CN115031880A - 一种耐高温全蓝宝石光纤压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐高温全蓝宝石光纤压力传感器，属于光纤传感领域。该传感器由两段蓝宝石光纤和带有微通道的蓝宝石套管共同组成，采用飞秒激光在蓝宝石套管侧表面中间位置刻蚀出一个矩形微槽，刻蚀深度为蓝宝石套管外径一半，使得套管内部的微通道能够于外界空气交换。两段蓝宝石光纤的端面构成反射面，形成法布里珀罗干涉仪，用于测量所形成空气腔中的空气折射率的变化。本发明采用开腔式结构，制作简单，提高了传感器的灵敏度，采用全蓝宝石材料，适用于1500℃的高温环境，可以实现高温环境下空气压力的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐高温全蓝宝石光纤压力传感器，属于光纤传感领域。
背景技术
高温恶劣环境下压力参数的测量在航空航天，能源采集，环境监测，冶金制造等领域有着广泛的需求，尤其是在航空发动机，重型燃气轮机，高超声速飞行器及火箭发动机等动力设备，工作温度接近1600℃。
常规的压力传感器是基于MEMS工艺的压阻式压力传感器，其主要原理是通过压敏电阻进行压力感知，美国Kulite公司的XTEH-10LAC-190系列高温压力传感器，Goodrich公司的 SOI高温压力传感器，意大利Gefen公司和德国柏林科技大学联合研制的浮动式和倒装焊两种封装方式的SOI高温压力传感器，西安交通大学的SIMOX高温压力传感器，沈阳工业大学和中北大学研制的高温压力传感器，其最高适用温度仅为600℃。
近年来，光纤传感器成为了高温压力测量的佼佼者，全石英光纤高温压力传感器凭借其耐高温，精度高，体积小，响应快，易于制作等优势，被广泛研究，然而普通的石英光纤并不能实现超高温环境下的压力测量，蓝宝石作为一种耐高温材料，能够实现在1600℃下正常工作，非常适合制作高温压力传感器。德国莱布尼兹光子技术研究所Habisreuther等人制作出了能达1900℃的高温温度传感器(Habisreuther T,Elsmann T,Pan Z,etal.Sapphire fiber Bragg gratings for high temperature and dynamic temperaturediagnostics[J].Applied Thermal Engineering,2015,91:860-865.)，英国Oxsensis公司制作出的蓝宝石光纤高温压力传感器能实现1000℃，0-60bar的高温压力测量(Sposito A,Pechstedt D,Moss E.Optical fuel pump pressure sensor[C].Proceedings of SPIE,2018.)，美国弗吉尼亚理工的Wang Anbo等人采用干法刻蚀工艺制作出了一种全蓝宝石光纤压力传感器(Yi J,Lally E,Wang AB,et al.Demonstration of an all-sapphireFabry–Pérot cavity for pressure sensing[J].IEEE Photonics Technology Letters,2011, 23(1):9-11.)，佛罗里达大学的David A.Mils等人利用铂金属层研制的蓝宝石高温压力传感器能实现1000℃的压力测量(Mills D A,Alexander D,Subhash G,etal.Development of a sapphire optical pressure sensor for high-temperatureapplications[C].SPIE Sensing Technology+ Applications.2014.)。蓝宝石光纤膜片式高温压力传感器，通过感压膜片的形变进行测量，受限于蓝宝石本身的硬度，高杨氏模量以及加工厚度，其膜片的形变量都很小，导致传感器灵敏度低，同时膜片式的压力传感器在高温环境下会产生性能下降，进一步限制了其高温压力的测量。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种耐高温全蓝宝石光纤压力传感器，该传感器能够实现在1500℃下，0-10MPa的压力测量。
为了实现发明目的，本发明采用的技术方案是：一种耐高温全蓝宝石光纤压力传感器，包括：第一蓝宝石光纤、蓝宝石套管、蓝宝石套管空心柱、微通孔和第二蓝宝石光纤；所述第一蓝宝石光纤为圆柱型结构，其一端熔接单模光纤，一端通过蓝宝石套管空心柱伸入蓝宝石套管中；
所述蓝宝石套管为管柱型结构，其内部有一蓝宝石套管空心柱；蓝宝石套管的侧面中心位置采用飞秒激光刻蚀出一个微通孔；
所述蓝宝石套管空心柱为贯穿蓝宝石套管，使其成为管状结构；
所述微通孔能与外界实现空气联通，长度方向上为蓝宝石套管的十分之一，宽度不超过蓝宝石套管的直径；
所述第二蓝宝石光纤为圆柱型结构，其一端通过蓝宝石套管空心柱伸入蓝宝石套管2 中，并与蓝宝石光纤在微通孔处存在间隙；
将第一蓝宝石光纤和第二蓝宝石光纤分别经蓝宝石套管空心柱水平插入至蓝宝石套管的微通孔中对准，并使得两光纤端面平行但不接触，从而保留一个空气腔，分别将第一蓝宝石光纤和第二蓝宝石光纤与蓝宝石套管固定。
作为一种优选：所述的第一蓝宝石光纤长度为100-300mm，外径为75μm；第二蓝宝石光纤长度为10-20mm，外径为150-200μm；所述蓝宝石套管长度为10-15mm，直径为1mm，微通孔直径为200μm。
作为一种优选：所述的蓝宝石套管采用飞秒激光刻蚀的矩形微槽的刻蚀深度为蓝宝石套管外径的50％-60％，刻蚀宽度与蓝宝石套管的直径相同，刻蚀长度为蓝宝石套管直径的 2-3倍。
本发明专利较现有技术有以下有益效果：
本发明提供一种耐高温全蓝宝石光纤压力传感器。采用压力致空气折射率的变化进行压力测量，相较于膜片式结构，灵敏度更高，测量范围更大，在保证了耐高温特性的同时，结构也简单，制作难度低。
附图说明
图1为本发明所述的耐高温全蓝宝石光纤压力传感器侧视图；
图2为本发明所述的耐高温全蓝宝石光纤压力传感器俯视图；
图3为本发明所述的耐高温全蓝宝石光纤压力传感器立体图。
图中：1-蓝宝石光纤；2-蓝宝石套管；3-蓝宝石套管空心柱；4-微通孔；5-蓝宝石光纤。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例：
如图1至图3所示：一种耐高温全蓝宝石光纤压力传感器，包括：第一蓝宝石光纤1、蓝宝石套管2、蓝宝石套管空心柱3、微通孔4和第二蓝宝石光纤5。
第一蓝宝石光纤1为圆柱型结构，其外径75μm。
蓝宝石套管2为管柱型结构，其内径200μm、外径1mm，长度10mm；蓝宝石套管2的侧面中心位置通过飞秒激光刻蚀出一个长度1mm，宽度为1mm，深度为550μm微通孔4。
蓝宝石套管空心柱3蓝宝石套管2的底面中心，为底面直径为200μm、长10mm的柱状圆孔；其轴向中心和微通孔4连接。
微通孔4长度1mm，宽度为1mm，深度为550μm，其与蓝宝石套管空心柱3中心连接。
第二蓝宝石光纤5为圆柱型结构，其外径150μm。
装配本实施例时，将第一蓝宝石光纤1和芯径第二蓝宝石光纤5通过蓝宝石套管空心柱 3分别插入至蓝宝石套管2的微通孔4中，调整第一蓝宝石光纤1和第二蓝宝石光纤5的位置使得其两个端面对准，并保证两光纤端面不接触，保留一个300μm长的空气腔。采用耐高温无机胶分别将第一蓝宝石光纤1和第二蓝宝石光纤5与蓝宝石套管2固定。
探测光从宽带光源出射，经过第一蓝宝石光纤1导入，在第一蓝宝石光纤1右端面形成第一次菲涅尔反射，透射光经过空气微腔在第二蓝宝石光纤5左端面发生第二次菲涅尔反射，两次反射光形成双光束干涉，所形成的干涉信号被第一蓝宝石光纤1传输至光纤白光干涉解调仪中并解调出对应的光学腔长；外界气体可由微通孔4进入到第一蓝宝石光纤1和第二蓝宝石光纤5的微腔中。当外界气体压力变化时，会造成空气折射率变化，使得干涉仪的光程差发生变化，从而形成干涉型光纤压力传感器。
本发明利用压力致空气折射率变化的原理进行压力测量，在蓝宝石光纤上制作开腔式结构，实现了高灵敏度，大动态范围的高温压力测量，并且结构简单，制作简便。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。其它结构和原理与现有技术相同，这里不再赘述。
Claims (3)
1.一种耐高温全蓝宝石光纤压力传感器，其特征在于：包括第一蓝宝石光纤、蓝宝石套管、蓝宝石套管空心柱、微通孔和第二蓝宝石光纤；所述第一蓝宝石光纤为圆柱型结构，其一端熔接单模光纤，一端通过蓝宝石套管空心柱伸入蓝宝石套管中；
所述蓝宝石套管为管柱型结构，其内部有一蓝宝石套管空心柱；蓝宝石套管的侧面中心位置采用飞秒激光刻蚀出一个微通孔；
所述蓝宝石套管空心柱为贯穿蓝宝石套管，使其成为管状结构；
所述微通孔能与外界实现空气联通，长度方向上为蓝宝石套管的十分之一，宽度不超过蓝宝石套管的直径；
所述第二蓝宝石光纤为圆柱型结构，其一端通过蓝宝石套管空心柱伸入蓝宝石套管2中，并与蓝宝石光纤在微通孔处存在间隙；
将第一蓝宝石光纤和第二蓝宝石光纤分别经蓝宝石套管空心柱水平插入至蓝宝石套管的微通孔中对准，并使得两光纤端面平行但不接触，从而保留一个空气腔，分别将第一蓝宝石光纤和第二蓝宝石光纤与蓝宝石套管固定。
2.如权利要求1所述的耐高温全蓝宝石光纤压力传感器，其特征在于：所述的第一蓝宝石光纤长度为100-300mm，外径为75μm；第二蓝宝石光纤长度为10-20mm，外径为150-200μm；所述蓝宝石套管长度为10-15mm，直径为1mm，微通孔直径为200μm。
3.如权利要求1所述的耐高温全蓝宝石光纤压力传感器，其特征在于：所述的蓝宝石套管采用飞秒激光刻蚀的矩形微槽的刻蚀深度为蓝宝石套管外径的50％-60％，刻蚀宽度与蓝宝石套管的直径相同，刻蚀长度为蓝宝石套管直径的2-3倍。
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