制FP腔腔长；
S3，将细径毛细管（2）的开放端口键合固体膜片（3），得到光纤FP干涉腔；
S4，将光纤FP干涉腔的腔体外部套入粗径毛细管（6）中，并用夹具固定住FP干涉腔体结构和外部粗径毛细管（6）；
S5，将粗径毛细管（6）的开放端口通过提拉机控制浸入液体（5）中，由于表面张力，液体（5）浸入粗径毛细管（6）中且与固体膜片（3）端面维持一段距离，以保证液体（5）未包裹固体膜片（3）；
S6，将粗径毛细管（6）的未封端口用紫外胶（13）密封；
所述基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器包括单模光纤（4）、细径毛细管（2）、固体膜片（3）、粗径毛细管（6）和液体（5），所述单模光纤（4）、细径毛细管（2）、固体膜片（3）、粗径毛细管（6）的中心均在同一轴线上，所述单模光纤（4）和所述细径毛细管（2）的外径相同，所述细径毛细管（2）的一端与所述单模光纤（4）熔接，另一端外表面附有所述固体膜片（3），所述单模光纤（4）与细径毛细管（2）的熔接面、所述固体膜片（3）的内表面构成光纤FP干涉腔的两个反射表面；所述光纤FP干涉腔由所述粗径毛细管（6）包围，中间留有空气间隙；所述粗径毛细管（6）的一个端面通过密封胶与所述单模光纤（4）固定，另一个端面用所述液体（5）密封，所述液体（5）未包裹所述固体膜片（3）；在光纤FP干涉腔外部的两端均被密封的粗径毛细管（6）的中间留有空气（1），当传感器外部温度变化时，光纤FP干涉腔内的空气及粗径毛细管内部的空气同时发生热胀冷缩效应，以相反方向作用于固体膜片（3），以减少外部温度变化对固体膜片（3）的变形影响。
2.根据权利要求1所述的基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器的制备方法，其特征在于，位于所述粗径毛细管（6）端面的密封液体（5）与所述固体膜片（3）端面保留距离。
3. 根据权利要求1所述的基于双层毛细管的低温度敏感FP压力传感器的制备方法，其特征在于，所述传感器的温度敏感特性为0.0014 μm/℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Xu Xiaobin Inventor after: Zhao Yanjin Inventor after: Song Ningfang Inventor after: Gao Fuyu Inventor before: Zhao Yanjin Inventor before: Xu Xiaobin Inventor before: Gao Fuyu Inventor before: Song Ningfang |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |