CN114777990B - 一种光纤气体压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤气体压力传感器及其制备方法，包括宽带光源、环形器以及光纤光谱分析仪，所述环形器具有进口端、出口端以及反馈端三个接口，所述进口端和宽带光源连接，所述反馈端和光纤光谱分析仪连接，所述出口端和分光器的进口端连接，所述环形器的出口端和传感器连接，传感器均包括外壳，和嵌套于所述外壳内的腔体，所述腔体内安装有单模光纤和空气腔以及毛细管，单模光纤的一侧连通有分光结构，所述空气腔内弹性连接有弹片。本发明既可以同时也可以单独对气压或温度测量，继而实现测量气体压力时消除环境温度的影响，还可以多组同时检测，检测在不同气压和温度下的数据，从而消除单一数据带来的误差影响，提高数据检测的准确性。

Description

一种光纤气体压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体为一种光纤气体压力传感器及其制备方法。

背景技术

在传统大气压力测量领域，多采用力平衡式、谐振式和压阻式的气压传感技术。与之相比，光纤气压传感器因其具有体积小、抗电磁干扰、耐高温、化学稳定性强、可调参数多这些优点，越来越受到市场上的广泛关注。现有技术中有很多关于光纤气体压力传感器的发明，例如申请公布号为CN108572047 A的一种基于多个法布里-珀罗微腔的光纤气压传感装置，该发明通过传感头接收来自宽带光源发出的经由环形器传递的光，当光从单模光纤的一侧入射时发生多光束干涉。由于从单模光纤的纤芯到毛细管的折射率变化，在毛细管薄层前壁处发生第一次反射，随后又因为毛细管薄层到空气的折射率的变化，在毛细管薄层后壁处发生第二反射，部分透射光进入球形空气腔并被球型空气腔后壁反射，另一部分光沿着毛细管的薄壁传播并被毛细管切割端面反射。当传感器头受到气体压力或温度变化时，腔长度或腔介质折射率将改变，这导致法布里-珀罗腔的光程差的变化并导致输出光谱图案漂移。由于在输出光谱中存在多个波谷，可以通过跟踪两个波谷波长的漂移来实现气体压力和温度的同时检测，且传感头的气压灵敏度较高，气压测量范围也较大。但是还存在如下不足：由于单模光纤的特点，只能通过一根光纤，当传感器头在测量压力时，会受到温度-压力交叉敏感性影响，检测的结果与真实数据存在较大差异且单一检测数据误差大，数据不准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既可以分开检测温度和压力，避免温度-压力交叉敏感性对检测数据的影响，又可以多组同时和多次检测，提高检测数据的准确性的光纤气体压力传感器及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光纤气体压力传感器，包括宽带光源、环形器以及光纤光谱分析仪，所述环形器具有进口端、出口端以及反馈端三个接口，所述环形器的进口端和宽带光源连接，所述环形器的反馈端和光纤光谱分析仪连接，所述环形器的出口端通过分光器和传感器连接或直接连接传感器，所述传感器均包括外壳，和嵌套于所述外壳内的腔体，所述腔体内安装有单模光纤和空气腔以及毛细管，所述单模光纤的一侧连通有分光结构，所述空气腔内弹性连接有作为弹性膜片感受压力的弹片，所述弹片另一侧连接有所述毛细管，所述毛细管的另一端连接有能够调节气体压力和温度的调节装置。

优选的，所述传感器分为上下对称的第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和第二传感器内均包括空气腔和毛细管，所述调节装置包括气压调节器和温度调节器，其中一个所述毛细管的另一端和所述气压调节器连接，另一个所述毛细管的另一端和所述温度调节器连接。

优选的，所述单模光纤包括光纤纤芯和包裹在所述光纤纤芯外层的单模光纤包层，所述分光结构包括罩体和圆盘，所述罩体的一侧开设有通孔，用于所述光纤纤芯通过，所述圆盘和所述罩体的另一侧固定连接，所述圆盘体表上等距离开设有若干透光孔。

优选的，所述空气腔为所述毛细管在熔接机连续放电作用下部分膨胀而成，所述单模光纤和毛细管的熔接面形成毛细管薄层。

优选的，所述毛细管薄层包括毛细管薄层前壁和毛细管薄层后壁。

优选的，所述空气腔包含空气腔后壁，对所述弹片的底面进行抛光，可作为空气腔后壁。

优选的，所述第一传感器和第二传感器均包括所述空气腔，且共用1个所述毛细管，所述毛细管的另一端和所述气压调节器或所述温度调节器连接。

优选的，所述传感器为第一传感器或第二传感器，所述第一传感器或第二传感器内仅有1个所述空气腔和两个毛细管，所述毛细管的另一端连接有所述气压调节器和温度调节器。

优选的，所述传感器为第一传感器或第二传感器，所述第一传感器或第二传感器内仅有1个所述空气腔和毛细管，所述毛细管的另一端连接有转换接头，所述转换接头用于插接所述气压调节器或所述温度调节器。

为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：

一种光纤气体压力传感器的制备方法，该光纤气体压力传感器按以下步骤制备：

在罩体上开设通孔，在圆盘体表上等距离开设若干透光孔，将罩体和圆盘焊接为一体形成分光结构；

在弹片未与毛细管连接的一面进行抛光处理；

将单模光纤与毛细管放置在光纤熔接机的两端，在熔接机提供的两端应力作用下，毛细管端面紧贴单模光纤端面，在放电功率为45bit，放电时间为3s的熔接模式下进行连续放电，直至毛细管的一部分膨胀为空气腔，并且在单模光纤和毛细管的熔接处形成毛细管薄层；

在空气腔内安装弹片，弹片的一端和毛细管连接；

将形成的空气腔和单模光纤安装在分光结构的两侧，将单模光纤、空气腔、分光结构和毛细管以及毛细管薄层安装在腔体内，构成传感器，将该传感器封装在外壳内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一传感器和第二传感器由毛细管薄层前壁和毛细管薄层后壁以及空气腔后壁这三个主要的反射面构成，第一传感器和第二传感器具有两个单独的空气腔，其中一个空气腔和气压调节器连接，通过对气压调节器的压力调节，第一传感器和第二传感器的空气腔的长度有变化，另一个空气腔和温度调节器连接，通过对温度调节器的温度调节，第一传感器和第二传感器的空气腔的腔介质折射率有变化，故两个空气腔的光程差产生变化并导致光纤光谱分析仪输出光谱图案漂移，通过对气压调节器的气压调节，第一传感器和第二传感器可以通过跟踪波长的漂移来实现气体压力的检测，而通过对温度调节器的温度调节，第一传感器和第二传感器可以跟踪波长的漂移来实现对气体温度的检测，因此可以用第一传感器和第二传感器对气压和温度同时测量，当只有一个空气腔时，还可以利用转换接头单独对气压或温度测量，继而实现光纤压力传感器测量气体压力时消除环境温度的影响，因为分光结构的作用，还可以多组同时检测，当然还可以把气压调节器和温度调节器调成多组不同的数据，检测在不同的气压和温度下检测的结果，从而消除单一数据带来的误差影响，提高数据检测的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例1的硬件系统示意图；

图2为本发明实施例1的传感器的结构示意图；

图3为本发明分光结构的示意图；

图4为本发明光纤气体压力传感器的制备方法流程图；

图5为本发明实施例2的硬件系统示意图；

图6为本发明实施例2的传感器的结构示意图；

图7为本发明实施例3的硬件系统示意图；

图8为本发明实施例3的传感器的结构示意图；

图9为本发明实施例4的硬件系统示意图；

图10为本发明实施例4的传感器的结构示意图。

图中：1宽带光源、2环形器、3光纤光谱分析仪、4分光器、5第一传感器、51外壳、52腔体、53单模光纤、531光纤纤芯、532单模光纤包层、54空气腔、541空气腔后壁、55分光结构、551罩体、552圆盘、553通孔、554透光孔、56弹片、57毛细管、58毛细管薄层、581毛细管薄层前壁、582毛细管薄层后壁、59单模光纤包层、6第二传感器、7气压调节器、8温度调节器、9转换接头。

具体实施方式

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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。

实施例：

请参阅图1至图4，本发明提供一种技术方案：

实施例1：

一种光纤气体压力传感器，如图1所示，包括宽带光源1、环形器2以及光纤光谱分析仪3，所述环形器2具有进口端、出口端以及反馈端三个接口，所述环形器2的进口端和宽带光源1连接，所述环形器2的反馈端和光纤光谱分析仪3连接，所述环形2的出口端通过分光器4和传感器连接，如图2所示，所述传感器均包括外壳51，和嵌套于所述外壳51内的腔体52，所述腔体52内安装有单模光纤53和空气腔54以及毛细管57，所述单模光纤53包括光纤纤芯531和包裹在所述光纤纤芯531外层的单模光纤包层532，且一侧连通有分光结构55；如图3所示，所述分光结构55包括罩体551和圆盘552，所述罩体551的一侧开设有通孔553，用于所述光纤纤芯531通过，所述圆盘552和所述罩体551的另一侧连接，所述圆盘552体表上等距离开设有若干透光孔554；如图2所示，所述空气腔54内弹性连接有作为弹性膜片感受压力的弹片56，所述弹片56另一侧连接有所述毛细管57，所述毛细管57的另一端连接有能够调节气体压力和温度的调节装置。

如图2所示，所述传感器分为上下对称的第一传感器5和第二传感器6，所述第一传感器5和第二传感器6内均包括空气腔54和毛细管57，所述调节装置包括气压调节器7和温度调节器8，其中一个所述毛细管57的另一端和所述气压调节器7连接，另一个所述毛细管57的另一端和所述温度调节器8连接，所述空气腔54为毛细管57在熔接机连续放电作用下部分膨胀而成，且包含空气腔后壁541，对所述弹片56的底面进行抛光，可作为空气腔后壁541，构成第三反射面，所述单模光纤53和毛细管57的熔接面形成毛细管薄层58，所述毛细管薄层58包括毛细管薄层前壁581和毛细管薄层后壁582，所述毛细管薄层前壁581为第一反射面，所述毛细管薄层后壁582为第二反射面。

本发明中，关于外壳51、腔体52、单模光纤53、光纤纤芯531、单模光纤包层532、空气腔54、罩体551、圆盘552、通孔553、透光孔554以及毛细管57等结构的尺寸需根据实际需要设定，在此不一一注明。

本发明中，还可以在气压调节器7和温度调节器8与毛细管57连接的线路上设置电磁阀，通过对电磁阀的开关控制气压调节器7和温度调节器8的关断，可以起到很好的控制作用。

本发明中，分光器4、气压调节器7以及温度调节器8为现有硬件设备，在此不再过多赘述。

一种光纤气体压力传感器的制备方法，如图4所示，该光纤气体压力传感器按以下步骤制备：

S101.制作分光结构55：选取并加工所需分光结构55的材料、直径与厚度，即选取制作罩体551的材料，在制作好的罩体551上开设通孔553，在制作好的圆盘552体表上等距离开设若干透光孔554，将罩体551和圆盘552焊接为一体形成分光结构55；

S102.制作弹片56：选取并加工所需弹片56的材料、直径与厚度，将制作好的弹片56的未与毛细管57连接的一面进行抛光处理；

S103.设置空气腔54和毛细管薄层58：将单模光纤53与毛细管57放置在光纤熔接机的两端，在熔接机提供的两端应力作用下，毛细管57端面紧贴单模光纤53端面，在放电功率为45bit，放电时间为3s的熔接模式下进行连续放电，直至毛细管57的一部分膨胀为空气腔54，并且在单模光纤53和毛细管57的熔接处形成毛细管薄层58；

S104.在空气腔54内安装弹片56，将弹片56的一端和毛细管57连接；

S105.制作外壳51并组装传感器：选取并加工所需外壳51的材料和尺寸，将形成的空气腔54和单模光纤53安装在分光结构55的两侧，将单模光纤53、空气腔54、分光结构55和毛细管57以及毛细管薄层58安装在腔体52内，用螺丝打孔或者胶水粘贴的方式将该传感器封装在外壳51内。

实施例2：

如图5和图6所示，本实施例2与实施例1的区别在于，实施例1的传感器分为上下对称的第一传感器5和第二传感器6，第一传感器5和第二传感器6内均包括空气腔54和毛细管57，调节装置包括气压调节器7和温度调节器8，其中一个毛细管57的另一端和气压调节器7连接，另一个毛细管57的另一端和温度调节器8连接，通过气压调节器7对气压调节和温度调节器8对温度调节，可以使空气腔54的长度或腔介质折射率的变化，继而可以通过传感器5对气压或温度单独测量。而实施例2的第一传感器5和第二传感器6均包括空气腔54，但共用1个毛细管57，毛细管57的另一端和气压调节器7或温度调节器8连接，不能同时对气压和温度测量，只能单独对气压或温度测量。除此之外，其余结构与实施例1相同。

实施例3：

如图7和图8所示，本实施例3与实施例1的区别在于，实施例1的环形2的出口端通过分光器4和传感器连接，传感器分为上下对称的第一传感器5和第二传感器6，第一传感器5和第二传感器6内均包括空气腔54和毛细管57，调节装置包括气压调节器7和温度调节器8，其中一个毛细管57的另一端和气压调节器7连接，另一个毛细管57的另一端和温度调节器8连接，通过气压调节器7对气压调节和温度调节器8对温度调节，可以使空气腔54的长度或腔介质折射率的变化，继而可以通过传感器5对气压或温度单独测量。而实施例3没有分光器4，环形器2的出口端直接连接第一传感器5或第二传感器6，第一传感器5或第二传感器6内仅有1个所述空气腔54和两个毛细管57，所述毛细管57的另一端连接有所述气压调节器7和温度调节器8，通过第一传感器5和第二传感器6对气压和温度同时测量。除此之外，其余结构与实施例1相同。

实施例4：如图9和图10所示，本实施例4与实施例1的区别在于，实施例1的环形2的出口端通过分光器4和传感器连接，传感器分为上下对称的第一传感器5和第二传感器6，第一传感器5和第二传感器6内均包括空气腔54和毛细管57，调节装置包括气压调节器7和温度调节器8，其中一个毛细管57的另一端和气压调节器7连接，另一个毛细管57的另一端和温度调节器8连接，通过气压调节器7对气压调节和温度调节器8对温度调节，可以使空气腔54的长度或腔介质折射率的变化，继而可以通过传感器5对气压或温度单独测量。而实施例4没有分光器4，环形器2的出口端直接连接第一传感器5或第二传感器6，第一传感器5或第二传感器6内仅有1个空气腔54和毛细管57，毛细管57的另一端连接有转换接头9，转换接头9用于插接气压调节器7或温度调节器8。故只能通过第一传感器5或第二传感器6对气压或温度测量。除此之外，其余结构与实施例1相同。

该光纤气体压力传感器的工作原理如下：

宽带光源1将光源经环形器2传输到分光器4，分光器4再将光源分成两束光源，当光源从单模光纤53的一侧入射后通过通孔553进入到分光结构55，然后经过圆盘552上的透光孔554进入毛细管57由于从光纤纤芯531到毛细管57的折射率变化，在毛细管薄层前壁581处发生第一次反射，随后又因为毛细管薄层58到空气的折射率的变化，在毛细管薄层后壁582处发生第二反射，部分透射光进入空气腔54并被空气腔后壁541反射。因此，传感器5由毛细管薄层前壁581和毛细管薄层后壁582以及空气腔后壁541这三个主要的反射面构成。

传感器5内具有上下对称的两个毛细管57，传感器5具有两个单独的空气腔54，其中一个毛细管57和气压调节器7连接，通过对气压调节器7的压力调节，传感器5的其中一个空气腔54的长度有变化，另一个毛细管57和温度调节器8连接，通过对温度调节器8的温度调节，传感器5的另一个空气腔54的腔介质折射率有变化，故两个空气腔54的光程差产生变化并导致光纤光谱分析仪3输出光谱图案漂移，通过对气压调节器7的气压调节，传感器5可以通过跟踪波长的漂移来实现气体压力的检测，而通过对温度调节器8的温度调节，传感器5可以跟踪波长的漂移来实现对气体温度的检测，因此可以同时用传感器5对气压和温度测量，利用转换接头9还可以单独对气压或温度测量，继而实现光纤压力传感器测量气体压力时消除环境温度的影响，因为分光结构55的作用，还可以多组同时检测，当然还可以把气压调节器7和温度调节器8调成多组不同的数据，检测在不同的气压和温度下检测的结果，从而消除单一数据带来的误差影响，从而提高数据检测的准确性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种光纤气体压力传感器的制备方法，所述光纤气体压力传感器包括宽带光源（1）、环形器（2）以及光纤光谱分析仪（3），所述环形器（2）具有进口端、出口端以及反馈端三个接口，所述环形器（2）的进口端和宽带光源（1）连接，所述环形器（2）的反馈端和光纤光谱分析仪（3）连接，其特征在于，所述环形器（2）的出口端和传感器连接，所述传感器均包括外壳（51）和嵌套于所述外壳（51）内的腔体（52），所述腔体（52）内安装有单模光纤（53）和空气腔（54）以及毛细管（57），所述单模光纤（53）的一侧连通有分光结构（55），所述空气腔（54）内弹性连接有作为弹性膜片感受压力的弹片（56），所述弹片（56）另一侧连接有所述毛细管（57），所述毛细管（57）的另一端连接有能够调节气体压力和温度的调节装置；

所述传感器分为上下对称的第一传感器（5）和第二传感器（6），所述第一传感器（5）和第二传感器（6）内均包括空气腔（54）和毛细管（57），所述调节装置包括气压调节器（7）和温度调节器（8），其中一个所述毛细管（57）的另一端和所述气压调节器（7）连接，另一个所述毛细管（57）的另一端和所述温度调节器（8）连接；

所述制备方法包括，在罩体（551）上开设通孔（553），在圆盘（552）体表上等距离开设若干透光孔（554），将罩体（551）和圆盘（552）焊接为一体形成分光结构（55）；

在弹片（56）未与毛细管（57）连接的一面进行抛光处理；

将单模光纤（53）与毛细管（57）放置在光纤熔接机的两端，在熔接机提供的两端应力作用下，毛细管（57）端面紧贴单模光纤（53）端面，在放电功率为45bit，放电时间为3s的熔接模式下进行连续放电，直至毛细管（57）的一部分膨胀为空气腔（54），并且在单模光纤（53）和毛细管（57）的熔接处形成毛细管薄层（58）；

在空气腔（54）内安装弹片（56），弹片（56）的一端和毛细管（57）连接；

将形成的空气腔（54）和单模光纤（53）安装在分光结构（55）的两侧，将单模光纤（53）、空气腔（54）、分光结构（55）和毛细管（57）以及毛细管薄层（58）安装在腔体（52）内，构成传感器，将该传感器封装在外壳（51）内。

2.根据权利要求1所述的一种光纤气体压力传感器的制备方法，其特征在于，所述单模光纤（53）包括光纤纤芯（531）和包裹在所述光纤纤芯（531）外层的单模光纤包层（532），所述分光结构（55）包括罩体（551）和圆盘（552），所述罩体（551）的一侧开设有通孔（553），用于所述光纤纤芯（531）通过，所述圆盘（552）和所述罩体（551）的另一侧固定连接，所述圆盘（552）体表上等距离开设有若干透光孔（554）。

3.根据权利要求1所述的一种光纤气体压力传感器的制备方法，其特征在于，所述空气腔（54）为所述毛细管（57）在熔接机连续放电作用下部分膨胀而成，所述单模光纤（53）和毛细管（57）的熔接面形成毛细管薄层（58）。

4.根据权利要求3所述的一种光纤气体压力传感器的制备方法，其特征在于，所述毛细管薄层（58）包括毛细管薄层前壁（581）和毛细管薄层后壁（582）。

5.根据权利要求1所述的一种光纤气体压力传感器的制备方法，其特征在于，所述空气腔（54）包含空气腔后壁（541），对所述弹片（56）的底面进行抛光，可作为空气腔后壁（541）。

6.根据权利要求1所述的一种光纤气体压力传感器的制备方法，其特征在于，所述第一传感器（5）和第二传感器（6）均包括所述空气腔（54），且共用1个所述毛细管（57），所述毛细管（57）的另一端和所述气压调节器（7）或所述温度调节器（8）连接。

7.根据权利要求1所述的一种光纤气体压力传感器的制备方法，其特征在于，所述传感器为第一传感器（5）或第二传感器（6），所述第一传感器（5）或第二传感器（6）内仅有1个所述空气腔（54）和两个毛细管（57），所述毛细管（57）的另一端连接有所述气压调节器（7）和温度调节器（8）。

8.根据权利要求1所述的一种光纤气体压力传感器的制备方法，其特征在于，所述传感器为第一传感器（5）或第二传感器（6），所述第一传感器（5）或第二传感器（6）内仅有1个所述空气腔（54）和毛细管（57），所述毛细管（57）的另一端连接有转换接头（9），所述转换接头（9）用于插接所述气压调节器（7）或所述温度调节器（8）。

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